[發明專利]空間目標白天高分辨率光電成像探測系統

有效

• 申請號: 201210134975.4
• 申請日: 2012-05-03
• 公開（公告）號: CN102662178A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 王建立;王斌;劉瑩奇;汪宗洋;趙金宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/495;G01J9/00;G02B23/00
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 南小平

技術領域

本發明涉及一種空間目標白天高分辨率光電成像探測系統，可應用于口徑1m及其以上地基大型光電望遠系統的高分辨率成像輸出終端，屬于空間目標光電探測與識別技術領域。

背景技術

地基光電望遠鏡的高分辨率成像技術可以實現對空間目標等目標的監視和詳查，對于空間目標的態勢感知具有重要意義。然而，地基大口徑望遠鏡因受大氣擾動的限制，其分辨率無法達到衍射極限。如一臺口徑為5m的望遠鏡，若在一般平原地區工作，因受大氣湍流的影響，其分辨率并不比口徑為0.1～0.2m口徑的望遠鏡高。尤其在白天，由于太陽光照射造成的近地面大氣湍流比較強，加之白天高亮度天空背景與雜散光，使得空間目標在白天高分辨率成像受到大氣的污染更加嚴重。自適應光學是克服大氣擾動成像的一種有效手段，但其在白天難于找到用于波前探測的參考源。大約75％的空間目標分布在高度200～1500km的中低軌道上運行，由于地球的遮擋，只有晨昏時刻和白天，空間目標被太陽光照亮時才能通過光電設備進行探測，還有一些特殊的空間目標只在白天通過，一些感興趣的空間目標可能需要幾周才能在晝夜分界處出現。目前國內外的地基空間目標光電成像系統一般都選擇在晝夜分界或者大氣視寧度較好的夜晚工作，每天從可見光到近紅外波段有效觀測時間僅3～4h，嚴重制約地基光電成像終端的觀測效率。

因此，空間目標的白天高分辨率成像技術是未來全天時空間目標探測與監視識別領域中的關鍵技術。短曝光能凍結大氣擾動，保留目標的高頻信息。近年，美國的某些地基光電望遠鏡采用基于單相機的短曝光散斑成像方法，在空間目標白天外場成像實驗中取得較好的效果，但其專門開發的相機具有高幀頻和高動態范圍特性，國內較難得到。中國專利200610112434.6公開了一種適合于白天工作的高分辨力成像望遠鏡，主要基于近紅外哈特曼波前探測器和能動光學器件變形鏡等的自適應光學系統來實現白天高分辨率成像，該系統結構復雜。

位相差異散斑法的核心思想是在成像系統的焦面和離焦面上同時采集一對或者多對短曝光圖像，在已知離焦量的前提下解算出波前相位分布并恢復出目標。位相差異散斑法已成功的應用于太陽觀測領域，獲得了高分辨率的太陽表面組織圖像。

發明內容

為了解決現有成像技術分辨率無法達到衍射極限，空間目標在白天高分辨率成像受到大氣的污染嚴重，地基光電成像終端的觀測效率低以及系統結構復雜等問題，本發明的目的就在于提供一種空間目標白天高分辨率光電成像探測系統，該系統基于位相差異散斑法，特別適合于白天時段空間目標跟蹤、探測及高分辨率成像，可有效抑制白天高亮度天空背景與雜散光，克服強湍流大氣擾動對高分辨率成像的影響。

本發明解決技術問題的技術方案是，空間目標白天高分辨率光電成像探測系統，該系統包括光學系統和位相差異高分辨率圖像處理單元兩部分，所述的光學系統包括主鏡、次鏡、三鏡、視場光闌、折轉反射鏡、準直鏡組、快反鏡、里奧光闌、分色片、精跟蹤成像鏡組、精跟蹤探測器、變焦距鏡組、分光棱鏡、在焦探測器以及離焦探測器；

目標光束依次經過主鏡、次鏡以及三鏡，到達視場光闌后，再經折轉反射鏡進入準直鏡組，經過快反鏡，到達里奧光闌，到達里奧光闌的光經分色片分成兩束光束，一束透射進入精跟蹤成像鏡組，最后進入精跟蹤探測器；另一束光經分色片反射到達變焦距鏡組，進入分光棱鏡，從分光棱鏡反射的光進入離焦探測器，從分光棱鏡透射的光進入在焦探測器，在焦探測器與離焦探測器同時采集目標光束在焦面和離焦面的圖像數據，位相差異高分辨率圖像處理單元在基于位相差異散斑法的基礎上，對所采集目標光束圖像數據進行處理，最終恢復受白天強湍流大氣污染的空間目標圖像和解算波前相位分布。

本發明的有益效果為：本發明基于地基大口徑望遠鏡的大氣湍流成像理論，將光學設計與位相差異散斑法有機融合起來，解決困擾白天空間目標高分辨率成像受到大氣的污染嚴重，地基光電成像終端的觀測效率低等問題。光學系統的設計起到白天捕獲、探測空間目標的作用，并具有消強雜散光與抑制高亮度天空背景的特性，且滿足后端位相差異高分辨率圖像處理單元的光學特性要求。在單相機短曝光散斑成像方法的基礎上，增加已知離焦量的相位差異成像通道，雙通道的使用改善了反演問題的病態性，多幀短曝光圖像的使用增加噪聲抑制能力和提高恢復空間目標圖像的信噪比。該系統結構簡單，設計及生產成本低，維護費用低廉以及探測能力強等優勢。

附圖說明

圖1為空間目標白天高分辨率成像探測系統原理示意圖。

圖2為相位差異高分辨率圖像處理單元示意圖。