一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种孔径受限的天文望远镜系统通过虚拟孔径复振幅拼接技术实现 超分辨率成像的技术手段，特别适用于对恒星和空间目标的成像。
【背景技术】
[0002] 从1609年伽利略使用望远镜观测天体到现在的400多年时间内，望远镜的口径越 做越大，迄今为止已经建成多台4米以上级别的大口径望远镜，但是如果要建造口径达10 米甚至几十米的单口径望远镜，则无论从镜面材料制备、加工检测、支撑结构还是工程造价 方面，都存在极大的困难。人们开始另辟蹊径，寻求新的原理和方法来突破单孔径望远镜系 统制造的诸多困难，同时满足观测分辨力的需求。
[0003] 美国30米望远镜（TMT)采取子镜拼接技术，将使用492块拼接子镜构成。子镜拼 接技术由于制造误差、离轴设计误差和装配质量等因素的限制，会导致子镜之间出现平移 (piston)误差和倾斜（tip/tilt)误差，从而导致拼接镜面的相位不一致，系统程序质量大 大降低，因此如何控制各子镜之间的位置和面型使之能够满足系统共相精度的要求，是拼 接型望远镜实现高分辨观测不可回避的问题。
[0004]LBT望远镜采取的是稀疏孔径技术，将两个小孔径子望远镜的光，通过光学手段在 后端合成，得到超过单个子望远镜的分辨率。子望远镜之间的动态共相误差探测是非常困 难的，而且子望远镜的光束传输到最终的光束合成器上需要经过一个瞳面映射过程，该映 射需要满足非常精确的匹配关系，使得系统的光路设计和调整变得异常复杂。
[0005]正在研制的GMT(GiantMagellanTelescope)望远镜则是采用多镜面技术，该望 远镜由7块8. 4米的分离子镜来共同构成一个主镜，一个位于中心，其它的六个对称排列在 周围，系统等效口径打到24. 4米。其子镜是离轴抛物面，在加工和装调上有很大的工程难 度。
[0006] 基于多镜面望远镜系统存在两个技术难点：如何实现分离子镜湍流整体波面误差 探测和分离子镜之间的共相误差探测。因此充分利用单口径望远镜实现更高的分辨率成 像，有很大的科研意义。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种虚拟孔径复振幅拼接 超分辨率天文望远镜系统，可以在探测波长一定，光学孔径一定的情况下提高光学系统分 辨率；且只需要在后端增加少量光电器件，不影响天文望远镜主光路，特别适用于现有的小 口径天文望远镜。
[0008] 本发明的技术解决方案是：一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统， 如图1所示，包括：卡塞格林天文望远镜系统（1)、中继光路系统（8)和瞳面复振幅测量拼 接与图像处理系统（11);所述卡塞格林天文望远镜系统（1)包括：抛物面主镜（2)、球面次 镜（3)、第一平面反射镜（4)、第二平面反射镜（5)、第三平面反射镜（6)、第四平面反射镜 (7)、方位轴（18)、俯仰轴（19);所述中继光路系统（8)包括：两个离轴抛物镜（9, 10);所述 瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统（11)包括：分束镜（12)、微阵列透镜（13)、阵列光子 计数器（14)、夏克-哈特曼波前传感器（15)、时钟同步信号系统（16)和复振幅拼接和图像 处理计算机（17);卡塞格林天文望远镜系统（1)对运动目标进行跟踪成像，在跟踪时随方 位轴（18)和俯仰轴（19)转动过程中自身光学出瞳的位置保持不变；中继光路系统（8)将 光学信号传导到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统（11)，并分别将卡塞格林天文望 远镜系统（1)的出瞳共辄到微阵列透镜（13)和夏克-哈特曼波前传感器（15)的位置；随 后光学信号经分束镜（12)后，一部分经微阵列透镜（13)耦合进阵列光子计数器（14)中， 得到系统的瞳面振幅分布矩阵；一部分进入夏克-哈特曼波前传感器（15)得到系统的瞳面 相位分布矩阵；时钟同步信号系统（16)根据卡塞格林天文望远镜系统（1)的位置信息实现 阵列光子计数器（14)和夏克-哈特曼波前传感器（15)的信号同步采集；复振幅拼接和图 像处理计算机（17)利用夏克-哈特曼波前传感器（15)孔径测量的瞳面相位分布矩阵和阵 列光子计数器（14)测量的瞳面振幅分布矩阵，重建波前复振幅分布，利用连续多帧图像复 振幅信息的相关性，得到一个在沿目标运动方向上的多帧大复振幅面，进而计算像面光场 分布，从而完成卡塞格林天文望远镜系统（1)瞳面复振幅的测量、多帧复振幅信息的拼接， 最终获得超过系统理论极限分辨率的超分辨率图像相邻帧复振幅匹配与拼接。
