一种稀疏孔径望远镜共相方法

摘要

本发明涉及大口径望远镜测量技术领域，特别涉及一种稀疏孔径望远镜共相方法；本发明在稀疏孔径系统进行共焦，采用光瞳遮挡的方式，分别生成两幅光学传递函数的图像，再进行两幅光学传递函数的图像做差及傅里叶变换，得到光瞳面的相位和振幅分布的一组数据，再通过旋转平均的方法，再旋转60°重复测量得到另一组数据，将两组数据进行求平均，从而降低了由于系统离散化物理采样间隔所导致的波前误差。

说明书

技术领域

本发明涉及大口径望远镜测量技术领域，特别涉及一种稀疏孔径望远镜共相方法。

背景技术

未来极大口径望远镜依旧需要可计量式的检测，通过望远镜共焦、共相过程以及主动光学系统定量化、可溯源的检测，可进一步提升极大口径望远镜天文测量的精度，并对系统探测能力的保持提供保证。

大口径稀疏孔径望远镜是解决未来实现大口径望远镜的重要途径，而各个镜面之间的共相是最重要的步骤，对于共相探测方面，需要采用波前传感的方式，通过波前传感，获得系统瞳面相位分布，并根据相位分布进行各镜面自身面形以及相对位置的主动调整。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供了一种稀疏孔径望远镜共相方法，

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种稀疏孔径望远镜共相方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、稀疏孔径系统进行共焦，采用光瞳遮挡的方式，分别生成两幅光学传递函数的图像；

步骤S2、利用两幅光学传递函数的图像通过dOTF进行逆傅里叶变换，获得尚未相位解缠的相位图；

步骤S3、对相位图进行曲率求解，通过数值积分的方式，进行数据复原的结果；

步骤S4、转换60°的角度再重复步骤S1至步骤S3，得到数据复原的结果，将两个数据复原的结果进行求平均。

进一步的，在步骤S1内，在稀疏孔径系统进行共焦时，进行光瞳面的二次泛函，分别得到两幅点扩散函数的图像。

进一步的，在步骤S1内，分别对两幅点扩散函数的图像进行傅里叶变换做差得到两幅光学传递函数。

进一步的，在步骤S2内，通过微分方法对两幅光学传递函数进行线性变换，得到尚未相位解缠的相位图。

进一步的，在步骤S3内，在稀疏孔径系统内光瞳面通过相位和振幅进行检测。

进一步的，通过光瞳面的差分光学传递函数，得到数据复原的结果，该数据复原的结果包括整个光瞳面的相位和振幅分布。

进一步的，在步骤S2内，采用反卷积的方法，对两幅光学传递函数进行连乘。

进一步的，在步骤S2内，采用曲率传感，对两幅光学传递函数的图像进行光强差分。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明在稀疏孔径系统进行共焦，采用光瞳遮挡的方式，分别生成两幅光学传递函数的图像，再进行两幅光学传递函数的图像做差及傅里叶变换，得到光瞳面的相位和振幅分布的一组数据，再通过旋转平均的方法，再旋转60°重复测量得到另一组数据，将两组数据进行求平均，从而降低了由于系统离散化物理采样间隔所导致的波前误差。

附图说明

图1为本发明的一种稀疏孔径望远镜共相方法的步骤框图；

图2为光子光场传感架构；

图3为光纤排布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，本发明的一种稀疏孔径望远镜共相方法，包括如下步骤：

步骤S1、稀疏孔径系统进行共焦，采用光瞳遮挡的方式，分别生成两幅光学传递函数的图像；

步骤S2、利用两幅光学传递函数的图像通过dOTF进行逆傅里叶变换，获得尚未相位解缠的相位图；

步骤S3、对相位图进行曲率求解，通过数值积分的方式，进行数据复原的结果；

步骤S4、转换60°的角度再重复步骤S1至步骤S3，得到数据复原的结果，将两个数据复原的结果进行求平均。

本发明在稀疏孔径系统进行共焦，采用光瞳遮挡的方式，分别生成两幅光学传递函数的图像，再进行两幅光学传递函数的图像做差及傅里叶变换，得到光瞳面的相位和振幅分布的一组数据，再通过旋转平均的方法，再旋转60°重复测量得到另一组数据，将两组数据进行求平均，从而降低了由于系统离散化物理采样间隔所导致的波前误差。

在本发明内，光学传递函数为Optical Transfer Function，OTF，dOTF是检测光瞳面成像的相位和复振幅从而获得波前的技术，点扩散函数为Point Spread Function，PSF。

在本发明内，dOTF是检测光瞳面成像的相位和复振幅从而获得波前的技术，其本质是利用两幅点扩散函数(Point Spread Function，PSF)图像的傅里叶变换之差(分别取全部光瞳面和部分遮挡的光瞳面)计算光瞳面(pupil field)的相位分布。

PSF是光瞳面的二次泛函，傅里叶变换后所得光学传递函数(Optical TransferFunction，OTF)本质上为非线性函数，dOTF则是通过微分方法将OTF的二次泛函变为线性的过程。

