一种综合孔径共相误差估计方法及装置

1.本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种利用衍射系统实现光学综 合口径条纹跟踪从而获取共相误差的方法与装置。


背景技术：

2.光学综合孔径技术(optical synthesis aperture，osa)又称为光学合成孔 径技术，是指将多个子孔径按照一定方式进行排列，构成一个大的光学孔径。 被子孔径阵列离散采集后的目标光束被会聚到光束组合器进行干涉组合，从 而获得与等效单孔径系统相当的空间分辨率。其基线长度不受单个望远镜口 径大小限制，有望打破传统光学高分辨率成像系统受尺寸、重量、成本和技 术可行性的限制，实现超高分辨率成像，在系外行星观测、空间目标监视等 天文与军事领域均有广泛的应用价值。目前，美国、英国、法国和日本等国 家都十分重视光学综合孔径技术的开发和应用。
3.目前光学综合孔径技术多指被动式(无源)迈克尔逊型与斐索型两种基 本形式。而光学综合孔径阵一般分为稠密孔径阵(fizeau型)和稀疏孔径阵 (包含fizeau型和michelson型)。其中，稠密孔径阵是指(共相位)拼接 镜面望远镜；基线很长、且不能瞬时成像的稀疏孔径阵(由相对数目较少的 子望远镜构成)常称为光学综合孔径望远镜(以恒星光干涉为基础)；基线 较短(相对子孔径直径)，能瞬时成像的由相对数目较少的子孔径构成阵列 常称为稀疏孔径阵。无论以上哪种，都只是部分地填充了成像系统理想镜面。
4.现有技术中，利用子孔径中的圆孔衍射图样分析共相误差，并通过与已 知模板进行相关运算获得误差，利用该方法对待检两子镜的共焦误差要求较 高，且不能直观获得需要消除共相误差的两路光程差，


