光学综合孔径干涉成像的关键技术及多光束干涉仿真

我 们设计了如图２ 所示的实验装置， 进行了 模拟多 子孔径综合孔径阵干涉条 纹花 样 光源出来要经过小孔（ｉ ｈｌ 光 ｐ － ｅ 栏滤波。孔径掩模板上的小孔直径和小孔的 ｎ ｏ） 大小
与上述计 算机模拟的参数相对应 ， 三块 分别有 Ｎ＝２４６数 目小孔 的掩模板 可以互换 插 ，， 人光路 。这些小孔模拟子望远镜的孔径。从光源发 出的光束经过掩模板上 的子孔径在 聚 焦望远镜像面处相干涉 ， 产生干涉条纹花样 ， 又经显微镜镜头放大后被 Ｃ Ｄ相机所接收 Ｃ
Ｆ ． ｎ ｒｒｒ ｓ ｌｅ ｂｃ ｐｔ ｗｔｎ ｍｓ ｗｅ ｍｕｒ ｈ ｐｎ ，， ｒｎ＝２ ４ ６ ｉ １ ｔｆｏ ａ ｉ ａｄ ｏ ｅ ｉ ａｅ ｇ Ｉｅｅ ｇｍ ｔ ｙ ｍｕ ｈｅ ， ，
３２多光束干涉的实验室试验模拟 ．
Βιβλιοθήκη Baidu
Ｆｉ． ｃｅ ｔ ｃｎｉｕａｉｎ ｌｂｒｔｒ ｓ ａｉ ｅ ｅｉ ｔ ａａｕ ｉ ｌｔｎ ｐｒ ｎ ａｐｒｔｓ ｇ ２ ｈｍａｉ ｏｆ ｒｔ ｏ ａｏａ ｙ Ｓ ｃ ｇ ｏ ｆ ｏ ｍｕ ｏ ｘ ｍｅ ｐ
２２ 一ｖ 覆盖技术 ． ｕ
ｕｖ 一 覆盖是光学综合孔径阵对观测源在光学波段上空间 频率信息的抽样情况， 光干
涉仪阵中的基线 愈长， 探测到的频率愈高 ， 基线愈短则探测到的频率就 愈低。对 于一个有
ｎ 个孔径的干涉阵来说， 认２ 有 条基线， １ 对应 ＿ ） Ｖ平面中有 Ｃ 产个点。如果一次观测满足
为止 。
３ 光学综 合孔 径望远镜阵构成和多光束干涉的模拟
光学综合孔径望远镜阵 由子望远镜 、 程补偿延迟 、 束平行性伺服 系统 、 光 光 光束 组合 器、 图像重构 、 计算机控制等六个 主要子 系统组成 。
３１ 多光束干涉的计算机模拟 ．
为简化起见 Ｎ ， 个子望远 镜均匀排列在 系统瞳面上 ， 径为 ｒ的 圆周 上 ， 在半 在聚焦望
参 考 文 献
［ｌｊ ［２］ ［３： 川
Ｊｎｉ ｎＲ． ＭＮ ｅｎｓ ｏ Ｃ． ＲＡＳ，１（９８ ２６一２ ４ １８ １５）， ７ ８
Ｒｇｔ ＤＨ． １ ｐ［ ．（９８，．８一５８ ｏｓｄ ． ＡｐＯ ｔＪ ７１６） ５５ ８ ａ ｐ １ Ｐ １Ｉ ｉＪＥ， ａｉＣＡ ， ｃａＣ． Ｇｏｅｈ ｉｈ ｈ ｌｉ ｏｔａｉａｉ ［］ Ｎｔｒ， １８）Ｐ ｉ ｎ Ｈｎｆ Ｍａｋ Ｄ． ｐ｝ ｎ ｉ ｃ ｕｏ ｐｃ ｍｇ ｇＪ． ｕｅ １（ ６， ｄ ｗ ． ｆ ． ｙ ｓ ｇ －ｏｔｎ ｉｌ ｎ ａ ７９
远镜像平面有任一点（ ， ， ｘ刃 对于第 ｎ 个光束， 它的电 场为： ．
Ｅ（， ｏ ；ｓ ＋ ｙ＂ｃ（ ） 一 ｏ ｘＹ ＝Ｅｃ［ ， ｓ） ｏ ０ ０ ｝ ） ｏ ２（ ２ ｓ ｓ ２ ｒ
Ｎ束光的总强度Ｉｘ 刃 二【＿ ｘ刃 ］ 用计算机即 （， Ｅ （， ２ ， 可进行模拟。 分别给出 图１ 波长 ｘ二０６２ｔ 子孔径为 Ｎ＝２４６ 计算机模拟的 ． ｉ ３８ｍ， ，， 的由 干涉条纹花 样。
