一种稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，由稀疏光学合成孔径望远镜、自适应光学系统、误差补偿器、误差补偿控制器、分束器、光束开关、消色差成像元件、科学级相机、误差计算单元组成。其中光束开关、消色差成像元件、科学级相机和误差计算单元构成误差探测模块；误差补偿器和误差补偿控制器构成误差补偿模块；另一套消色差成像元件和科学级相机构成成像模块。误差探测模块完成对相位平移误差的求解。误差补偿模块对相位平移误差进行补偿。针对不同子孔径对进行上述探测、补偿过程可实现系统内相位平移误差的完整校正。该装置可有效实现相位平移误差的探测和补偿功能，在准确性、实时性等方面较目前同类系统中的探测技术有所改善。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于远场相似度的稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差 校正装置。
技术介绍
作为非相干光学合成孔径技术的一个重要分支，稀疏合成孔径技术利用特定空间 排布的多子孔径直接相干合成对目标成像，具有直接成像和瞬时频率覆盖等优点。相位平 移误差(也称piston误差)的校正问题对系统能否实现高分辨力成像有重要影响，相位平 移误差的探测也已成为相关领域研究的焦点之一。目前，已提出的探测技术主要包括以下 几种(1)条纹模式追踪法(Fringe Pattern Tracking)国夕卜文献“Measuring phase errors of an array or segmented mirror with a singlefar-field intensity distribution”Proc. SPIE 1542，1991，提出在忽略子孔径 波前内的高阶像差和子孔径瞳面范围内的空间频率变化时，系统远场强度的极小值和距离 最亮像点最近的两极小值的相对位置与某一对子孔径间相位平移误差是直接相关的。文 献"Activelyco-phased interferometry with SUN/SUMURIS”Proc. SPIE 1947，1993，基于 SolarUltraviolet Network(SUN)系统提出通过探测中心条纹与合成艾里斑中心之间的相 对距离可以求出相位平移误差。(2)基于相位差算法(Phase Diversity)国夕卜文献"Fizeau Interferometry Test-bed :ffavefront Control，，Proc. SPIE M87，2004，对以激光为目标光时分别采用离焦和波长偏移两种方式实现的基于相位差算 法的共相探测方案进行了实验研究。Rick Kendrick和Jos印h C. Marron在文章“Analytic VersusAdaptive Image Formation Using Optical Phased Arrays"Proc.SPIE 7468, 2009，中指出可采用图像锐化指标作为相位差算法中的误差因子来实现对相位平移误差的 探测。国内易红伟对基于自组织特征映射网络(SOFM)的相位差算法在相位平移误差探测 方面的应用给予了理论分析和初步实验研究。(3)基于散斑三维傅氏变换算法(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)国 夕卜文 献"A wave-front analysis algorithm for multi-aperture interferometersand hypertelescopes'Troc. ESLAB Symposium36，2004 出了5 的“ 斑三维傅氏变换算法”(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)以实现相位平移 误差的探测。此外，针对典型的双子孔径稀疏合成孔径望远镜系统-LBT系统中的相位平 移误差探IlJ I、可题，文献"The Correction of pistonic aberrations at the LBT-A near-infrared Fringeand Flexure Tracker for LINC，，Proc. SPIE 4838，2003，提出用远 场理论模型拟合观测图像进行探测的方法。国外文献“AutonomouS“p/tilt alignment andphasing of adistributed aperture imaging test-bed"OPTICS EXPRESS 18(12),2010, 提出了利用调制传递函数的次峰强度变化规律结合远场图像对称性的探测方法，该方法需 要借助相位差算法解决相位平移误差探测中的符号判断与2π模糊性问题。由于受大气湍流的影响，稀疏光学合成孔径系统中子孔径间的相位平移误差是实 时变化的，为了实现系统的高分辨力成像，相位平移误差的探测需要解决符号判断和2 π 模糊性等问题。但目前的条纹模式追踪法只利用了图像中的特殊信息，信息利用率不高，尤 其在目标强度较弱时，探测准确性会降低。而基于相位差算法的探测技术需要多次的迭代 计算才能恢复出相位平移误差，实时性有限。基于散斑三维傅氏变换算法的探测技术的计 算过程较为繁琐，在实际稀疏光学合成孔径系统中的具体实现方式尚待论证。LBT项目中提 出的用远场理论模型拟合观测图像的探测方法仅在目标光为单波长的条件下得到了初步 的实验验证。而利用调制传递函数次峰强度的变化规律结合远场图像对称性的探测方法在 解决符号判断与2π模糊性方面并不完善。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题克服现有相位平移误差探测技术的不足，提供一种稀疏 光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，有效解决了相位平移误差探测中的符号 判断和2 π模糊性问题，在探测准确性和实时性等方面相比既有的探测技术有明显改善。