一种物光复相干系数相位的绝对测量方法技术

本发明专利技术提出一种物光复相干系数相位的绝对测量方法，该方法首先对光学系统等效瞳面任意孔径对干涉测量的条纹数据进行处理，获得干涉条纹曲线干涉项，及其包络和极值；其次，在曲线包络零光程差的一侧极值变化相对稳定区内的任意一个光强极大值A，在零光程另一侧选取与极值A最接近的两个极值光强值B和C，且满足关系B＞A≥C；再次，计算A和C之间的条纹周期个数；最后，根据条纹周期数，选择公式解算被测信号的绝对相位。该方法原理简单、不受仪器外部环境影响，适用范围广。适用范围广。适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种物光复相干系数相位的绝对测量方法


[0001]本专利技术属于光电成像领域，为光学瞳面干涉计算成像技术提供一种物光复相干系数相位的绝对测量方法。

技术介绍

[0002]光学瞳面干涉计算成像技术在高分辨成像领域具有明显技术优势，其等效口径的扩展能力强。光学瞳面干涉计算成像理论是范西特
‑
泽尼克定律，光学系统等效瞳面处的物光复相干系数μ(u，v)是非相干扩展光源分布I(ξ，η)的归一化傅里叶变换，其中，(u，v)是空间频谱坐标，(ξ，η)是扩展光源空间坐标。如果能够测得光源的复相干系数μ(u，v)，即获得了光源的傅里叶频谱，通过傅里叶逆变换就能求得光源强度分布I(ξ，η)。复相干系数μ(u，v)包括模|μ|和相位φ(又称幅角)，可以表达为μ＝|μ|e
jφ
，理论上，可以通过基线孔径对间的干涉可见度和零光程处的相位差来测定。
[0003]基于该成像理论，国际先后建设和规划了多台大型干涉仪。现今在运行的地基大型光学干涉仪有最长基线可达200m的欧洲南方天文台的甚大望远镜(Very Large Telescope，VLTI)，具有10
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432m长度基线的美国海军精密光学干涉仪(The Navy Precision Optical Interferometer，NPOI)，和具有34
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331m长度基线的高角分辨率天文中心(the Center for High Angular Resolution Astronomy,CHARA)。借鉴地基天文干涉仪技术体制。美国NASA和European space agency(ESA)率先开展了free
‑
flyer interferometer计划，其中空间干涉测量任务(Space Interferometry Mission，SIM)原计划将成为第一台空间长基线光学干涉仪，应用于天文观测，预期其天体测量的精度远远超过目前存在，或正在开发任何其他项目的能力。关于其研究持续多年，但目前空间干涉仪SIM任务已取消，也使空间大型干涉仪的研发道路充满疑团。
[0004]现有大型长基线干涉仪工程应用难题之一是复相干系数相位测量难题。天文干涉仪常用沟槽光谱(channeled spectrum)的方式，将宽带光信号色散，并用成像探测器记录，通过观察不同光程差时的条纹数量来确定零光程差所在位置，进而实现复相干系数相位测量。但在复杂空间环境，在十米、数十米、甚至上百米的尺度上，桁架受到振动、热和重力梯度等影响导致形变，从而导致预先标定好的零光程差位置发生漂移，失去基准，工作中仪器需要借助参考目标进行反复标定。除了沟槽光谱法，天文干涉领域还常用一种闭合相位测量法，通过三个口径两两配对的方式得到三组相对相位，使用该方法理论上虽然能够消除掉大气湍流的影响，但由于闭合相位数量总是小于真实相位，因此需要设计特定算法来求解真实的复相干系数相位。当不能测量复相干系数相位时，科学家尝试迭代优化算法进行复相干系数相位的恢复，进而完成高分辨图像的重建。
[0005]为了解决光学瞳面干涉计算成像系统复相干系数相位的测量难题，推进该成像技术体制的工程化应用，本专利技术提出一种干涉包络两侧干涉极值比较测量复相干系数相位绝对值的方法，该方法原理简单、不受仪器外部环境影响，适用范围广。该方法相对专利技术专利一种复相干系数相位的相对测量方法(申请号：2023103687876)操作更加简单，测量效率更
高。

