本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于三孔徑的稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置及其光束合束校正方法。
背景技術(shù):
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,對(duì)地成像、軍事偵察、天文觀測(cè)和深空探測(cè)等諸多領(lǐng)域中需要越來(lái)越高的分辨率。對(duì)于目前普遍使用的單口徑光學(xué)系統(tǒng),為了提高空間分辨率勢(shì)必要增大系統(tǒng)口徑,但是系統(tǒng)口徑的增大受到材料、工藝、制造成本、質(zhì)量和有效載荷艙體積等諸多因素的限制,同時(shí)也必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的體積和質(zhì)量增加,給空基和天基系統(tǒng)的發(fā)射帶來(lái)困難。合成孔徑成像系統(tǒng)由若干排布成特定陣列形式的子口徑成像系統(tǒng)構(gòu)成,每個(gè)子口徑的光束經(jīng)過(guò)相位調(diào)整后傳輸至光束合成器,并在共焦面上干涉成像。由于自身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成像方式所致,合成孔徑成像系統(tǒng)相比單孔徑成像系統(tǒng)能夠獲得目標(biāo)更多的高頻成分,從而有效提高成像觀測(cè)精度,探測(cè)到目標(biāo)更多的精細(xì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)等效的單大孔徑成像系統(tǒng)的分辨能力。
合成孔徑成像技術(shù)一般分為兩種:基線干涉合成孔徑技術(shù)與稀疏光學(xué)合成孔徑技術(shù)。相比于基線干涉合成孔徑技術(shù)通過(guò)反演干涉條紋獲得復(fù)相干度來(lái)成像,稀疏光學(xué)合成孔徑技術(shù)則是利用空間特定排列的多個(gè)子孔徑直接合成對(duì)目標(biāo)成像,具有充分的靈活性,更利于直接觀測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)。稀疏光學(xué)合成孔徑成像系統(tǒng)的相關(guān)理論和技術(shù)研究一直是國(guó)際研究熱點(diǎn),它在地基和天基大型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、激光傳輸、顯微成像、三維成像等其他成像技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。開(kāi)展相關(guān)的研究,建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小重量輕的合成孔徑成像系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種基于三孔徑的稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置及其光束合束校正方法。本發(fā)明主要由子望遠(yuǎn)鏡陣列、光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傾斜誤差校正單元、合束及成像系統(tǒng)等組成。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小重量輕、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可同時(shí)保證光程調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度等優(yōu)點(diǎn),在天基、空基等對(duì)平臺(tái)的重量和體積都有嚴(yán)格要求的應(yīng)用環(huán)境中,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
①.一種基于三孔徑的稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置,結(jié)構(gòu)如圖1所示,卡塞格林望遠(yuǎn)鏡1和準(zhǔn)直透鏡2組成子望遠(yuǎn)鏡陣列,高精度大行程組合位移臺(tái)及固定于其上面的角錐棱鏡3構(gòu)成光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng),快反鏡4為傾斜校正單元,外表面為反射面的角錐反射鏡5、成像透鏡6和CCD相機(jī)7組成合束及成像系統(tǒng)。目標(biāo)反射或者散射的光波經(jīng)子望遠(yuǎn)鏡陣列后,射入角錐棱鏡3,折返回來(lái)的成像光波經(jīng)快反鏡4反射后,通過(guò)角錐反射鏡和成像透鏡,成像于CCD相機(jī)7。光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)和傾斜校正單元使得每一路成像光波共相位,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨合成孔徑成像,成像原理為斐索干涉原理。
CCD采集到的圖像為:
I(x,y)=o(x,y)*h(x,y)+n(x,y)
式中o(x,y)為理想的幾何圖像,h(x,y)為系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),n(x,y)為CCD相機(jī)的噪聲,(x,y)為像平面的坐標(biāo)矢量,*代表卷積。系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h(x,y)可以表征為:
式中pk(u,v)為子系統(tǒng)的光瞳函數(shù),Zm(u,v)為澤尼克多項(xiàng)式,m=1表示子孔徑的平移誤差,m=2和m=3分別表示兩個(gè)相互垂直方向上的傾斜誤差,αm為相對(duì)應(yīng)的系數(shù),表示傅里葉變換。根據(jù)測(cè)得的平移和傾斜誤差,通過(guò)光程精密調(diào)節(jié)和傾斜校正系統(tǒng)使誤差系數(shù)αm近似為0,可實(shí)現(xiàn)各路成像光束的共相位,并得到目標(biāo)的高分辨合成圖像。
②.光程精密調(diào)節(jié)主要由高精度大行程組合位移臺(tái)及固定于其上面的角錐棱鏡3實(shí)現(xiàn)。角錐棱鏡使得成像光束原路折回,本發(fā)明通過(guò)精密移動(dòng)角錐棱鏡的位置,校正合成成像系統(tǒng)各路間的平移誤差。高精度大行程精密位移臺(tái)由大行程低精度位移臺(tái)9和小行程高精度位移臺(tái)8組合而成。
③.編程可控的快反鏡4實(shí)現(xiàn)光束的二維偏轉(zhuǎn),可快速校正各個(gè)子孔徑入射成像光波的傾斜像差,使得三路成像光束在CCD的同一位置處成像。
④.合束及成像系統(tǒng)中的角錐反射鏡5實(shí)現(xiàn)三路成像光束的合束。區(qū)別于光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的角錐棱鏡,角錐反射鏡5作為合束器,經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)加工,其三個(gè)錐外表面用于反射光束,將子系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的三路成像光束合束出射到成像透鏡上,再由主透鏡實(shí)現(xiàn)合成成像。角錐反射鏡5固定在一個(gè)精密平移臺(tái)上,用于控制出射成像光束的相對(duì)位置等,以保證出瞳和入瞳滿足斐索干涉成像需遵循的“黃金比例”。
其中,該裝置由三路子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光束合成成像,是一種相控望遠(yuǎn)鏡陣列。成像原理為斐索干涉原理,可以直接對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨合成成像。
