一种空间全区域超高对比度成像方法及星冕仪系统

1.本发明涉及一种空间全区域超高对比度成像方法及星冕仪系统。涉及到太阳系外行星探测、系外冷行星直接成像、系外类地行星与生命信号探测，以及空间天文仪器、航天、航空、天文终端仪器、自适应光学相关技术领域，特别是涉及一种适用于360
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全视场工作区域、大工作区域、超高对比度成像的空间星冕仪系统及方法，具体涉及一种应用于空间全工作区域系外行星直接成像探测的、高对比度星冕仪、对称式、圆环带光瞳调制技术及实现方法。


背景技术：

2.系外行星指的是太阳系以外的行星，即围绕其他恒星的行星系统或在太阳系外的独立行星。系外行星探测与地外文明的搜寻息息相关，能够突破人类对现有生命的认识并最终拓展人类的生存空间。
3.至今，已发现的绝大多数系外行星都是通过凌星法或多普勒效应法间接探测到的。直接成像技术能够将来自恒星和行星的光在物理空间上分辨开，是确认系外生命特征信号的关键。星冕仪是事实现系外行星高对比度直接成像探测的重要利器，能够有效抑制来自恒星的强衍射光，使得淹没在强背景光之中的行星能够被直接成像。
4.目前，受限于地面大气环境和和新一代超级自适应光学技术观测波段和探测能力，地基行星成像星冕仪只能够在红外波段开展行星成像探测，对比度只能达到10
‑6。而搜寻类太阳恒星周围的冷行星，尤其是宜居带内的类地行星，是未来探测确认存在生命行星的突破口，这需要突破现有地面观测波段和成像对比度的限制，需要发展空间星冕仪超高对比度成像技术。
5.空间卫星平台资源或者寿命相对有限，因此，需要充分利用和尽可能提高星冕仪系统的观测效率。例如，单次曝光就能够覆盖360
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观测区域，这样无论行星落到那个区域都能够被成像探测到。这需要星冕仪采用新的调制技术方案。
6.目前，绝大多数星冕仪系统都只能够在系统科学焦面特定的区域内获得超高对比度成像，还不能够在整个探测区域对行星进行成像探测。例如，美国nasa的大气推进实验室团队发展的焦面调制星冕仪，只能够在一侧很小区域内获得高对比度成像；美国普林斯顿大学团队发展的星冕仪也只能够在星冕仪特定象限区域的非常小的区域内获取高对比度成像。


