一種虛擬孔徑復(fù)振幅拼接超分辨率天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種孔徑受限的天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)通過虛擬孔徑復(fù)振幅拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn) 超分辨率成像的技術(shù)手段，特別適用于對(duì)恒星和空間目標(biāo)的成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 從1609年伽利略使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體到現(xiàn)在的400多年時(shí)間內(nèi)，望遠(yuǎn)鏡的口徑越 做越大，迄今為止已經(jīng)建成多臺(tái)4米以上級(jí)別的大口徑望遠(yuǎn)鏡，但是如果要建造口徑達(dá)10 米甚至幾十米的單口徑望遠(yuǎn)鏡，則無論從鏡面材料制備、加工檢測(cè)、支撐結(jié)構(gòu)還是工程造價(jià) 方面，都存在極大的困難。人們開始另辟蹊徑，尋求新的原理和方法來突破單孔徑望遠(yuǎn)鏡系 統(tǒng)制造的諸多困難，同時(shí)滿足觀測(cè)分辨力的需求。
[0003] 美國(guó)30米望遠(yuǎn)鏡（TMT)采取子鏡拼接技術(shù)，將使用492塊拼接子鏡構(gòu)成。子鏡拼 接技術(shù)由于制造誤差、離軸設(shè)計(jì)誤差和裝配質(zhì)量等因素的限制，會(huì)導(dǎo)致子鏡之間出現(xiàn)平移 (piston)誤差和傾斜（tip/tilt)誤差，從而導(dǎo)致拼接鏡面的相位不一致，系統(tǒng)程序質(zhì)量大 大降低，因此如何控制各子鏡之間的位置和面型使之能夠滿足系統(tǒng)共相精度的要求，是拼 接型望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高分辨觀測(cè)不可回避的問題。
[0004]LBT望遠(yuǎn)鏡采取的是稀疏孔徑技術(shù)，將兩個(gè)小孔徑子望遠(yuǎn)鏡的光，通過光學(xué)手段在 后端合成，得到超過單個(gè)子望遠(yuǎn)鏡的分辨率。子望遠(yuǎn)鏡之間的動(dòng)態(tài)共相誤差探測(cè)是非常困 難的，而且子望遠(yuǎn)鏡的光束傳輸?shù)阶罱K的光束合成器上需要經(jīng)過一個(gè)瞳面映射過程，該映 射需要滿足非常精確的匹配關(guān)系，使得系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)和調(diào)整變得異常復(fù)雜。
[0005]正在研制的GMT(GiantMagellanTelescope)望遠(yuǎn)鏡則是采用多鏡面技術(shù)，該望 遠(yuǎn)鏡由7塊8. 4米的分離子鏡來共同構(gòu)成一個(gè)主鏡，一個(gè)位于中心，其它的六個(gè)對(duì)稱排列在 周圍，系統(tǒng)等效口徑打到24. 4米。其子鏡是離軸拋物面，在加工和裝調(diào)上有很大的工程難 度。
[0006] 基于多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)存在兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：如何實(shí)現(xiàn)分離子鏡湍流整體波面誤差 探測(cè)和分離子鏡之間的共相誤差探測(cè)。因此充分利用單口徑望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)更高的分辨率成 像，有很大的科研意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種虛擬孔徑復(fù)振幅拼接 超分辨率天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，可以在探測(cè)波長(zhǎng)一定，光學(xué)孔徑一定的情況下提高光學(xué)系統(tǒng)分 辨率；且只需要在后端增加少量光電器件，不影響天文望遠(yuǎn)鏡主光路，特別適用于現(xiàn)有的小 口徑天文望遠(yuǎn)鏡。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種虛擬孔徑復(fù)振幅拼接超分辨率天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)， 如圖1所示，包括：卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)、中繼光路系統(tǒng)（8)和瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼 接與圖像處理系統(tǒng)（11);所述卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)包括：拋物面主鏡（2)、球面次 