两个PSF图像的傅里叶变换之差近似于OTF对光瞳掩模(pupil mask)的导数，而OTF导数的几何意义为翻转对称且存在部分重叠的共轭光瞳图像图像不重叠时，光瞳面可通过相位和振幅进行检测，但重叠部分内不方便进行测量计算，dOTF采用引入部分遮挡，减小了光瞳重叠区域的方法，计算得到光瞳面的差分光学传递函数，估算整个光瞳面的相位和振幅分布，得到光学系统的波前分布。

其中，在步骤S1内，在稀疏孔径系统进行共焦时，进行光瞳面的二次泛函，分别得到两幅点扩散函数的图像，再分别对两幅点扩散函数的图像进行傅里叶变换做差得到两幅光学传递函数。

在步骤S2内，通过微分方法对两幅光学传递函数进行线性变换，得到尚未相位解缠的相位图。

在本发明内，在步骤S3内，在稀疏孔径系统内光瞳面通过相位和振幅进行检测；通过光瞳面的差分光学传递函数，得到数据复原的结果，该数据复原的结果包括整个光瞳面的相位和振幅分布。

不利用外界的这种星光作为星标，光就是直接在焦点附近通过发射和接收,然后这个发射和接收球面波来实现检测，或者利用星光室外无限远的这种平行的星光作为参考，在后端的胶面采用这个探测器进行接收。

具体地讲，设光瞳掩模后复振幅为u(x)，

u(x)＝Π(x)u

式中Π(x)为光瞳掩模函数，u

由傅里叶光学可知，光学传递函数(OTF)H(ξ)为点扩散函数(PSF)h

H(ξ)＝F{h

光学传递函数(OTF)在光瞳场内可表达为，

其中，ξ为空间频率，dOTF中被遮挡部分的光瞳函数变化可由式(4)表示，

Π'(x)＝Π(x)+ΔΠ(x) (4)；

差分光学传递函数为ΔH(ξ)可表示为，

ΔH(ξ)＝H

＝uΔu

当不考虑重叠区域点时，最终求得光瞳面的相位θ(ξ)和振幅A(ξ)可由式(6)(7)表示，

θ(ξ)＝arg{ΔH} (6)；

A(ξ)＝|ΔH| (7)；

在求解得到一组数据后，通过旋转平均的方法，降低由于系统离散化物理采样间隔所导致的波前误差。

在本发明内，在步骤S2内，采用反卷积的方法，对两幅光学传递函数进行连乘；而且采用曲率传感，对两幅光学传递函数的图像进行光强差分。

在本发明内，可利用本征模式，产生大量的训练样本，提取低阶中的低阶像差的本征干涉条纹，正交化，直接通过干涉图获取；针对低阶像差构建样本库，进行主成分析，利用所生成的正交主成分，建立模板基底，并在实际的过程中，首先将所得波前数据进行插值重排，进而通过相关运算获得不同的像差分量；同时，针对单项的泽尼克多项式同时生成其主成分向量。可形成变换矩阵，利用该变换矩阵与直接主成分分解所得结果进行相乘，即可获得对应的波前分量，如下：

u(x,y)＝a

同时，有：Z

在具体实施时，在执行因此，基于孔径编码的波前传感方式，通过对孔径分割，降低单个孔径内口径湍流相对强度，先分析不同波前编码方式对波前校正的影响模式，并通过本征模式对其进行发分析，其次，以曲率传感器为例，针对不同的孔径编码方案，对其校正效果进行预测；最后，利用变形镜搭建检测平台，由于实验条件的限制，采用手动更换孔径分割板的方式，利用对光瞳的分割，对其闭环校正特性进行了实验；采用结构函数的方法，分析孔径编码对空间尺度的表征覆盖能力，分析几种典型构型对波前信息的表征能力。

可针对不同的应用场景与校正精度，更换不同的孔径掩蔽模式，利用同一波前传感架构.可实现多种强湍流校正的应用，如下：

其中，ρ为微透镜阵列的光瞳内向量坐标，I(ρ)为焦面光强度分布，W(ρ)为波前相位，δ(ρ-R)为采样函数，R为边界，

对于自适应光学系统，一般离焦量(即离焦平面和焦平面的距离)仅为几个焦深，在离焦平面上形成的离焦星点像十分接近光瞳形状，因此，一半较少考虑边缘区域对最终波前传感的结果的影响，这也造成曲率传感的精度的下降，在此，采用小的离散孔径进行空间滤波，降低孔径内部波前起伏的空间频率，即：

其中，δ为光强变化曲率，r为光斑的半径；

故近场电磁波的传输方程通过近似可得：

其中，Δz为焦前离焦平面P

如图2所示，全光子光场边缘传感器具有动态范围大，对波前相干性兼容能力强的特点，可有效提高大口径稀疏空降望远镜共相效果。在此，将主透镜与微透镜的焦点对接，并将光纤阵列位于微透镜阵列焦面后。

针对每个子孔径中，光纤排布阵列如图3所示，利用后端连接的点探测器，可获得每个光纤耦合进入的能量；建立共相时的标准能量分布，并通过实验/仿真等方式，建立不同piston误差下的能量分布模板。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。