Ｉ期
王海涛 等： 光学综合孔径 Ｉ ． － 涉成像的关键技术及 多光束 干涉仿真
…
ａ ｅｆｒｇａ ｗｉ ２ ｅ ｕｅ ｒｍ ｔ ４ ｅ ｕｅ ｇａｕ ｔ ６ ｅｔｒｓ ｉｔｒ ｏ ｒｍ ｔ ａ ｒ ｒｓ ｎ ｅ ｈ ｐｔ ｈ ｔｆｒｇａ ｗｉ ａ ｒ ｒｓ ｉｅ ｅｏ ｎｒ ｈ ｐｔ ｃ ｅｆｒ ｒｍ ｗｉ ａ ｒｕｅ ｉｔｒ ｏ ｎ ｅ ｈ ｐ
Ｈ ｎｆ＇ １８ 年率先 ａｉ３ ９６ ｆ 于 ［ 在单口 径望远镜上观测得到了光学闭合相位的结果 ， 约十年后他 们研究的Ｃ Ａ Ｔ光学综合孔径阵获得了简单的天体 目 ＯＳ 标的二维亮度分布； 目前， ｆ Ｋ， ＶＴ等 Ｌ Ｉ 都在 做光学综合孔径阵的 成像工作。 我国于２０ 年底才开展对光学综合孔径干 ００
２１ 闭 ． 合相位技术 闭合相位技术是光 学综合孔径成像中消除大气扰动的关键技术， 三个或三个以上孔
径相位闭合的方法可以将 大气 扰动或其 它原因所造 成的相 位误差 抵消掉 ， 然后 通过其它
有效的 算法 恢复目 真实信息。 标的 文献［中详细讲述了 ］ ’ 消除大气扰动的 原理。闭合相位 技术能消除大气扰动 带来的干 但也造成有效信息缺省的问 扰， 题。
涉成像技术进行研 究 ， 本文是该研究工作 的部分结果 。
２ 光学综合孔径成像 的原理 和关键 技术
光学成像 原理可分 为几大类 ， 一类是 几何光学 、 差理 论成 像原理 ； 像 一类 是衍射成 像
原理； 一 另 类成像 理沦 ｒ 是 涉成像原理＿光学综合孔径干涉成像［可以用单孔径望远镜 ４ ．
于对观测源的 ｕ 不 均匀采样 而在傅 立 叶反变换后 产生旁 瓣 ， 一ｖ 这实 际上是含 有很 多噪 声， 甚至完全被噪声淹没的一幅“ 图” 脏 。因此需要用 “ 图法” “ 洁 或 最大嫡法” 进行处理 ， 以
便得到 一幅“ 干净” 像， 的图 对这幅“ 干净” 图像进行反傅立叶变换， 从反傅立叶变换的结果 中“ 借出”一 个相位值， １ 代人病态方程组求解， 进人新的一轮循环， 直到得到满意的图像
径 系统来 达到单个大孔径的分辨本领 ， 是综 合孔径 成像 的 口的 这就 不过 ， 小孔径直径 大 小｛确定 受大气扰动所限制一欲从一个光学综合孔径阵 的干涉条纹 中提 取有效信息 并得 〕
９ ６
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文
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台
刊
２ ２卷
到重构的观测图像 ， 消除大气扰动 影响的 闭合相位技 术 、 域采样 的 ｕ 覆盖 技术和有 频 一ｖ 效的图像重构技术是光学综合孔径干涉成像的三个关 键技术。
不了 ｕ 覆盖要求的话 ， 一ｖ 则必须增加 ｕ 覆盖。增加 ｕ 覆盖的方法有三种方法 ： 一ｖ 一ｖ 增加
子 孔径的个数、 增加子孔径的有效半径和对光学综合孔径阵进行旋转。与之对应的光学
