相控望远镜阵列成像关键技术研究

发布时间：2020-04-06 01:34

【摘要】：瑞利判据表明,观测波长一定时,望远镜口径越大,其空间分辨率越高。由于望远镜口径的增大受到材料、制造成本、质量和有效载荷体积等因素的限制,传统单孔径系统已难以满足深空探测、遥感成像等诸多领域对分辨率的要求。相控望远镜阵列成像系统旨在利用多个共相的小孔径光学系统,通过光束合成的方式等效地达到大口径系统的分辨率。其体积小、成本低且布局灵活,是未来实现高分辨率成像的主要手段之一。本文针对相控望远镜阵列所涉及的关键技术问题,包括Fizeau模式下的共相误差和子孔径像差探测校正、图像复原等,以及Hypertelescope模式下的共相误差校正、大视场成像等开展了系统的研究,主要内容如下:首先,研究了Fizeau和Hypertelescope望远镜阵列的物像关系,建立了各自的成像数学物理模型。基于仿真平台,讨论了Fizeau望远镜阵列相位误差的影响,分析了Hypertelescope望远镜阵列光瞳密集化直接成像的原理及所带来的视场限制,为文中后续工作的开展,奠定了一定的理论基础。其次,提出了基于随机并行梯度下降算法的平移误差校正方法,并基于数值仿真平台,分别实现了Fizeau和Hypertelescope望远镜阵列的平移误差校正。接着,提出了空间调制相位差技术,可用于成像系统的波前探测和图像复原。先在传统单孔径系统中验证了该技术的可行性与有效性;随后,结合多孔径成像系统的结构,提出了快门空间调制相位差法,可以检测校正Fizeau望远镜阵列的共相误差和子孔径像差,并复原图像;对于暗弱目标的探测,将三维块匹配滤波算法和该技术相结合,有效地抑制了光子噪声,提高了波前探测精度和图像复原质量。然后,对非相干傅里叶叠层成像算法进行了改进,建立了光学传递函数的更新数理模型,并基于单孔径成像系统对改进算法进行了仿真验证。根据该改进算法,提出了基于发射端调制的主动Fizeau望远镜阵列成像技术,可以校正系统的子孔径像差和共相误差,复原图像,并进一步提高系统的分辨率。该技术使并行调控Fizeau望远镜阵列的发射端和接收端成为可能,为处理其关键技术问题提供了新思路。进一步,研制了实际Fizeau双筒望远镜阵列,并基于该平台开展了实验研究:基于随机并行梯度下降算法实现了系统的共相误差闭环校正;利用空间调制相位差法有效探测了系统的子孔径像差并复原了高清晰图像。同时,介绍并分析了研制过程中出现的有趣的空间频率移动现象。在双筒望远镜基础上,集成了上光路系统,研制了Golay-3望远镜阵列,并基于此系统,有效地实现了点目标和扩展目标的合成成像。这也是公开发表的国内首台实现闭环共相的Fizeau Golay-3望远镜阵列。为获取极高的分辨率,未来用于深空探测的相控望远镜阵列将向长基线大阵列发展,此时Fizeau成像模式已不再适用,而基于光瞳密集的Hypertelescope成像模式则有潜力实现该类长基线干涉仪的直接成像。在获得极高分辨率的同时,Hypertelescope望远镜阵列存在工作视场小的物理限制。针对此问题,本文提出了多视场复用的光学设计理念,通过微透镜阵列对大视场进行采样,以实现每个采样小视场内独立的倾斜和光程校正。基于Zemax,建立了多视场复用的Carlina式Hypertelescope望远镜阵列,在一个系统中实现了多个独立的工作视场,这些视场被探测器同时接收,从而实现离散的大视场成像。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH75

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