技术实现要素：

5.本发明为了解上述技术中的技术缺陷，提出了一种综合孔径共相误差 估计方法及装置，利用条纹传感器进行条纹跟踪的方法能够快速直观的获 得两子镜的共相误差，且无需先精确校准共焦误差，对两路光束的共焦误 差容忍度高。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
6.一种综合孔径共相误差估计方法，包括：
7.s1、利用可实现静态abcd法的光束合成器分离需要消除共相误差的 两路光线，得到四路相干光束；
8.s2、将四路相干光束分别引入光谱仪中，获得不同谱段的光强信号；
9.s3、利用条纹传感器进行条纹跟踪，针对不同谱段的相位差异，获取 两路光线的共相误差。
10.优选地，共相误差由下式获得：
11.[0012][0013]
其中，a、b、c、d分别为获得的四路光强值；
[0014]
n为总光强；
[0015]
φ
12
为两路光线引入的光程差；
[0016]
为系统固有的光程差。
[0017]
优选地，在步骤s1前还包括如下步骤：
[0018]
s0、将已完成初步调整的综合孔径装置对准北极星，接受星光。
[0019]
一种综合孔径共相误差估计方法，利用上述方法的步骤实现拼接望远 镜中不同谱段干涉光束的共相误差估计。
[0020]
一种综合孔径共相误差估计装置，包括：能量收集模块、光束干涉模 块和数据处理模块；
[0021]
能量收集模块用于收集光能信息；
[0022]
光束干涉模块用于使两路光线分束为四路相干光，并在更小带宽内对 各路干涉光进行条纹跟踪；
[0023]
数据处理模块用于对采集到的光谱相位信息进行处理，针对不同谱段 的相位差异，得到两路光线的共相误差。
[0024]
优选地，光束干涉模块包括：光谱仪和实现静态abcd法的光束合成 器。
[0025]
优选地，光束合成器可以为采用棱镜实现分光的架构，或者为采用光 子芯片实现分光的架构。
[0026]
优选地，适用于拼接望远镜的一个子孔径里设置有两个子镜的综合孔 径系统，或者一个子孔径里设置有三个子镜的综合孔径系统。
[0027]
优选地，将装置与实际光路采用共光路或垂直光路方式进行耦合，能 够降低大气湍流对拼接望远镜的影响，实现对天观测。
[0028]
本发明能够取得以下技术效果：
[0029]
1、通过不移动部件即可实现大口径综合孔径系统的共相误差测量。
[0030]
2、利用分谱段的方法，配合光谱仪，实现拼接望远镜的共相误差估算。
[0031]
3、既可以实现对星观测，也能够降低湍流对系统的影响实现对天观测。
[0032]
4、本装置对系统的共焦误差容忍度较大，可以同时校正共焦误差与共相 误差。
附图说明
[0033]
图1是本发明一个实施例的一种综合孔径共相误差估计方法的流程图；
[0034]
图2是本发明一个实施例的一种综合孔径共相误差估计装置示意图；
[0035]
图3是本发明一个实施例的系统含有三个子镜的示意图；
[0036]
图4是本发明一个实施例的系统含有两个子镜的示意图；
[0037]
图5是本发明一个实施例的利用分光镜实现静态abcd法示意图；
[0038]
图6是本发明一个实施例的利用光子芯片实现静态abcd法示意图。
[0039]
附图标记：
[0040]
第一光束1、第二光束2、能量收集模块3、光束干涉模块4、数据处 理模块5。
具体实施方式
[0041]
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 具体实施例，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 实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0042]
本发明的目的是提供一种在对望远镜共相位调整的场景中，利用分谱 段方式，配合光谱仪实现拼接望远镜的共相误差调整的方法和装置。下面 将对本发明提供的一种综合孔径共相误差估计方法及装置，通过具体实施例 来进行详细说明。
[0043]
如图1、图2所示，首先将已完成初步调节的综合孔径系统对准北极星， 使能量接收模块3接受星光；然后将需要消除共相误差的两路光引入光束干 涉模块4，获得四路相位相差为π/2的相干光；将得到的四路光分别引入光谱 仪中，获得不同谱段的光强信号，利用条纹传感器进行条纹跟踪的方法， 针对不同谱段的相位差异，通过数据处理模块5获取两路光线跟大范围系 统的共相误差：
[0044][0045][0046]
其中，a、b、c、d分别为获得的四路光强值；
[0047]
n为总光强；
[0048]
φ
12
为两路光线引入的光程差；
[0049]
为系统固有的光程差。
[0050]
在本发明的一个优选实施例中，光束干涉模块4包括用于实现静态abcd 法的光束合成器和将通过光束合成器得到的四路光进行色散，用以观察色散 后光束条纹信息的光谱仪。
[0051]
光束合成器可以由两种路径实现静态abcd法，如图5所示的利用体光 学元件搭建的分光棱镜产生四路相干光，或者如图6所示，利用集成光子芯 片实现静态abcd法。
[0052]
作为现有技术，静态abcd法采用静态光学元件实现空间相位调制法， 可同时测量四个相位状态，如图5所示，通过在光束合成器的一个干涉臂引 入的消色差移相器使p偏振光相对s偏振光移动π/2，偏振分束器将p偏振光 与s偏振光相互分离，使得四个输出臂光束彼此相位相差π/2，即获得0,π/2，π,3π/2四个相位状态。
[0053]