综 合孔径 干涉成像 的方法有 两种： 即时 ｕ ｖ 盖和非 即时 ｕ 覆盖的两种方法 。 一 覆 一ｖ
２３ ．光学综合孔径干涉成像的 像重构技术 易 ．讲述的闭合相位 ２１ 技术带来的 有效信息缺省的问 ， 题 在像重构的 过程中主要涉及
５ ５一５ ７ ９ ９
王海 涛 ， 周必方 ， 学精密 工程 ．０ ２０ ） ４４一４２ 光 １（０ ２Ｐ． ３ ４
ＫＥ ＴＥ Ｙ ＣＨＮＯＬＯＧＩ ＦＯＲ ＴＩ ＥＳ ＯＰ ＣＡＬ ＥＲＴＵＲＥ ＡＰ Ｓ ＹＮＴＨＥＳ Ｓ Ｉ Ｉ ＮＴＥＲＦ ＥＲＥＮＣＥ ＡＧＥ Ｉ Ｍ ＡＮＤ Ｍ ＵＬ 一ＢＥＡＭ 一Ｉ ＴＩ ＮＴＥＲＦ ＥＲＯＧＲＡＭ Ｉ ＵＬ ＳＭ ＡＴＩ ＯＮ
第 ２卷 第 Ｉ ２ 期 ２０ 年 ３月 ０３
紫 金 山 天 文 台 台刊
ＰＵＢ ＣＡＴ ＯＮＳ Ｆ ＵＲＰ ＬＩ Ｉ Ｏ Ｐ ＬＥ ＭＯＵＮＴＡＩ （Ｗ ５ＲＶＡ＂ＯＲＹ Ｎ ） ［ ＇
Ｖ ｌ２ Ｎｏ Ｉ ｏ． ２ ． Ｍ ｎ ｈ． ０ ３ ｎ， ２ ０
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关 键词 光 涉 光 综 孔 图 重 闭 相 Ｕ Ｖ 盖 干 ， 学 合 径，像 构，合 位，‘ 覆 引 言
Ｊ ｎｏ 于 １５ 年提出闭合相位 ｅ ｅｎ’ ９８ ｎｓ 技术并应用于射电综合孔径阵的高分辨率图像重
构 Ｒｇａ２ １８ ；ｏｔｌ于 ９ 年首先 原理上 ｓｄ」 ６ 在 解决了 见光 闭合 可 波段 相位的 题；ａｗ 和 问 Ｂｄｉ ｌｎ
图３ ｒ 给出了３ Ｗ的 Ｈ － 激光器 ｎ ｅ ｅ Ｎ 作光源的 试验 模拟干涉条纹花 样。与计算机模拟
｝ － 涉条纹花样基本一致。
…
Ｉｔｒｅｏｒｍ ｔ ２ ｅ ｕｅ ｎｅｆｒｇａ ｗｉ ａ ｒ ｒｓ ｈ ｐｔ ｂ ｅｆｒｇａ ｗｉ ４ａｅ ｅａ ｉｔｒｅｏｒｍｓ ｔ ｎｕｅ ｎ ｈ ｐ Ｆｇ３ Ｉｔｒ ｔｇａｎ ｂ ｅｐｒ ｎ ｉ． ｎｅｆｏ ｒｒｓ ｘｅｉ ｔ ｅ ｙ ｍｅ ｃ ｅｆｒｇａ ｗｉ ６ ｅｔｒ ｉ ｒ ｏｒｍ ｔ ａ ｒｕｅ ｎ ｅ ｔ ｈ ｐ ｓ
光学综合孔径 干涉成像 的 关键技术及 多光束干涉仿真
王海涛 周必方
〔 中国科 学院国 家 天文台 南京 天文光 学技术 研究所 南京 ２０ ４ １０２
摘
要
闭合 相位技术 、 Ｕ－Ｖ覆盖技术和像重构技术是光学综合孔 径千涉成像 的三个关键 技术。文中简要 介绍 ｒ光学综合孔径技术的发展历史 、 这三种关键技术和 光学综合孔径 望远镜阵 的构成 ， 之进行了多 对 光束 干涉 的计算机仿 真和实验仿 真， 两者结果一致说明了光学综合孔径干涉成像技术 中有关 干涉的理论 的正确性 ， 指出了下一步的研究方向。
的出瞳来说明 ： 把它看成大量“ 针孔” 的集 合， 单孔径望 远镜所成 的像 、 可看成 出瞳面 内的 所有 ［能的“ ｒ ， ｒ 针孔对， ’ 在像面 上 产生 的大量 正弦条纹 的叠加 。如 果把 卜 出瞳面 ｒ 针 述 ． 各“