技术实现要素：

7.为了解决现有高对比度星冕仪成像工作区域受限的问题，本发明提供一种用于空间360
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工作视场、全区域的超高对比度成像星冕仪系统。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种空间全区域超高对比度成像方法，采用圆环带光瞳透过率调制技术，沿光瞳径向进行透过率渐变调制，实现对恒星强衍射光的抑制，所述圆环带光瞳透过率调制采用
有限带、左右对称式的透过率调制带来改变恒星在系统光瞳位置的能量分布，以满足最优高对比度成像的需求，所述有限带、左右对称式的透过率调制带由有限的透过率调制环带组成，环带调制以中心带透过率逐渐变化、以中心带起始左右透过率对称分布。
10.进一步的，通过对光瞳沿径向进行有限带数的透过率变化调制，实际研制过程中仅对有限的几带做镀膜处理。
11.进一步的，调制带的透过率数值以中心第n+1环带对称布局。
12.进一步的，对中心处和最边沿镀制高反膜，所述高反膜和通光口径外的膜层一致。
13.进一步的，预先规定第n+1带中心环带为透过率最高带，设定每个透过率调制带的初始透过率值，根据透过率变化范围动态调整透过率值。
14.进一步的，通过对光瞳引入数量有限的调制带，并采用以中心带对称分布改变透过率数值。
15.进一步的，透过率渐变调制方法包括如下步骤：
16.第一步，根据卫星平台提供的资源和包络约束，确定星冕仪系统的通光口径、光瞳调制器带数、调制函数趋势以及最优化空间布局策略；
17.第二步，根据初定的通光口径和调制带数，设定每带透过率的变化范围以及变化趋势；
18.第三步，设定每透过率调制带的初始透过率值，根据透过率变化范围动态调整透过率值，如系统由2*n+1条带构成，其中第n+1条带为中心，后续透过率带沿该中心呈对称分布，总计n+1种透过率值；
19.第四步，将上述设计的初始光瞳透过率值带入到整套高对比度成像计算模拟系统，通过调整n+1带的透过率值，完成后续的迭代优化流程；
20.第五步，设立最优对比度函数及判据，动态调整每带调制带的透过率数值，实时计算特定工作区域内的成像对比度性能，判断是否满足最优。
21.基于空间全区域超高对比度成像方法的星冕仪系统，包括模拟恒星光源、准直系统、孔径光阑、环带光瞳调制滤光器、成像系统、探测器，所述准直系统包括反射镜和第一抛物面镜，所述成像系统包括第二抛物面镜和成像镜，来自无穷远的恒星光经过望远镜聚焦到星冕仪系统入射端，经反射镜折转到第一抛物面镜将点源目标扩展为平行光，模拟无穷远处的恒星光；孔径光阑用于将不需要的杂散光挡出系统，环带光瞳调制滤光器将恒星光能量进行调制，最终通过成像镜折转至第二抛物面镜，在星冕仪系统焦面探测器进行成像，所述环带光瞳调制滤光器采用上述的成像方法进行光瞳的幅值调制。
22.进一步的，所述星冕仪系统具有空间大工作区域或360
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全视场工作区域，对比度优于10
‑7，所述星冕仪系统用于空间高对比度成像或系外行星探测。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.(1)采用有限带的调制方案就能够达到360度全区域超高对比度成像，有效的降低了系统的研制难度，保证了调制器的加工精度，降低研制周期和成本，能够充分利用空间卫星观测时间，保证系外冷行星的成像探测和发现系外生命信号。
25.(2)采用以中心带左右对称的布局方案，进一步缩减了调制滤光器的透过率数值，可以直接以两带为一组进行透过率精确控制，保证其透过率的一致性，最终提高系统整体成像对比度。
26.(3)上述调制带中，第n+1带(中心带)透过率设计值为最高，可以不做调制膜层处理；对最边沿和中心处(第1带和2*n+1)镀制高反膜，和通光口径外的膜层一致。该操作进一步减少膜层透过率种类，有利于最终高对比度成像的实现。
27.(4)约束透过率带的变化范围，规定第n+1带中心环带为透过率最高带(归一化1，的对应玻璃基板镀制增透膜的透过率，一般在96％以上)，保证了系统最高的通光效率，通过系统闭环结合实际加工工艺和镀膜透过率精度，获取最佳的透过率调制值，保证全区域内获得最佳的成像对比度。
附图说明
28.图1为该发明星冕仪系统的总体结构图；
29.图2为有限带左右对称的圆环带透过率调制滤光器的空间构型；
30.图3为系统点扩散函数调制后的典型图像；
31.图4为有限带对称式圆环光瞳调制滤光器的设计与优化流程图。
32.图中标记：1、望远镜焦面；2、模拟恒星光源；3、反射镜；4、第一抛物面镜；5、孔径光阑；6、环带光瞳调制滤光器；7、成像镜；8、第二抛物面镜；9、成像探测器。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
34.本发明是中国空间站工程项目“巡天望远镜系外行星成像星冕仪模块”、国家自然科学基金天文联合重点支持项目“用于大口径拼接镜面望远镜的系外行星高对比度成像关键技术研究”(u2031210)、国家重大科研仪器研制项目“围绕暗弱恒星的太阳系外行星高对比度成像探测仪器研制”(11827804)的成果。
35.本发明采用圆环带光瞳透过率调制技术，沿系统光瞳径向进行透过率渐变调制，来实现对恒星强衍射光的抑制。与地面传统透过率调制方式不同的是，该发明针对空间系外冷行星尤其是类地行星的探测需求，将成像对比度目标优化到10
‑8以上，超过地基圆孔型调制技术方案2个数量级以上。与现有连续的透过率调制方式不同的是，环带透过率调制采用“有限带、左右对称式的透过率调制带”来改变恒星在系统光瞳位置的能量分布，以达到抑制恒星强衍射光的目标，最终满足最优高对比度成像的需求。
36.本发明通过对光瞳沿径向进行有限带数的透过率变化调制，实际研制过程中只对非常有限的几带做镀膜处理，能够效降低调制器的研制难度、周期和成本，保证了调制片的实际加工精度及成像对比度实测性能。
37.调制带的透过率数值是以中心第n+1环带对称布局，一方面缩减了调制滤光器的透过率数值种类，有效地简化光刻胶涂抹和擦除的实际流程，另一方面可以直接以“两带为一组”的方式进行透过率精确控制，保证其带上透过率的一致性。该设计方案能够有效保证调制滤光器透过率的高精度，确保最终实现星冕仪系统成像对比度性能。