在本发明的一个优选实施例中，当条纹传感器的光程差足够大以至于无 法观测到白光的干涉条纹，但在干涉光各光谱中仍可观测到干涉条纹，因此 通过光谱仪色散入射光，使探测的条纹的相干长度被扩大。在色散光中观察 到的条纹带有各通道条纹的光谱信息，用以进行条纹追踪。
[0054]
由光学原理可知，干涉条纹强度可如式(3)进行表示：
[0055][0056]
其中，
[0057]
λ是相干光波长，i1和i2是条纹传感器中每条干涉臂入射光强，γ
12
为复相 干度，模为|γ
12
|，相位为为两干涉臂光程s1与s2之差引入的相位。
[0058]
干涉条纹对比度或可见度可表达为条纹振幅与总背景照度之比，如式(4) 所示：
[0059][0060]
如果我们引入波长λ的光谱数变量κ＝1/λ，令：
[0061]
i
b
＝i1+i2‑
i
s
；
[0062]
x＝(s2‑
s1)
[0063]
则各个波长干涉条纹强度：
[0064]
i(κ,x)＝i
s
[1+|γ
12
|cos(2πκx
‑
φ
12
)]+i
b
ꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
此情况下，x＝s2‑
s1仅代表活塞相位偏置，不含有倾斜分量。当两臂 光强i1＝i2时，干涉条纹能见度为复相干度的模值：
[0066]
v＝|γ
12
|
ꢀꢀ
(6)
[0067]
如果条纹传感器带宽足够小，观测非准单色光源干涉可如式(6)表示， 当光程差x对于大部分波长为2π的整数倍时，将出现明亮的干涉条纹。对宽 光谱范围，仅在干涉仪两臂色散相同且对所有波长光程差x为0时，可观测 到明亮条纹。根据相干包络，随着光程差的增加，条纹可见度逐渐降低，因 此采用分谱段的方式，进行条纹跟踪，实现共相误差的探测。
[0068]
条纹传感器合成波前间光程差表达为：每条干涉臂中光束穿过不同介质 的折射率n
i
与传播的路径长度x
1i
和x
2i
之差的乘积，如式(7)所示：
[0069][0070]
令变量x
i
＝x
1i
‑
x
2i
，并假设光束传输过程中经过长度x0的针孔延迟线 与k个色散介质，则引入的干涉条纹相位延迟为：
[0071][0072]
由于光从条纹传感器的不同干涉臂传播至光束合成器需经过不同长度的 真空通路与空气、玻璃等色散通路，所以相位延迟随波长的不同而变化(依 赖)：在较短的波长处，若介质的折射率较高，光在其中的传播速度越慢， 所引入的光程差也就越大。如果我们仅考虑有限带宽的条纹传感器，则该谱 段内会有不同的特定波长的光第一个和最后一个到达光束合成器，整个光波 的传输可看作一个群或包括，且群延迟正比于谱段中心波数函数的相位变化 率：
[0073][0074]
如果仅考虑光在真空中传输的路径长度差，即x(κ)＝x0，则群延迟独立于 波数，
与波长无关group delay(κ0)＝x0，条纹相位延迟为波数的一个线性函 数2πκx(κ)＝2πκx0。
[0075]
因此，相位跟踪算法主要用于寻找定位条纹可见度最高处的常数相位位 置，即共相位，用来对拼接望远镜的共相误差进行精追踪；群延迟跟踪算法 主要用于搜寻该谱段内干涉条纹数保持不变的常数群延迟位置，即相干，用 来对拼接望远镜的共相误差进行粗追踪。
[0076]
因此，设光谱仪在窄带所获得四路相干光的光强为a、b、c、d，则最 终获得的条纹振幅与相位，即共相误差，如下式：
[0077][0078][0079]
根据多中心波长测量原理，不同波段内所获的相延迟可以极大的扩展测 量范围，实现共相误差的精细追踪。
[0080]
本发明的装置，适用于拼接望远镜的一个子孔径里设置有两个子镜的 综合孔径系统如图4所示，或者一个子孔径里设置有三个子镜的综合孔径 系统，如图3所示。
[0081]
在本发明的一个优选实施例中，在进行对天观测的时候针对大气湍流的 干扰，将本实验装置与实际光路进行耦合(可采用共路或垂直光路安放)， 可以对瞬时的局部视宁度进行测量，与相机的采样保持同步的基础上，可以 挑选视宁度影响较小的短曝光图像，并在后续的计算过程中，针对筛选过的 图像进行平均等后续处理，可从探测机理上提升主动光学系统精度溯源的能 力。在此情况下，情况下错位型曲率传感器单次曝光的优势更加的凸显。
[0082]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、
ꢀ“
具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说 明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而 且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员 可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。
[0083]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施 例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发 明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0084]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据 本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明 权利要求的保护范围内。