其中,光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用角錐棱鏡將光路折返,使整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單緊湊,同時(shí)減少了系統(tǒng)的重量和體積。使用大行程低精度位移臺(tái)和小行程高精度位移臺(tái)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高精度大行程定位,既保證了光程的調(diào)控范圍,也保證了光程的調(diào)節(jié)精度。
其中,三個(gè)快反鏡實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn),校正系統(tǒng)的傾斜誤差。
其中,合束成像系統(tǒng)使用特殊設(shè)計(jì)的以錐鏡外表面為反射面的角錐反射鏡作為合束器,同時(shí)角錐反射鏡固定于精密平移臺(tái)上,以保證出瞳和入瞳滿足斐索干涉成像需遵循的“黃金比例”。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.與單孔徑成像系統(tǒng)相比,本發(fā)明提出的成像裝置,可以直接對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行更高分辨力的成像。通過(guò)光程精密調(diào)節(jié)和傾斜校正系統(tǒng)消除各個(gè)子系統(tǒng)的共相誤差后,3個(gè)望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng)可以等效為一個(gè)大口徑系統(tǒng),從而有效地提高成像系統(tǒng)的分辨率。單孔徑成像和三孔徑合成成像的數(shù)值仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示,由圖可知合成成像可以有效地提高成像分辨能力。
2.與其他稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置相比,本發(fā)明提出的成像裝置,采用高低精度平移臺(tái)級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)各路成像光束光程的高精度大行程調(diào)節(jié),在保證光程調(diào)節(jié)精度的同時(shí),可以獲得更大的調(diào)控范圍。同時(shí)采用快反鏡實(shí)現(xiàn)傾斜的校正,平移臺(tái)和快反鏡都編程可控,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速共相閉環(huán)控制。
3.與其他稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置相比,本發(fā)明提出的成像裝置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,特別是利用角錐棱鏡、快反鏡和角錐反射鏡等,使合成成像在光束入射的空間里完成,從而讓整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊,系統(tǒng)的體積和重量進(jìn)一步得到減小。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明提出的基于三孔徑的稀疏光學(xué)合成孔徑成像裝置示意圖,其中,圖1(a)為水平雙筒結(jié)構(gòu)俯視圖,圖1(b)為頂端單筒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖;
圖2為本發(fā)明提出的高精度大行程組合位移臺(tái)示意圖;
圖3為合成成像系統(tǒng)單孔徑成像點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和三孔徑合成成像點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)示意圖,其中,圖3(a)為單孔徑點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)示意圖,圖3(b)為三孔徑點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)示意圖;
圖4為合成成像系統(tǒng)單孔徑成像圖像和三孔徑合成成像圖像示意圖,其中,圖4(a)為單孔徑成像圖像示意圖,圖4(b)為三孔徑合成成像圖像示意圖。
圖中附圖標(biāo)記含義為:1為卡塞格林望遠(yuǎn)鏡,2為準(zhǔn)直透鏡,3為角錐棱鏡,4為快反鏡,5為角錐反射鏡,6為成像透鏡,7為CCD相機(jī)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
整個(gè)成像裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng)、光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傾斜校正系統(tǒng)、光束合束及成像系統(tǒng)。卡塞格林望遠(yuǎn)鏡1和準(zhǔn)直透鏡2組成望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng),固定在由高低精度平移臺(tái)8和9級(jí)聯(lián)的大行程高精度位移臺(tái)上的角錐棱鏡3為光程精密調(diào)節(jié)系統(tǒng),快反鏡4為傾斜校正系統(tǒng),外表面為反射面的角錐反射鏡5、成像透鏡6和CCD相機(jī)7組成成像光束合束及成像系統(tǒng)。
其具體的工作過(guò)程為:
1.望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng)分別接收目標(biāo)物體反射或者散射的成像光波,得到三路未校正共相誤差的子系統(tǒng)成像光束。三路成像光束被角錐棱鏡折返后,經(jīng)過(guò)快反鏡反射到角錐反射鏡的反射面上,經(jīng)反射面反射后,實(shí)現(xiàn)合束。精確調(diào)整快反鏡的反射角度和角錐反射鏡的位置,以保證出瞳和入瞳滿足斐索干涉成像需遵循的“黃金比例”。合束光束經(jīng)過(guò)成像透鏡后成像于CCD相機(jī)上面。CCD相機(jī)采集此時(shí)的光強(qiáng)分布。
2.根據(jù)CCD采集的光強(qiáng)信息,利用一些已報(bào)道的共相算法,如遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)、離焦相位差法、快門(mén)相位差法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,探測(cè)出子系統(tǒng)之間的平移和傾斜等共相誤差。將探得的誤差信號(hào)作為反饋,輸入光程精密調(diào)節(jié)和傾斜校正系統(tǒng)中,進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,以消除子系統(tǒng)之間的共相誤差,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)光束的共相位,在CCD上直接得到高分辨率的合成孔徑成像圖像。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于上述實(shí)施例,凡屬于本發(fā)明思路下的設(shè)計(jì)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些潤(rùn)飾和改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。