38.对中心处和最边沿(第1带和2*n+1)镀制高反膜，和通光口径外的膜层一致。该操作进一步减少膜层透过率数值的种类，有利于最终高对比度成像的实现。
39.预先规定第n+1带中心环带为透过率最高带(归一化1，的对应玻璃基板镀制增透膜的透过率，一般在96％以上)，保证了系统最高的通光效率。设定每透过率调制带的初始
透过率值，根据透过率变化范围动态调整透过率值。
40.传统透过率调制星冕仪采用连续的透过率调制方式，成像对比度理论设计值不高，限制了超高对比度成像指标的实现，难以用于系外冷行星的全区域超高对比度成像探测。本发明通过对光瞳引入数量有限的调制带，并采用以中心带对称分布改变透过率数值，有效地降低了调制滤光器的加工难度。本发明采用了“有限带、左右对称式的透过率调制带”来改变恒星在系统光瞳位置的能量分布，以达到抑制恒星强衍射光的目标，最终满足最优高对比度成像的需求。本发明能够彻底解决传统星冕仪因采用连续复杂的调制函数而难以实现高对比度成像的技术难题。
41.结合实际应用情况，总体优化布局调制函数，既能保证实际应用中性能，又能高精度的实现核心调制器的研制。例如，综合考虑系统提供的资源和包络约束，确定星冕仪系统的通光口径、光瞳调制器带数、趋势以及最优化空间布局策略，以达到最高的性能和产出比。
42.基于本发明的空间全区域超高对比度成像方法的星冕仪系统可以根据实际需要进行光学元件的选择。本实施例提供的空间全区域超高对比度成像的星冕仪系统的组成与工作原理如图1所示。望远镜成像焦面1为星冕仪系统的输入端，此处放置模拟恒星光源2，经反射镜3折转到第一抛物面镜4将点源目标扩展为平行光，模拟无穷远处的恒星光；孔径光阑5用于将不需要的杂散光挡出系统，环带光瞳调制滤光器6将恒星光能量进行调制，最终通过成像镜7折转至第二抛物面镜8，在星冕仪系统成像探测器9得以成像。本发明主要针对大工作区域、尤其是360
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全视场工作区域高对比度成像星冕仪，针对对比度优于10
‑7的星冕仪，针对用于空间高对比度成像星冕仪，针对系外行星探测用的星冕仪。
43.其中，该系统核心为位于光瞳面上的有限带左右对称的圆环带透过率调制滤光器。该调制器，由有限的透过率调制环带组成，环带调制以中心带透过率逐渐变化、以中心带起始左右透过率对称分布。透过率调制带数计为2*n+1，只有n+1种透过率。结合现有镀膜和光刻工艺，通过在玻璃基板涂抹光刻胶和不同膜层的金属合金膜，可以方便实现有限带透过率调制滤光器的精确加工。结合现有镀膜和光刻工艺，通过在玻璃基板涂抹光刻胶和不同膜层的金属合金膜，可以方便实现有限带透过率调制滤光器的精确加工。通过对恒星光在光瞳处的能量进行调制和重新分配，可以改变位于焦面系统的点扩散函数图像的能量分布，从而在特定工作区域内获得高对比度成像，实现系外行星的直接成像探测。
44.该调制器需要优化设计光瞳沿径向的透过率，通过系统高对比度成像闭环迭代优化获取最佳的透过率调制方案。该发明降低了系统研制难度，有效的保证了调制器的加工精度，能够在360
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全视场工作区域内实现超高对比度成像，使得对系外冷行星的高效率、超高对比度成像探测成为可能。
45.图2描述了有限带左右对称的圆环带透过率调制滤光器的空间构型(第n带和第n
′
带的透过率相同)。图中显示了调制系统径向光瞳调制方案透过率分布，其上由2*n+1调制带组成，以n+1带透过率最高，然后左右对称逐渐降低的变化趋势排列。其实现是通过高精密光刻胶和镀膜工艺，通过光刻工艺只漏出需要调制的透过率带，进而通过改变金属膜层的镀膜厚度来实现对应调制带的透过率数值。图3为系统点扩散函数调制后的典型图像，与国际现有星冕仪系统比较，可以实现360
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全区域的超高对比度成像。
46.图4描述了有限带对称式圆环光瞳调制滤光器的设计与优化流程。具体如下：
47.第一步，根据卫星平台提供的资源和包络约束，确定星冕仪系统的通光口径、光瞳调制器带数、调制函数趋势以及最优化空间布局策略；
48.第二步，根据初定的通光口径和调制带数，设定每带透过率的变化范围以及变化趋势；
49.第三步，设定每透过率调制带的初始透过率值，根据透过率变化范围动态调整透过率值，如系统由2*n+1条带构成，其中第n+1条带为中心，后续透过率带沿该中心呈对称分布，总计n+1终透过率值；
50.第四步，将上述设计的初始光瞳透过率值带入到整套高对比度成像计算模拟系统，通过调整n+1带的透过率值，完成后续的迭代优化流程；
51.第五步，设立最优对比度函数及判据，动态调整每带调制带的透过率数值，实时计算特定工作区域内的成像对比度性能，判断是否满足最优。
52.调制器透过率的设计和优化过程如图4所示：
53.第一步，根据卫星平台提供的资源和包络约束，确定星冕仪系统的通光口径、光瞳调制器带数、调制函数趋势以及最优化空间布局策略；
54.第二步，根据初定的通光口径和调制带数，设定每带透过率的变化范围以及变化趋势；
55.第三步，设定每透过率调制带的初始透过率值，根据透过率变化范围动态调整透过率值，如系统由2*n+1条带构成，其中第n+1条带为中心，后续透过率带沿该中心呈对称分布，总计n+1种透过率值；
56.第四步，将上述设计的初始光瞳透过率值带入到整套高对比度成像计算模拟系统，通过调整n+1带的透过率值，完成后续的迭代优化流程；
57.第五步，设立最优对比度函数及判据，动态调整每带调制带的透过率数值，实时计算特定工作区域内的成像对比度性能，判断是否满足最优。
58.综上所述，本发明针对超高对比度成像区域受限的技术难题，提出并完成了适用于360
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工作区域观测的星冕仪系统，本发明能够解决空间星冕仪探测效率问题，有效地提高未来行星发现率和观测时间利用率，使得系外行星空间探测卫星有效寿命延长。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。