專利名稱：一種稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于遠場相似度的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差 校正裝置。
背景技術：
作為非相干光學合成孔徑技術的一個重要分支，稀疏合成孔徑技術利用特定空間 排布的多子孔徑直接相干合成對目標成像，具有直接成像和瞬時頻率覆蓋等優(yōu)點。相位平 移誤差(也稱piston誤差)的校正問題對系統(tǒng)能否實現(xiàn)高分辨力成像有重要影響，相位平 移誤差的探測也已成為相關領域研究的焦點之一。目前，已提出的探測技術主要包括以下 幾種(1)條紋模式追蹤法(Fringe Pattern Tracking)國夕卜文獻“Measuring phase errors of an array or segmented mirror with a singlefar-field intensity distribution”Proc. SPIE 1542，1991，提出在忽略子孔徑 波前內的高階像差和子孔徑瞳面范圍內的空間頻率變化時，系統(tǒng)遠場強度的極小值和距離 最亮像點最近的兩極小值的相對位置與某一對子孔徑間相位平移誤差是直接相關的。文 獻"Activelyco-phased interferometry with SUN/SUMURIS”Proc. SPIE 1947，1993，基于 SolarUltraviolet Network(SUN)系統(tǒng)提出通過探測中心條紋與合成艾里斑中心之間的相 對距離可以求出相位平移誤差。(2)基于相位差算法(Phase Diversity)國夕卜文獻"Fizeau Interferometry Test-bed :ffavefront Control，，Proc. SPIE M87，2004，對以激光為目標光時分別采用離焦和波長偏移兩種方式實現(xiàn)的基于相位差算 法的共相探測方案進行了實驗研究。Rick Kendrick和Jos印h C. Marron在文章“Analytic VersusAdaptive Image Formation Using Optical Phased Arrays"Proc.SPIE 7468, 2009，中指出可采用圖像銳化指標作為相位差算法中的誤差因子來實現(xiàn)對相位平移誤差的 探測。國內易紅偉對基于自組織特征映射網(wǎng)絡(SOFM)的相位差算法在相位平移誤差探測 方面的應用給予了理論分析和初步實驗研究。(3)基于散斑三維傅氏變換算法(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)國 夕卜文 獻"A wave-front analysis algorithm for multi-aperture interferometersand hypertelescopes'Troc. ESLAB Symposium36，2004 出了5 的“ 斑三維傅氏變換算法”(3-D Fourier Transform on Dispersed Fringes)以實現(xiàn)相位平移 誤差的探測。此外，針對典型的雙子孔徑稀疏合成孔徑望遠鏡系統(tǒng)-LBT系統(tǒng)中的相位平 移誤差探IlJ I、可題，文獻"The Correction of pistonic aberrations at the LBT-A near-infrared Fringeand Flexure Tracker for LINC，，Proc. SPIE 4838，2003，提出用遠 場理論模型擬合觀測圖像進行探測的方法。國外文獻“AutonomouS“p/tilt alignment andphasing of adistributed aperture imaging test-bed"OPTICS EXPRESS 18(12),2010, 提出了利用調制傳遞函數(shù)的次峰強度變化規(guī)律結合遠場圖像對稱性的探測方法，該方法需 要借助相位差算法解決相位平移誤差探測中的符號判斷與2π模糊性問題。由于受大氣湍流的影響，稀疏光學合成孔徑系統(tǒng)中子孔徑間的相位平移誤差是實 時變化的，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高分辨力成像，相位平移誤差的探測需要解決符號判斷和2 π 模糊性等問題。但目前的條紋模式追蹤法只利用了圖像中的特殊信息，信息利用率不高，尤 其在目標強度較弱時，探測準確性會降低。而基于相位差算法的探測技術需要多次的迭代 計算才能恢復出相位平移誤差，實時性有限?；谏呷S傅氏變換算法的探測技術的計 算過程較為繁瑣，在實際稀疏光學合成孔徑系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)方式尚待論證。LBT項目中提 出的用遠場理論模型擬合觀測圖像的探測方法僅在目標光為單波長的條件下得到了初步 的實驗驗證。而利用調制傳遞函數(shù)次峰強度的變化規(guī)律結合遠場圖像對稱性的探測方法在 解決符號判斷與2π模糊性方面并不完善。