鏡（3)、第一平面反射鏡（4)、第二平面反射鏡（5)、第三平面反射鏡（6)、第四平面反射鏡 (7)、方位軸（18)、俯仰軸（19);所述中繼光路系統(tǒng)（8)包括：兩個(gè)離軸拋物鏡（9, 10);所述 瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)（11)包括：分束鏡（12)、微陣列透鏡（13)、陣列光子 計(jì)數(shù)器（14)、夏克-哈特曼波前傳感器（15)、時(shí)鐘同步信號(hào)系統(tǒng)（16)和復(fù)振幅拼接和圖像 處理計(jì)算機(jī)（17);卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤成像，在跟蹤時(shí)隨方 位軸（18)和俯仰軸（19)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中自身光學(xué)出瞳的位置保持不變；中繼光路系統(tǒng)（8)將 光學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)到后端瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)（11)，并分別將卡塞格林天文望 遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)的出瞳共輒到微陣列透鏡（13)和夏克-哈特曼波前傳感器（15)的位置；隨 后光學(xué)信號(hào)經(jīng)分束鏡（12)后，一部分經(jīng)微陣列透鏡（13)耦合進(jìn)陣列光子計(jì)數(shù)器（14)中， 得到系統(tǒng)的瞳面振幅分布矩陣；一部分進(jìn)入夏克-哈特曼波前傳感器（15)得到系統(tǒng)的瞳面 相位分布矩陣；時(shí)鐘同步信號(hào)系統(tǒng)（16)根據(jù)卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)的位置信息實(shí)現(xiàn) 陣列光子計(jì)數(shù)器（14)和夏克-哈特曼波前傳感器（15)的信號(hào)同步采集；復(fù)振幅拼接和圖 像處理計(jì)算機(jī)（17)利用夏克-哈特曼波前傳感器（15)孔徑測(cè)量的瞳面相位分布矩陣和陣 列光子計(jì)數(shù)器（14)測(cè)量的瞳面振幅分布矩陣，重建波前復(fù)振幅分布，利用連續(xù)多幀圖像復(fù) 振幅信息的相關(guān)性，得到一個(gè)在沿目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向上的多幀大復(fù)振幅面，進(jìn)而計(jì)算像面光場(chǎng) 分布，從而完成卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（1)瞳面復(fù)振幅的測(cè)量、多幀復(fù)振幅信息的拼接， 最終獲得超過系統(tǒng)理論極限分辨率的超分辨率圖像相鄰幀復(fù)振幅匹配與拼接。
[0009] 所述多幀復(fù)振幅信息的拼接為：復(fù)振幅拼接和圖像處理計(jì)算機(jī)（17)使用頻域互 相關(guān)算法計(jì)算相鄰幀的方向平移量，再計(jì)算兩幀重疊區(qū)域的平均相位差獲得相鄰幀的相位 平移誤差，然后完成相鄰兩幀的復(fù)振幅拼接，依次獲得多幀的復(fù)振幅拼接。
[0010] 所述計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)像面的光場(chǎng)分布方法為：根據(jù)傅里葉光學(xué)的相關(guān)定理，遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分 布是瞳面復(fù)振幅分布的傅里葉變換，取遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布的模的平方即獲得遠(yuǎn)場(chǎng)像面的光場(chǎng)分 布。
[0011] 所述頻域互相關(guān)算法計(jì)算相鄰幀的方向平移量為：相鄰兩幀的方向 平移量（Ax，Ay)和相位平移誤差Δφ.，獲得第η幀和第n+1幀的復(fù)振幅拼接
其中，j表示虛數(shù)單位
[0012] 第η幀和第n+1幀的復(fù)振幅頻域的歸一化互相關(guān)函數(shù)
其傅里葉逆變換的最高點(diǎn)的坐標(biāo)即為兩 幀的方向平移量（Δχ,Ay)，其中，您表示傅里葉變換，*表示復(fù)共輒，Cn，Cn+1分別表示第η 幀和第n+1幀的復(fù)振幅。
[0013] 所述兩幀重疊區(qū)域的平均相位差獲得相鄰幀的相位平移誤差為：
其中Sn+1為第n+1幀圖像內(nèi)的重疊部分， Sn為第η幅圖像內(nèi)的重疊部分，S為兩幀重復(fù)部分的面積，φ;, +ι〇?)分別表示第η幀和第n+1幀的復(fù)振幅。
[0014] 所述的卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡也可以用其他天文望遠(yuǎn)鏡架構(gòu)代替，其他天文望遠(yuǎn)鏡 架構(gòu)包括牛頓望遠(yuǎn)鏡和開普勒折射式望遠(yuǎn)鏡。