[0009] 所述多帧复振幅信息的拼接为：复振幅拼接和图像处理计算机（17)使用频域互 相关算法计算相邻帧的方向平移量，再计算两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位 平移误差，然后完成相邻两帧的复振幅拼接，依次获得多帧的复振幅拼接。
[0010] 所述计算远场像面的光场分布方法为：根据傅里叶光学的相关定理，远场光场分 布是瞳面复振幅分布的傅里叶变换，取远场光场分布的模的平方即获得远场像面的光场分 布。
[0011] 所述频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量为：相邻两帧的方向 平移量（Ax，Ay)和相位平移误差Δφ.，获得第η帧和第n+1帧的复振幅拼接
其中，j表示虚数单位
[0012] 第η帧和第n+1帧的复振幅频域的归一化互相关函数
其傅里叶逆变换的最高点的坐标即为两 帧的方向平移量（Δχ,Ay)，其中，您表示傅里叶变换，*表示复共辄，Cn，Cn+1分别表示第η 帧和第n+1帧的复振幅。
[0013] 所述两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差为：
其中Sn+1为第n+1帧图像内的重叠部分， Sn为第η幅图像内的重叠部分，S为两帧重复部分的面积，φ;, +ι〇?)分别表示第η帧和第n+1帧的复振幅。
[0014] 所述的卡塞格林天文望远镜也可以用其他天文望远镜架构代替，其他天文望远镜 架构包括牛顿望远镜和开普勒折射式望远镜。
[0015] 所述分束镜分束比由阵列光子计数器和夏克-哈特曼波前相位传感器的子孔径 数量比及量子效率比决定，以保证振幅探测光路和相位探测光路都有较高的信噪比。
[0016] 所述夏克-哈特曼波前相位传感器也可以由其他波前相位传感器代替，其他波前 相位传感器包括金字塔波前相位传感器。
[0017] 本发明的原理：本发明包括卡塞格林天文望远镜系统、中继光路系统和瞳面复振 幅测量拼接与图像处理系统组成，其中，由六块平面/非平面反射镜构成的卡塞格林天文 望远镜系统将空间目标放大；中继光路系统将卡塞格林天文望远镜的出瞳共辄到后端瞳面 复振幅测量拼接与图像处理系统；瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统中，分束镜将光分 为两部分分别通往微阵列透镜和夏克-哈特曼波前相位传感器，微阵列透镜位于出瞳共辄 面，和阵列光子计数器共同实现对波前振幅的测量，夏克-哈特曼波前相位传感器也位于 出瞳共辄面，实现对波前相位的测量，时钟同步信号系统实现阵列光子计数器和夏克-哈 特曼波前传感器的信号同步采集，最终通过数复振幅拼接和图像处理计算机实现多帧复振 幅在虚拟孔径上的拼接，并通过计算获得超过真实孔径理论分辨率的超分辨率图像。
[0018] 本发明与现有技术相比的优点是：
[0019] (1)本发明记录并拼接了光学系统瞳面的复振幅信息，而传统光学成像过程在像 面上只记录了强度信息。通过本发明计算得到的虚拟孔径复振幅拼接面，能够获知更多的 物体反射特性，更适用于超远距离小目标的探测和分析。
[0020] (2)本发明不需要改变天文望远镜的主体结构，只需要在现有的天文望远镜后加 装波前振幅探测装置和波前相位探测装置。因此，特别适用于利用现有的小口径天文望远 镜实现远距离高分辨率探测。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明装置的组成及原理示意图；
[0022] 图2为相邻两帧复振幅经频域互相关算法之后的计算结果；
[0023] 图3为相邻两帧复振幅分布和重合区域示意图。
【具体实施方式】
[0024] 如图1所示，卡塞格林天文望远镜系统1、中继光路系统8和瞳面复振幅测量拼 接与图像处理系统11组成。其中，由六块平面/非平面反射镜构成的卡塞格林天文望远 镜系统1将空间目标放大；中继光路系统8将卡塞格林天文望远镜1的出瞳共辄到后端瞳 面复振幅测量拼接与图像处理系统11 ;瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统11中，分束 镜将光分为两部分分别通往微阵列透镜和夏克-哈特曼波前相位传感器，微阵列透镜位于 出瞳共辄面，和阵列光子计数器共同实现对波前振幅的测量，夏克-哈特曼波前相位传感 器也位于出瞳共辄面，实现对波前相位的测量，时钟同步信号系统实现