發(fā)明內容
本發(fā)明解決的技術問題克服現(xiàn)有相位平移誤差探測技術的不足，提供一種稀疏 光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，有效解決了相位平移誤差探測中的符號 判斷和2 π模糊性問題，在探測準確性和實時性等方面相比既有的探測技術有明顯改善。本發(fā)明技術的解決方案稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置包 括稀疏光學合成孔徑望遠鏡系統(tǒng)1、第一自適應光學系統(tǒng)2、第二自適應光學系統(tǒng)3、分束 器6、誤差補償模塊、誤差探測模塊和成像模塊，其中誤差補償模塊由誤差補償器4和誤差 補償控制器5構成；成像模塊由第二消色差成像元件9和第二科學級相機11構成；誤差探 測模塊由光束開關7、第一消色差成像元件8、第一科學級相機10和誤差計算單元12組成； 遠處目標光波經(jīng)過稀疏光學合成孔徑望遠鏡系統(tǒng)1后，子孔徑的接收波前包括大氣湍流引 起的相位畸變，每個子孔徑的整體波前之間還存在著相位平移誤差；第一自適應光學系統(tǒng) 2與第二自適應光學系統(tǒng)3分別對子孔徑a與子孔徑b自身接收波前的傾斜與更高階畸變 進行校正，之后的光束經(jīng)誤差補償器4到達分束器6，在此處，一部分光依次經(jīng)過第二消色 差成像元件9和第二科學級相機11成像，實現(xiàn)對目標的觀測；另一部分光進入誤差探測模 塊完成對子孔徑間相位平移誤差的實時探測，探測中首先保持誤差探測模塊中的光束開關 7為關閉狀態(tài)，由第一消色差成像元件8對目標經(jīng)參考子孔徑遠場成像，由第一科學級相機 10獲取此遠場分布并存儲于誤差計算單元12中；之后打開光束開關7，由第一消色差成像 元件8對目標經(jīng)這一對子孔徑遠場成像，由第一號科學級相機10獲取此遠場分布并存儲于 誤差計算單元12中；接著在誤差計算單元12中根據(jù)這兩套遠場分布得到相應的遠場相似 度函數(shù)，基于函數(shù)最大值的對應坐標計算出相位平移誤差，將計算結果反饋至誤差補償模 塊中的控制器5實現(xiàn)對誤差補償器4的控制，完成該對子孔徑間相位平移誤差的補償；對系 統(tǒng)其它的子孔徑對實施上述探測和補償過程以實現(xiàn)系統(tǒng)內相位平移誤差的完整校正；所述誤差計算單元12中根據(jù)目標分別經(jīng)某一對子孔徑和其中參考子孔徑所得的 遠場分布構造的遠場相似度函數(shù)如下
權利要求
1.一種稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其特征在于包括稀疏 光學合成孔徑望遠鏡系統(tǒng)(1)、第一自適應光學系統(tǒng)O)、第二自適應光學系統(tǒng)(3)、分束 器(6)、誤差補償模塊、誤差探測模塊和成像模塊，其中誤差補償模塊由誤差補償器(4)和 誤差補償控制器( 構成；成像模塊由第二消色差成像元件(9)和第二科學級相機(11) 構成；誤差探測模塊由光束開關(7)、第一消色差成像元件(8)、第一科學級相機(10)和誤 差計算單元(1 組成；遠處目標光波經(jīng)過稀疏光學合成孔徑望遠鏡系統(tǒng)(1)后，子孔徑的 接收波前包括大氣湍流引起的相位畸變，每個子孔徑的整體波前之間還存在著相位平移誤 差；第一自適應光學系統(tǒng)O)與第二自適應光學系統(tǒng)C3)分別對子孔徑a與子孔徑b自身 接收波前的傾斜與更高階畸變進行校正，之后的光束經(jīng)誤差補償器(4)到達分束器(6)，在 此處，一部分光依次經(jīng)過第二消色差成像元件(9)和第二科學級相機(11)成像，實現(xiàn)對目 標的觀測；另一部分光進入誤差探測模塊完成對子孔徑間相位平移誤差的實時探測，探測 中首先保持誤差探測模塊中的光束開關(7)為關閉狀態(tài)，由第一消色差成像元件(8)對目 