[0015] 所述分束鏡分束比由陣列光子計(jì)數(shù)器和夏克-哈特曼波前相位傳感器的子孔徑 數(shù)量比及量子效率比決定，以保證振幅探測(cè)光路和相位探測(cè)光路都有較高的信噪比。
[0016] 所述夏克-哈特曼波前相位傳感器也可以由其他波前相位傳感器代替，其他波前 相位傳感器包括金字塔波前相位傳感器。
[0017] 本發(fā)明的原理：本發(fā)明包括卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、中繼光路系統(tǒng)和瞳面復(fù)振 幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)組成，其中，由六塊平面/非平面反射鏡構(gòu)成的卡塞格林天文 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)將空間目標(biāo)放大；中繼光路系統(tǒng)將卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡的出瞳共輒到后端瞳面 復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)；瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)中，分束鏡將光分 為兩部分分別通往微陣列透鏡和夏克-哈特曼波前相位傳感器，微陣列透鏡位于出瞳共輒 面，和陣列光子計(jì)數(shù)器共同實(shí)現(xiàn)對(duì)波前振幅的測(cè)量，夏克-哈特曼波前相位傳感器也位于 出瞳共輒面，實(shí)現(xiàn)對(duì)波前相位的測(cè)量，時(shí)鐘同步信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)陣列光子計(jì)數(shù)器和夏克-哈 特曼波前傳感器的信號(hào)同步采集，最終通過數(shù)復(fù)振幅拼接和圖像處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多幀復(fù)振 幅在虛擬孔徑上的拼接，并通過計(jì)算獲得超過真實(shí)孔徑理論分辨率的超分辨率圖像。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是：
[0019] (1)本發(fā)明記錄并拼接了光學(xué)系統(tǒng)瞳面的復(fù)振幅信息，而傳統(tǒng)光學(xué)成像過程在像 面上只記錄了強(qiáng)度信息。通過本發(fā)明計(jì)算得到的虛擬孔徑復(fù)振幅拼接面，能夠獲知更多的 物體反射特性，更適用于超遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的探測(cè)和分析。
[0020] (2)本發(fā)明不需要改變天文望遠(yuǎn)鏡的主體結(jié)構(gòu)，只需要在現(xiàn)有的天文望遠(yuǎn)鏡后加 裝波前振幅探測(cè)裝置和波前相位探測(cè)裝置。因此，特別適用于利用現(xiàn)有的小口徑天文望遠(yuǎn) 鏡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分辨率探測(cè)。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明裝置的組成及原理示意圖；
[0022] 圖2為相鄰兩幀復(fù)振幅經(jīng)頻域互相關(guān)算法之后的計(jì)算結(jié)果；
[0023] 圖3為相鄰兩幀復(fù)振幅分布和重合區(qū)域示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 如圖1所示，卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)1、中繼光路系統(tǒng)8和瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼 接與圖像處理系統(tǒng)11組成。其中，由六塊平面/非平面反射鏡構(gòu)成的卡塞格林天文望遠(yuǎn) 鏡系統(tǒng)1將空間目標(biāo)放大；中繼光路系統(tǒng)8將卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡1的出瞳共輒到后端瞳 面復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)11 ;瞳面復(fù)振幅測(cè)量拼接與圖像處理系統(tǒng)11中，分束 鏡將光分為兩部分分別通往微陣列透鏡和夏克-哈特曼波前相位傳感器，微陣列透鏡位于 出瞳共輒面，和陣列光子計(jì)數(shù)器共同實(shí)現(xiàn)對(duì)波前振幅的測(cè)量，夏克-哈特曼波前相位傳感 器也位于出瞳共輒面，實(shí)現(xiàn)對(duì)波前相位的測(cè)量，時(shí)鐘同步信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)