[發(fā)明專利]基于光纖陣列的光學綜合孔徑成像系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810106075.2
• 申請日: 2008-05-08
• 公開（公告）號: CN101299067A
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王長偉;江月松;何云濤;劉麗;姜英才
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481;G02B27/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及基于光纖陣列的光學綜合孔徑成像系統(tǒng)，尤其是運用光纖傳輸帶有目標信息的光波，通過光纖延遲線校正初始光程差，使用正弦振幅型透射光柵進行相位誤差提取，壓電陶瓷相位調(diào)制器對大氣波動及儀器動態(tài)相位誤差進行補償，是一種新型基于光纖陣列的光學綜合孔徑成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

根據(jù)瑞利判據(jù)得到角分辨率的表達式：θ＝1.22λ/D?rad，λ為成像系統(tǒng)的中心波長，D為孔徑的直徑。在一定的波段范圍內(nèi)，D越大，成像系統(tǒng)的分辨率越高，隨著孔徑的增大其價格、重量和制造難度也急劇增加。對于空基系統(tǒng)而言口徑的增大會帶來發(fā)射的困難，復雜的空間環(huán)境容易使大口徑變形而不能正常工作。綜合孔徑技術(shù)用多個小口徑獲得分辨率相當于大口徑的圖像，使整套設(shè)備趨于小型化、輕型化，在需要高分辨率成像的場合有巨大的應(yīng)用潛力。光學綜合孔徑成像在高分辨率成像中所取得的成果顯示了這種技術(shù)有廣闊的發(fā)展前景。

Rogstad在1968年從原理上解決了可見光波段閉合相位的問題，使光學綜合孔徑高分辨率的圖像重構(gòu)成為可能；1985年Baldwin等提出測量光波段的閉合相位，并于1986年率先在單口徑望遠鏡上，利用具有三個針孔的孔徑掩模板觀察到了閉合相位的結(jié)果。經(jīng)多年的努力，英國劍橋的Cambridge?Optical?ApertureSynthesis?Telescope(COAST)在1995年獲得了簡單天體目標的二維亮度分布；美國海軍天文臺的干涉儀Navy?Prototype?Optical?Interferometer(NPOI)主要用于天體測量、精確定位，以及對雙星、恒星表面成像。目前已在雙星探測上取得了成果；隨著一大批光學綜合孔徑望遠鏡干涉陣的建設(shè)和運行，如美國NASA支持的JPL大口徑望遠鏡Keck光干涉儀，歐共體的The?Very?LargeTelescope?Interferometer(VLTI)，光綜合孔徑成像技術(shù)已經(jīng)顯示了在高分辨率成像中存在的巨大發(fā)展?jié)摿Α．斍靶⌒l(wèi)星正在以其“小而精、低投入、運用靈活”等諸多優(yōu)點迅速發(fā)展，美國麻省理工學院(MIT)空間系統(tǒng)實驗室于20世紀90年代后期提出的分布式小衛(wèi)星DSS(Distributed?Small?Satellite)系統(tǒng)，攜帶分離的望遠鏡來合成等效的大孔徑望遠鏡，實現(xiàn)高分辨率的可見光對地成像。

光綜合孔徑技術(shù)是實現(xiàn)高分辨率觀測的一個高新技術(shù)領(lǐng)域，這一技術(shù)難點有以下幾個方面：(1)多個孔徑光束合成相干系統(tǒng)復雜。光學綜合孔徑光束組合器用于將多束光合成干涉，隨著孔徑的增多系統(tǒng)復雜度越大，成本越高。(2)光路光程補償精度要求高。各個光路的光程差要精確控制，如果傳輸中光程誤差較大后端成像就會失真。(3)光路偏振態(tài)控制難度大。在光束合成時經(jīng)過多個光學器件容易使入射光束偏振態(tài)發(fā)生變化，引起后端干涉圖像不穩(wěn)定。(4)易受振動的影響。振動會使綜合孔徑光學器件發(fā)生位置偏移引起光程誤差。

發(fā)明內(nèi)容

由于傳統(tǒng)的光學綜合孔徑技術(shù)存在著諸多難點，本發(fā)明用光纖傳輸卡塞格林望遠鏡接收到的目標輻射光波，用光纖陣列實現(xiàn)綜合孔徑光束組合器，光纖延遲線和壓電陶瓷相位調(diào)制器精確的補償光路誤差，采用單模保偏光纖控制光路的偏振態(tài)，可以得到目標高質(zhì)量的圖像。

本發(fā)明是傳統(tǒng)光學綜合孔徑技術(shù)的改進和提高，采用如下技術(shù)方案：

卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)接收攜帶目標信息的輻射光波，光波經(jīng)過耦合透鏡耦合到單模保偏光纖中傳輸，單模保偏光纖保持傳輸中偏振態(tài)信息不變。通過光纖準直器對光纖的出光進行擴束準直，光纖準直器組成的陣列與卡塞格林望遠鏡組成的陣列是縮比陣列。光纖準直器陣列出光經(jīng)過窄帶濾波片，正弦振幅型透射光柵和聚焦透鏡后相干成像，用CCD進行圖像采集，圖像處理系統(tǒng)對圖像處理提取出觀測目標圖像和大氣波動及儀器產(chǎn)生的相位誤差，通過壓電陶瓷相位調(diào)制器進行相位誤差補償，提高成像質(zhì)量。系統(tǒng)工作前需要通過光纖延遲線進行初始校準，校正系統(tǒng)中各個光路的光程差。

在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個部分說明如下：

(1)望遠鏡陣列：卡塞格林望遠鏡組成綜合孔徑陣列系統(tǒng)，卡塞格林望遠鏡的主鏡和副鏡均鍍有金屬鋁膜，盡量減小望遠鏡接收系統(tǒng)對目標散射光偏振特性的影響。陣列優(yōu)化要求最佳空間頻率覆蓋，并且在陣列中添加冗余基線用于校正光路由于大氣波動和儀器所引起的相位誤差。