標經(jīng)參考子孔徑遠場成像，由第一科學級相機(10)獲取此遠場分布并存儲于誤差計算單 元(12)中；之后打開光束開關(7)，由第一消色差成像元件(8)對目標經(jīng)這一對子孔徑遠 場成像，由第一號科學級相機(10)獲取此遠場分布并存儲于誤差計算單元(1 中；接著在 誤差計算單元(1 中根據(jù)這兩套遠場分布得到相應的遠場相似度函數(shù)，基于函數(shù)最大值 的對應坐標計算出相位平移誤差，將計算結果反饋至誤差補償模塊中的控制器( 實現(xiàn)對 誤差補償器的控制，完成該對子孔徑間相位平移誤差的補償；對系統(tǒng)其它的子孔徑對 實施上述探測和補償過程以實現(xiàn)系統(tǒng)內相位平移誤差的完整校正；所述誤差計算單元(1 中根據(jù)目標分別經(jīng)某一對子孔徑和其中參考子孔徑所得的遠 場分布構造的遠場相似度函數(shù)如下
2.根據(jù)權利要求1所述的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其特 征在于所述誤差計算單元(12)的硬件可由FPGA芯片或DSP芯片實現(xiàn)，也可以由其它類型 的高速數(shù)據(jù)處理器例如ASIC專用集成電路等實現(xiàn)，以保證相位平移誤差探測的實時性。
3.根據(jù)權利要求1所述的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其特 征在于所述誤差補償模塊中誤差補償控制器( 包含控制信號轉換單元(51)與控制單元 (52)，其中控制信號轉換單元(51)將誤差計算單元(1 中得到的兩子孔徑，即子孔徑a與b波前之間的相位平移誤差轉換為誤差補償器(4)中錐形反射鏡Gl)所需的移動量ρ和移動方向，所述移動量P按公式P = ||相位平移誤差I計算，移動方向根據(jù)相位平移誤差的正負而定，若相位平移誤差為正，則移動方向為使非參考子孔徑b的光程縮短的方向，反之，移 動方向為使非參考子孔徑b的光程增加的方向；所述控制單元中(5 采用比例-積分控制 方式、或比例-微分控制方式，或比例-積分-微分控制方式控制誤差補償器(4)中的錐形 反射鏡Gl)移動，完成對兩子孔徑，即子孔徑a與b波前之間的相位平移誤差的補償；所述誤差補償器(4)包含一個安裝在導軌G4)上的錐形反射鏡Gl)和兩個固定的平 面反射鏡02、43)，兩個平面反射鏡(42、43)對稱放置，錐形反射鏡的初始位置位于這 一對平面反射鏡G2、43)的對稱軸上；錐形反射鏡Gl)可以沿導軌移動，通過誤差補償控 制器( 錐形反射鏡Gl)的移動進行控制，實現(xiàn)對兩子孔徑a與b波前之間的相位平移誤 差的補償。
4.根據(jù)權利要求1所述的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其特 征在于所述的光束開關(7)采用光束遮攔方式，或采用反射方式，或采用折射方式。
5.根據(jù)權利要求1所述的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其特 征在于所述第一消色差成像元件(8)和第二消色差成像元件(9)利用消色差膠合透鏡實 現(xiàn)，或利用消色差分離透鏡實現(xiàn)。
6.根據(jù)權利要求1所述的稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，其 特征在于所述第一科學級相機(10)，第二科學級相機(11)，是科學級CCD相機，或科學級 CMOS相機。
全文摘要
一種稀疏光學合成孔徑成像系統(tǒng)的相位平移誤差校正裝置，由稀疏光學合成孔徑望遠鏡、自適應光學系統(tǒng)、誤差補償器、誤差補償控制器、分束器、光束開關、消色差成像元件、科學級相機、誤差計算單元組成。其中光束開關、消色差成像元件、科學級相機和誤差計算單元構成誤差探測模塊；誤差補償器和誤差補償控制器構成誤差補償模塊；另一套消色差成像元件和科學級相機構成成像模塊。誤差探測模塊完成對相位平移誤差的求解。誤差補償模塊對相位平移誤差進行補償。針對不同子孔徑對進行上述探測、補償過程可實現(xiàn)系統(tǒng)內相位平移誤差的完整校正。該裝置可有效實現(xiàn)相位平移誤差的探測和補償功能，在準確性、實時性等方面較目前同類系統(tǒng)中的探測技術有所改善。
文檔編號G01S7/497GK102122082SQ20111007054
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者劉政, 王勝千, 饒長輝 申請人:中國科學院光電技術研究所