本专利技术技术的解决方案稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置包 括稀疏光学合成孔径望远镜系统1、第一自适应光学系统2、第二自适应光学系统3、分束 器6、误差补偿模块、误差探测模块和成像模块，其中误差补偿模块由误差补偿器4和误差 补偿控制器5构成；成像模块由第二消色差成像元件9和第二科学级相机11构成；误差探 测模块由光束开关7、第一消色差成像元件8、第一科学级相机10和误差计算单元12组成； 远处目标光波经过稀疏光学合成孔径望远镜系统1后，子孔径的接收波前包括大气湍流引 起的相位畸变，每个子孔径的整体波前之间还存在着相位平移误差；第一自适应光学系统 2与第二自适应光学系统3分别对子孔径a与子孔径b自身接收波前的倾斜与更高阶畸变 进行校正，之后的光束经误差补偿器4到达分束器6，在此处，一部分光依次经过第二消色 差成像元件9和第二科学级相机11成像，实现对目标的观测；另一部分光进入误差探测模 块完成对子孔径间相位平移误差的实时探测，探测中首先保持误差探测模块中的光束开关 7为关闭状态，由第一消色差成像元件8对目标经参考子孔径远场成像，由第一科学级相机 10获取此远场分布并存储于误差计算单元12中；之后打开光束开关7，由第一消色差成像 元件8对目标经这一对子孔径远场成像，由第一号科学级相机10获取此远场分布并存储于 误差计算单元12中；接着在误差计算单元12中根据这两套远场分布得到相应的远场相似 度函数，基于函数最大值的对应坐标计算出相位平移误差，将计算结果反馈至误差补偿模 块中的控制器5实现对误差补偿器4的控制，完成该对子孔径间相位平移误差的补偿；对系 统其它的子孔径对实施上述探测和补偿过程以实现系统内相位平移误差的完整校正；所述误差计算单元12中根据目标分别经某一对子孔径和其中参考子孔径所得的 远场分布构造的远场相似度函数如下权利要求1.一种稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于包括稀疏 光学合成孔径望远镜系统(1)、第一自适应光学系统O)、第二自适应光学系统(3)、分束 器(6)、误差补偿模块、误差探测模块和成像模块，其中误差补偿模块由误差补偿器(4)和 误差补偿控制器( 构成；本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种稀疏光学合成孔径成像系统的相位平移误差校正装置，其特征在于包括：稀疏光学合成孔径望远镜系统（１）、第一自适应光学系统（２）、第二自适应光学系统（３）、分束器（６）、误差补偿模块、误差探测模块和成像模块，其中误差补偿模块由误差补偿器（４）和误差补偿控制器（５）构成；成像模块由第二消色差成像元件（９）和第二科学级相机（１１）构成；误差探测模块由光束开关（７）、第一消色差成像元件（８）、第一科学级相机（１０）和误差计算单元（１２）组成；远处目标光波经过稀疏光学合成孔径望远镜系统（１）后，子孔径的接收波前包括大气湍流引起的相位畸变，每个子孔径的整体波前之间还存在着相位平移误差；第一自适应光学系统（２）与第二自适应光学系统（３）分别对子孔径ａ与子孔径ｂ自身接收波前的倾斜与更高阶畸变进行校正，之后的光束经误差补偿器（４）到达分束器（６），在此处，一部分光依次经过第二消色差成像元件（９）和第二科学级相机（１１）成像，实现对目标的观测；另一部分光进入误差探测模块完成对子孔径间相位平移误差的实时探测，探测中首先保持误差探测模块中的光束开关（７）为关闭状态，由第一消色差成像元件（８）对目标经参考子孔径远场成像，由第一科学级相机（１０）获取此远场分布并存储于误差计算单元（１２）中；之后打开光束开关（７），由第一消色差成像元件（８）对目标经这一对子孔径远场成像，由第一号科学级相机（１０）获取此远场分布并存储于误差计算单元（１２）中；接着在误差计算单元（１２）中根据这两套远场分布得到相应的远场相似度函数，基于函数最大值的对应坐标计算出相位平移误差，将计算结果反馈至误差补偿模块中的控制器（５）实现对误差补偿器（４）的控制，完成该对子孔径间相位平移误差的补偿；对系统其它的子孔径对实施上述探测和补偿过程以实现系统内相位平移误差的完整校正；所述误差计算单元（１２）中根据目标分别经某一对子孔径和其中参考子孔径所得的远场分布构造的远场相似度函数如下：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｄ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｔｏｔａｌ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）其中ｘ为第一科学级相机（１０）接收面上的Ｘ轴坐标，对应着子孔径ａ与子孔径ｂ所成的基线方向；Ｉｔｏｔａｌ（ｘ）表示目标经该对子孔径，即子孔径ａ与ｂ所得远场沿Ｘ轴，即基线方向的分布，Ｉｒｅｆ（ｘ）表示目标经参考子孔径，即子孔径ａ所得远场沿Ｘ轴，即基线方向的分布；获得上述特征函数的数学表达的基础上，相位平移误差由下式确定：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｐｉｓｔｏｎｅｒｒｏｒ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）Ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｘ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｍ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｄ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）其中，Ｒ为子孔径ａ与子孔径ｂ的中心距，ｆ为第一消色差成像元件（８）的焦距，Ｘｍ（Ｄｐ）为远场相似度函数Ｄｐ沿Ｘ轴上最大值对应点坐标；由误差计算单元（１２）按照公式（１）计算出远场相似度函数Ｄｐ，再根据该函数沿Ｘ轴上的最大值对应点的坐标Ｘｍ（Ｄｐ）代入上公式（２）可得到该对子孔径间的相位平移误差。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘政，王胜千，饶长辉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90
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