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斐索式稀疏孔径光学系统成像技术研究

段相永  
【摘要】:空间角分辨率是评价望远光学系统探测能力的重要指标。在固定工作波段内要想提高系统角分辨率必须增大光学系统口径,但是光学材料、加工工艺、成本、重量和体积等因素的限制,给望远光学系统口径增大带来了极大的困难。因此,人们开始探索突破望远镜口径增大限制的新理论、新方法和新技术,其中稀疏孔径光学系统成像技术就是实现望远镜光学系统高分辨率观测的主要技术之一。 本文讨论了稀疏孔径光学系统成像技术提高系统分辨率的原理,对适用于光电经纬仪的稀疏孔径阵列进行了专项研究,设计了稀疏孔径光学系统,搭建了双孔径干涉成像实验平台并成功进行了原理验证实验。 首先,概述了稀疏孔径光学系统成像技术的研究背景和国内外发展现状,分析了稀疏孔径光学系统的分类进而引出了本论文的研究方向,对本论文的主要研究内容作了总结性阐述。从夫琅和费衍射理论出发分析了稀疏孔径光学系统的成像原理,论述了点扩散函数和调制传递函数的物理意义并推导了其具体计算公式,介绍了已有的几种主要的阵列结构以及相应阵列的MTF的二维分布形式,论述了阵列结构性能评价方式。 其次,根据光电经纬仪的特点确定了三种适用的阵列——Golay-3型、Y型和等边五角形。分析三种阵列性能,结果表明Golay-3阵列的子孔径口径最大,Y型阵列截止频率最大值和最小值差异最大,等边五角形阵列调制传递函数对u-v空间频率的覆盖范围最接近圆形分布。由于现有的阵列只能分布于跟踪架以内,于是提出了一种能够分布于跟踪架两侧的新型阵列——类“十”字型阵列。分析表明,类“十”字型阵列调制传递函数整体接近圆形分布,系统最小截止频率对应的等效口径是子孔径口径的2.7倍。再次,简要介绍了光学系统的7种像差,着重介绍了现今消色差和复消色差的原理与方法。讨论了光束组合过程中存在的三种误差,以及三种误差对系统成像的影响。将多望远镜结构斐索式稀疏孔径光学系统分为三个子系统分别进行设计,子孔径为后接消色差准直镜的卡塞格林结构,光束校正器有两种结构可供选择,光束组合器采用五片式复消色差设计。合理搭配各个子系统,理论上可以组成任何一种阵列结构,主要以Golay-3阵列为例分析了系统MTF截止频率和等效口径。 最后,基于斐索式稀疏孔径光学系统成像理论及多望远镜结构形式,搭建了双孔径干涉成像原理验证实验系统。该系统可以实现双孔径干涉成像,并验证piston误差对系统点扩散函数的影响,实验结果表明双孔径干涉成像系统在子孔径连线方向上的分辨率是单个子孔径系统的分辨率的2.1倍,piston误差对系统点扩散函数的影响与理论分析结果和仿真结果基本一致。


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