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《中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)》 2018年
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光干涉成像望远镜阵列排布研究

黄思雨  
【摘要】:天文观测要求望远镜具有足够高的分辨率,传统的增加望远镜分辨率的方法是增大望远镜口径,然而,大口径镜面的加工难度很大,加工成本与口径的平方成正比,随着口径增大而大幅升高。另外,过大的口径使得现有机械支撑结构难以满足要求,运输难度也增加。因此,寻找不增加单个望远镜口径就能提高成像分辨率的方法就成为了天文学家迫切的需求。其中,干涉成像技术就是实现高分辨率成像的主要技术之一,光干涉望远镜阵列就是利用干涉成像技术进行高分辨率观测的。理论上,干涉阵列的最长基线决定了其成像的极限分辨率,然而,干涉阵列对空间频率的采样是离散的,如果子孔径数量不足,空间频率的采样就不足,重构出的目标图像像质就会退化,从而降低实际能达到的成像分辨率。考虑到不同的子孔径排布位置会有不同的成像效果,那么通过设计阵列排布获得足够好的成像质量就具有重要的意义。前人对阵列排布研究已经做了相当多的工作,但是仍然不够完善。比如,前人对于各种阵列形状的UV覆盖(二维空间频率覆盖)特性并没有足够深入的研究;对于较为特殊的UV覆盖的获得方法也没有给出。为了能充分发挥干涉阵列的成像潜力,对某些更复杂情形下的阵列排布需求也需要给出相应的设计方案。因此,本论文将针对阵列排布进行进一步的研究,深入探讨阵列排布、UV覆盖以及成像效果三者之间的关系,针对特殊排布需求提供设计方案。首先,介绍了干涉成像的背景、意义、原理和关键技术,总结了现有的干涉阵列。概述干涉阵列的子孔径排布问题,总结国内外发展现状。然后,研究成像效果与UV覆盖间的关系。分别对点源目标成像和对扩展目标成像,采用均匀和非均匀两种UV覆盖模型,通过改变UV覆盖参数观察成像效果。结果显示,要想获得理想的PSF(点扩散函数),需要足够大的UV覆盖半径和足够小的UV覆盖采样间距。在UV覆盖最大半径确定的情况下,减少部分区域的UV覆盖并不能减小PSF主瓣宽度。对扩展目标成像时,如果使用均匀UV覆盖,它的采样间隔和目标尺寸决定了成像结果是否混叠;如果UV覆盖不均匀,某一频率区域的采样密度决定成像结果中目标的该频率成分混叠程度,采样密度小则混叠程度大,该频率成分的表达就越不清晰。其次,研究UV覆盖与阵列排布之间的关系。讨论了不同阵列排布形状的UV覆盖特性,给出了一种定量的阵列形状评价方法,说明Y形阵列形状在UV覆盖低频区密集覆盖和方向均匀覆盖的兼顾能力上要强于圆周形阵列;提出一种根据UV覆盖分布反推阵列排布的方法,并给出两种UV覆盖反推阵列排布的示例,该方法擅长对特殊形状分布的UV覆盖反推阵列排布。再次,研究常用阵列排布的成像分辨率,给出圆周阵列和Y形阵列在不同排布方式和不同子孔径数量下的PSF结果。结果显示,有效UV覆盖数量在决定PSF旁瓣亮度上起到主要作用,Y形阵列的两种完全不同排布方式具有接近的PSF旁瓣亮度。随着子孔径数量增加,均匀排布下的圆周阵列和平方律、“反平方律”排布下的Y形阵列的PSF旁瓣亮度都有所下降,但是下降速度会逐渐放缓。之后,研究在阵列子孔径数量不足时通过移动子孔径增加UV覆盖的方法。提出先找到目标权重较大的频率成分再适量获取其他区域频率成分的思想。为了找到目标权重较大的频率成分,提出一种阵列排布优化方法,该方法利用图像重构针对Y形阵列进行排布优化,优化过程中通过随机搜索寻找最优排布。对行星目标仿真成像的排布优化结果显示,这种方法能够较快速的寻找到最优的排布位置,为之后的子孔径移动建立基础。最后,研究干涉阵列与大口径望远镜组合使用时干涉阵列的排布设计方法。先通过分辨率要求确定大致子孔径数量,再根据UV覆盖非冗余和高斯分布的要求设计排布。设计结果示例显示,该方法能够获得符合要求的排布结果,实现高分辨率和高质量成像。本论文研究工作基本上完整地研究了成像效果、UV覆盖和阵列排布三者之间的关系,并给出不同应用情境下的阵列排布设计方案,能够为实际的光干涉阵列排布设计提供参考。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P111

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