技术实现思路

[0006]拓展Van Cittert
‑
Zernike定理的内涵，光学系统等效瞳面上的任意基线两端点P1,P2接收的光信号的互相干函数可以用以下公式描述：
[0007][0008]式中，
[0009][0010][0011]I(P1)和I(P2)分别是P1,P2处接收到光信号的光强，γ(P1,P2,τ)是时间延迟τ时，P1和P2处光信号的复相干度，I(α,β,v)为物面(α,β)扩展光源在频段的单位面积的光强，R1和R2分别为光源I(α,β,v)到P1,P2的距离。
[0012]当τ＝0时，由(1)可得P1和P2处光信号的复相干度
[0013][0014]假设在窄带频段内，光源区域D内同一面元中的各个频率的光源强度I(α,β,v)都相同，复相干度可表述为复相干系数μ(u，v)的模G和相位(又称幅角)的形式，即
[0015][0016]将式(5)代入式(1)，且考虑到成像系统的光谱响应函数T(v)，可得光信号经耦合器传输干涉后获得复相干度为
[0017][0018]假设光信号在所有介质传播过程中的总色散为0，则
[0019][0020]其中，F(τ)为函数T(v)的傅里叶变换，F(τ)＝|F(τ)|e
if(τ)
；f(τ)是与光谱形状相关的相位项，特别地，当T(v)关于中心频率v0对称时，F(τ)为实函数，f(τ)＝0或π。
F0可看作是常数。
[0021]因此，光学系统等效瞳面上的任意一条基线两端点P1,P2，对应的孔径接收的光信号，通过耦合器产生的干涉条纹可以表示为：
[0022][0023]式中，I(P1)'和I(P2)'分别代表P1,P2处光信号经过成像系统分光后的光强。
[0024]其中，干涉项其中，干涉项为常数，令|F(τ)|可以看成是干涉条纹的包络函数。当时，I
Δ
(τ)为极大值(n∈N)，当时，I
Δ
(τ)为极小值。
[0025]假设T(v)关于中心频率v0对称，且在包含零光程差位置的主瓣内，f(τ)＝0。对于一个相位为φ的物光信号，当τ处于使|F(τ)|的一阶导数|F(τ)|'＝k近似不变，二阶导数接近于零的区间时，即取干涉信号零光程一侧主瓣内干涉信号极值变化相对稳定的区间内的任意一个光强极大值(n为整数)。
[0026]当0≤φ＜π时，在零光程差另一侧主瓣内，与该复相干因子最接近的极值光强值为和且此时与之间共有偶数个条纹周期。被测信号的相位φ满足关系：
[0027][0028]当π≤φ＜2π时，在零光程差另一侧主瓣内，与该复相干因子最接近的极值光强值为和且有此时与之间共有奇数个条纹周期。被测信号的相位φ满足关系：
[0029][0030]综上，只需要准确测量出零光程差一侧的一个光强极大值或极小值点，和另一侧与其最邻近的两个光强极值点，结合这些极值点之间的条纹周期数量进行极值比较，就可计算出干涉信号所对应的复相干系数的相位φ。总结该复相关系数相位的绝对测量方法步骤如下：
[0031]第1步：光学系统等效瞳面上的任意一条基线两端点P1,P2，对应的孔径对接收的光
信号，通过干涉耦合获得干涉条纹；
[0032]第2步：对干涉条纹信号做去直流、去噪等处理，获得干涉条纹干涉项曲线，以及其包络和极值；
[0033]第3步：在干涉条纹的零光程一侧主瓣内干涉信号极大值变化相对稳定的区间内的任意一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物光复相干系数相位的绝对测量方法，其特征在于：(1)利用干涉条纹干涉项极大值比较，其方法步骤如下：第1步：光学系统等效瞳面上的任意一条基线两端点P1,P2，对应的孔径对接收的光信号，通过干涉耦合获得干涉条纹；第2步：对干涉条纹信号做去直流、去噪等处理，获得干涉条纹干涉项曲线，以及其包络和极值；第3步：在干涉条纹的零光程一侧主瓣内干涉信号极大值变化相对稳定的区间内的任意一个光强极大值A，在零光程另一侧主瓣内干涉信号极值变化相对稳定的区间内的选取与极大值A最接近的两个极值光强值B和C，且满足关系B＞A≥C；第4步：计算A和C之间的条纹周期个数；第5步：当条纹周期个数为偶数个时，计算得到被测信号的绝对相位第6步：当条纹周期个数为奇数个时，计算得...

【专利技术属性】
技术研发人员：于清华，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：