本发明专利技术涉及恒星光干涉相位检测方法，所述该方法基于宽波段偏振调制实现，利用菲涅尔棱镜、分光棱镜以及偏振分光棱镜调制星光相位，将光程差检测精度提高到甚至更高的相位级别；利用色散棱镜获得合束星光的通道光谱进行群延迟检测，兼备大动态检测范围与一个波长量级的检测精度，为相位检测的有效性提供了保障。根据群延迟检测结果，通过延迟线系统补偿光程差，确保相位检测过程中光程差变化不超过动态范围。根据多波长的相位检测结果统计平均提高检测精度。本发明专利技术相位检测与群延迟检测通过同一光路同时获取检测所需图像，不存在时域误差。本发明专利技术有效结合了相位检测高精度与群延迟检测大动态范围的优势，提高了恒星光干涉中相位检测的鲁棒性。中相位检测的鲁棒性。中相位检测的鲁棒性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法和系统
[0001]本专利技术涉及一种相位检测方法；涉及天体高分辨成像、天文终端设备、光学检测、恒星光干涉仪等
，特别是涉及一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，更具体的涉及一种应用于恒星光干涉装置中为保证不同子孔径之间光程差匹配精度的相位检测方法。
技术介绍
[0002]天文学家对高分辨率的追求从未停止，大部分恒星的角直径在毫角秒量级，国际上运行的望远镜均只能成点像，无法得到恒星表面的细节信息，即便是在建的39米望远镜E
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ELT的分辨率也刚刚跨入毫角秒量级。高分辨率则对应着对望远镜口径有着更大的需求，而望远镜的口径不可能无限增大，同时望远镜的造价与口径的平方成正比关系，望远镜口径的增大，建造成本将极具上涨。
[0003]长基线式恒星光干涉技术，是将分立的多个望远镜的光通过相互干涉的方式实现高分辨率测量或是成像的方法，能够通过增加望远镜数量以及增长基线的方式进一步提高分辨率。当基线长度延长至百米量级，即可获得微角秒量级的天体测量能力以及成像观测能力。该方法的本质是精密测量干涉条纹的对比度，而地球自转、基线投影变化以及大气扰动等因素产生的光程差变化均会影响到对比度的测量精度。因此精密测定来自不同望远镜星光之间的光程差，并将其尽可能锁定在“0”位，使科学终端的星光干涉条纹能够进行长曝光记录，是实现高精度干涉测量的关键。
[0004]相位检测可测出相位量级的光程差变化，在恒星光干涉仪设计中配合延迟线等设备实时调节光程差，实现精密的条纹对比度的测定。相位检测方法需要根据实际检测范围与环境条件调整，常见于面型检测等领域的相位检测方法并不能直接适用于恒星光干涉仪。
技术实现思路
[0005]为了解决现有相位检测技术中存在的两点技术问题：1.不满足恒星光干涉设备的实时检测等需求；2.相位检测的动态范围不能覆盖不同子孔径星光之间光程差的变化区间。本专利技术提供一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，具体方案如下：将两束星光经过偏振调制相位检测光路，同时得到相位差间隔为的四幅通道光谱图像；采集通道光谱图像，捕获具有光程差信息的通道光谱图像，锁定光程差至一个波长以内；四幅图像多波长处采集通道光谱强度，计算相位差，统计平均得到光程差；群延迟检测同时监测光程差波动。
[0006]进一步地，所述同时得到相位差间隔为的四幅通道光谱图像的具体方法是：
通过菲涅尔棱镜调制其中一束星光，引入相位移相，对应的补偿棱镜补偿另一束星光光程；分光棱镜引入相位移相，并将两束星光合束；通过偏振分光棱镜提取相位差间隔为的四幅通道光谱图像。
[0007]进一步地，所述捕获具有光程差信息的通道光谱图像具体过程是：先采用粗群延迟检测方法即通过粗群延迟检测方法配合延迟线系统快速扫描运动，快速将光程差缩小至群延迟检测的动态范围以内；再采用精细群延迟检测方法即群延迟检测光程差，延迟线系统实时补偿光程差，通过延迟线系统锁定光程差,锁定光程差至一个波长以内；精细群延迟检测实时监测光程差，当光程差变化超出一个波长时立即做出响应，将光程差重新锁定在一个波长以内。
[0008]进一步地，所述的粗群延迟检测方法的过程包括：快速傅里叶变换算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目；根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；根据通道光谱频谱判断是否捕获具有光程差信息的通道光谱；根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。
[0009]进一步地，所述的精细群延迟检测方法的过程包括：根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；在通道光谱信号后填充零；通过周期图算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目，根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。
[0010]进一步地，所述延迟线系统由二级组成，配合完成光程扫描与光程差补偿；第一级为压电位移平台，用于精细调节星光光程，保持并锁定星光之间的光程差；第二级为高精度直线位移平台，用于扫描光程捕获条纹，以及通过查表的方式实时补偿由地球自转导致星光之间的固有光程差；第一级压电位移平台置于第二级上，所述的二级延迟线安装于偏振调制相位检测光路之前，各束星光的支路上均有延迟线系统。
[0011]进一步地，所述的群延迟检测同时监测光程波动过程包括：当光程差波动小于相位检测动态范围时保持监测状态，由相位检测确定光程差检测结果；当光程差波动大于相位检测动态范围时，光程差检测结果由群延迟检测确定，并接管延迟线控制，重新锁定光程差至相位检测的动态范围以内，进行相位检测；当光程差波动大于群延迟检测动态范围时，光程差检测失效，重新通过延迟线系统扫描光程，恢复光程差检测。
[0012]本专利技术还提供了基于上述方法的宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测系统，包括：偏振调制相位检测光路形成系统、检测跟踪系统；所述偏振调制相位检测光路形成系统，包括：移相光路、提取光路和色散光路。