孔 视为直径有一定大小的子孔径， 像面处的成像就可称为综合孔径成像＿如何用小孔 在
到求解用 闭合相位技术对 目标相应基线 的傅 立叶相位解算时 的病 态方程组 的问题。对于
Ｃ ，个方程组中求解出 ｃ２ ＿２ ．个观测 目 标所对应的基线的傅立叶相位的未知数的 病态方 程组， 未知数个数比方程组多 ｎ １ 若预先知道这 ｎ １ 一 个， 一 个值， 则将这些 ｎ 个值代人 一Ｉ 方程组， 就可以解出其它Ｃ－ 个未知数。 ｎｉ ２ 然后用这些解出的傅立叶相位。 从条纹可见度 的 测定得到基线所对应的 振幅Ａ， 经过归一化处理， 连同用闭合相位得到待测目 标的傅立 叶 位相 ｅ就可以得到像的频谱， ； ， 对之进行傅立叶 逆变换就可得到高分辨率的像。但是由
紫 金
山 天
文
台
台 刊
２ ２卷
从两者 的模拟结果基本一致 来看 ， 我们有关 光学综 合孔径 多光束干涉 的理论是 正确 的。下一步 的工作是在上述模拟 工作 和前 述光学综 合孔径 干涉成像技 术的基础 上 ， 做成 图的研究工作 ， 最终得到可用于实际观测 的光学综合孔 径望远镜阵方案。
Ｗａｇ ｉａ Ｚｏ Ｂ－ｎ ｎ Ｈ －ｏ ｈｕ ｆ ｇ ａｔ ｉａ
（ ｔ ｎｌ ｒｎｍｉ ｌ ｅｚｔ ｉ ｏ Ｃ ￡ ， ＮａｏａＡ ｔ ｏ ｃ Ｏｂｒｎｏ ｅ ｆ 二 ｉ ｓｏ ａ ｓ ｒｓ ｈ Ｎ 勺ｉｇ ０４ ） ａ ｎ ２ ０２ １
Ｃｏｕｅ ａ ｅｈｏ ｇ ， ｃ ｅａ ｔ ｎｌ ｙ ｉ ｇ ｒ ｎｔ ｃｏ ｔ ｎｌ ｈｓｔｃｎｌ ｙ Ｕ一Ｖ ｖｒ ｅ ｈ ｏ ｇ ａｄ ａｅ ｏｓｕｔｎ ｈｏ － ｌ ｒ ｐ ｅ ｓ ｏ ｏ ｇ ｅ ｃ ｏ ｎ ｍ ｅ ｃ ｒ ｉ ｅ ｃ ｏ ｇ ａｅ ｅ ｋｙ ｈｏ ｇ ｓ ｏｔａ ａｅｔｒ ｓｎｈｓ ｉａｅ Ｉ ｉ ｒｄｃ ｔｅ ｔａ ｙ ｔｒ ｅ ｔ ｎｌ ｉ ｆ ｐｉｌ ｒ ｅ ｔｅｉ ｍ ｇ． ｎ ｏｕｅ ｈ ｏ ｉ ｌ ｒ ｈ ｅ ｅ ｃ ｏｅ ｏ ｒ ｃ ｐ ｕ ｙ ｓ ｔ ｔ ｓ ｐ ｃ ａｅ ｕｅ ｔｅｉ（ Ａ ） ｔ ｙ ｔｅ ｅ ｋｙ ｈｏ ｇ ｓ Ｏ Ｓ ｅ ｏｅ ａ ｃｎ ｐｒ ｒ ｓｎｈｓ Ｏ Ｓ ｈ ｏ ， ｔｒ ｅ ｔｃｎｌ ｉ ａｄ ｔ ｓ ｐ ａ ｙ － ｔ ｙ ｓ ｉ ｒ ｈ ｈ ｅ ｅ ｓ ｏｅ ｎ Ａ ｅ ｃ ｌ ｒ ｏ ｒ ｓ ｕｔ ｎ Ｔ ｅ ｌ一ｂａ ｔ ｃｉ ． ｍ ｔ ｅｍ一ｉｔ ｆｏｒ ｉｓ ｕａ ｄ ｃｍ ｕｅ ａｄ ｐｒ ｅｔ Ｔ ｏ ｒ ｏ ｈ ｕｉ ｎｅ ｅ ｇａ ｓ ｌｅ ｂ ｏ ｐｔｒ ｅ ｅｉ ｎ． ｒ ｒ ｍ ｉ ｔ ｙ ｍ ｎ ｘ ｍ ｗ ｒ ｕｓ ａ ｏｔ ｗ ｉ ｓｏ ｓ ｃｒｅ ａａ ｓ ． ａｗ ｓｏｌｄ ｉｔｅ ｔ ｐ ｅ ｌ ａｅ ｓｓ ｓｔ ｒ ｌ ｍ ａ ｍｅ ｃ ｈｗ ｏｒ ｒ ｔ ｌ ｅ Ｗｈｔ ｈｕ ｏ ｈ ｎｘ ｓ ｈ ｈ ｕ ｏ ｃ ｎｙ ｓ ｅ ｄ ｎ ｅ ｔ ｅ