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基于相位差法的光学综合孔径装调误差相位补偿技术研究

李飞燕  
【摘要】:高分辨率图像在空间观测和天文观测等方面应用意义巨大,采用一定形式的稀疏孔径阵列的综合孔径成像技术是解决高分辨率、大口径成像的一项重要技术。综合孔径成像技术是综合多个小口径透镜共相成像,其分辨率等效于一个大口径透镜的空间分辨率。该成像系统的三个关键技术分别为:阵列设计和优化,相位误差检测及校正,图像重构和复原。其中,综合孔径能够作为一个等效的单孔径,必须消除各个子镜间由于排列所引起的装调误差。装调误差主要包括子镜间的平移误差和倾斜误差。本文主要针对三个关键技术中的相位误差检测及校正,提出了基于相位差法的波前检测技术来探测系统装调误差所引起的像差。而综合孔径系统的装调通常以其中一个子镜为基准,其它子镜以按照基准位置分别装调,因此对于子镜的装调误差也可以分别进行矫正。在本文中,我们以子镜的装调误差补偿为例,利用课题组研发的可调相位板对子镜的装调误差中的平移误差及透镜偏离理想位置引入的离焦像差进行相位补偿进行了探究。论文的主要研究内容如下:1.阐述了本课题的研究背景及研究意义,并对常用的几种波前探测技术进行了调研和对比,最终确定使用相位差算法作为波前检测方法,并论述了对相位差法研究的必要性,简单介绍了相位差法的国内外研究现状。2.介绍了光学综合孔径成像原理,把成像系统视为空不变的线性系统,用相干传递函数或光学传递函数来描述系统成像特性,并介绍了基于相位差法的波前检测相关理论知识,其基本原理是利用焦面图像和离焦图像构造目标函数,并对目标函数进行最优化从而获得由于装调误差引起的波像差的最大似然估计值。3.讨论了多种数值优化算法,因遗传算法良好的数值效果和快速收敛的特性,选取遗传算法实现波前像差系数的求解,完成基于相位差法的光学综合孔径装调误差补偿技术研究。4.利用zernike多项式拟合出由于综合孔径的装调误差产生的波前畸变,通过带有波像差的广义光曈函数引入光学系统。基于光学透镜成像系统模型,进行模拟图像采集,建立包含波像差信息海外未知观测物体信息的目标函数,基于相位差法原理求解了装调误差产生的畸变波前像差系数,其相位恢复精度可以达到百分之几的波长,其精度检测仿真验证中均方根误差值为0.0514λ。5.利用课题组设计的基于压电陶瓷内液柱的可调相位板,构建了基于相位差法的光学透镜轴向装调误差补偿模型,通过施加电压改变压电陶瓷的液柱长度,即改变入射光波前传输的光程,由于调相板平行于光轴位置放置,其水平方向的位移生缩量主要影响了装调误差中的平移误差及透镜偏离理想位置引入的离焦像差,即zernike多项式中的活塞误差Z1项和离焦像差Z4项。研究结果表明该模型对装调误差产生的活塞误差及离焦误差补偿精度约为92%,可应用于光学综合孔径部件装调误差的低成本补偿。


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