[0013]所述检测跟踪系统，包括：延迟线、相机和控制装置。
[0014]在本专利技术中，由宽波段群延迟检测并行确保光程差在相位检测的动态范围内（在一个波长以内），由多幅干涉图像实时计算相位差，反馈至延迟线系统进行闭环相位跟踪。相位检测在光程差锁定在动态检测范围以内后进行，通过多个偏振光学器件调制相位同时得到四幅相位差间隔的干涉图像，由多幅干涉图像完成相位检测；所述的宽波段群延迟检测是通过棱镜等色散元件将合束光色散成为通道光谱，具备大动态检测范围，检测精度优于相位检测波长；群延迟检测结果反馈至延迟线系统将光程差实时补偿至相位检测动态范围以内，满足相位检测条件；所述相位检测所用的多幅干涉图像与群延迟检测所用的通道光谱图像同时从一台或多台相机中获取，确保两级检测在时域上的一致性。
[0015]所述的群延迟检测与相位检测通过图1所示的同一光路采集图像并完成计算，检测过程遵循图2的协同逻辑，该方法的特点在于通过分为两级检测，确保相位检测时光程差在动态范围以内，避免出现模糊，导致检测失败。
[0016]换言之，本专利技术包括群延迟检测、相位检测以及协同方法；群延迟检测拥有较大的动态检测范围，检测精度能够支持延迟线系统将光程差锁定在相位检测的动态范围内；相位检测的动态检测范围较小，通常在一个波长以内，精度可达到甚至更高，提供给延迟线进行相位补偿以及差分延迟光程差的计算；协同方法使以上两种检测方法在同一光路中实现，并协调群延迟检测配合完成实时的相位检测。
[0017]群延迟检测：分为精细群延迟检测与粗群延迟检测两种模式。两束星光合束后通过棱镜或光栅色散得到通道光谱，通过分析通道光谱的频谱得到光程差，反馈至延迟线系统进行实时光程差补偿，将光程差稳定在相位检测技术的动态范围以内（在一个波长以内）。
[0018]相位检测检测：两束相位差在一个波长以内的星光，通过菲涅尔棱镜、补偿棱镜、分光棱镜以及偏振分光棱镜后，得到四组相位差分别为、、以及的合束光，通过四步移相求解算法求得原始相位差。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于包括：将两束星光经过偏振调制相位检测光路，同时得到相位差间隔为的四幅通道光谱图像；采集通道光谱图像，捕获具有光程差信息的通道光谱图像，锁定光程差至一个波长以内；四幅图像多波长处采集通道光谱强度，计算相位差，统计平均得到光程差；群延迟检测同时监测光程差波动。2.根据权利要求1所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，所述同时得到相位差间隔为的四幅通道光谱图像的具体方法是：通过菲涅尔棱镜调制其中一束星光，引入相位移相，对应的补偿棱镜补偿另一束星光光程；分光棱镜引入相位移相，并将两束星光合束；通过偏振分光棱镜提取相位差间隔为的四幅通道光谱图像。3.根据权利要求1所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，所述捕获具有光程差信息的通道光谱图像具体过程是：先采用粗群延迟检测方法即通过粗群延迟检测方法配合延迟线系统快速扫描运动，快速将光程差缩小至群延迟检测的动态范围以内；再采用精细群延迟检测方法即群延迟检测光程差，延迟线系统实时补偿光程差，通过延迟线系统锁定光程差,锁定光程差至一个波长以内；精细群延迟检测实时监测光程差，当光程差变化超出一个波长时立即做出响应，将光程差重新锁定在一个波长以内。4.根据权利要求1所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，所述的粗群延迟检测方法的过程包括：快速傅里叶变换算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目；根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；根据通道光谱频谱判断是否捕获具有光程差信息的通道光谱；根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。5.根据权利要求1所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，所述的精细群延迟检测方法的过程包括：根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；在通道光谱信号后填充零；通过周期图算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目，根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。6.根据权利要求3所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，所述延迟线系统由二级组成，配合完成光程扫描与光程差补偿；第一级为压电位移平台，用于精细调节星光光程，保持并锁定星光之间的光程差；第二级为高精度直线位移平台，用于扫描光程捕获条纹，以及通过查表的方式实时补偿由地球自转导致星光之间的固有光程差；第一级压电位移平台置于第二级上，所述的二级延迟线
安装于偏振调制相位检测光路之前，各束星光的支路上均有延迟线系统。7.根据权利要求1所述的一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，其特征在于，在四幅通道光谱图像中，在波长处的光强函数可表示为：其中，为波长处的归一化光谱强度，为波长处的条纹对比度，s为群延迟光程差，为波长处的相位值；当延迟线系统根据精细群延迟检测方法将光程差控制在一个波长以内时，群延迟光程差，则波长处的相位信息可被表示为：通过对不同波长处的相位信息进行统计平均可...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯永辉，魏炜，徐腾，吴旭昊，孙越，孙何敏，姜方华，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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