30m环形干涉望远镜

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

30m 环形干涉望远镜Ξ

刘忠,金振宇,林京,李焱,许骏

(中国科学院国家天文台云南天文台,云南昆明650011.

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摘要:简要介绍了云南天文台对下一代地面大型天文光学望远镜进行的初步

研究,依据这些研究结果我们提出研制一个新概念的大型地面望远镜:30m 环形干涉望远镜(Ringy Interferometric T elescope ),它既有单口径望远镜那样的直接成像能力和分辨率,又可以进行综合孔径模式的高分辨率成像,该计划显著地不同于经典的地面大型望远镜,对其中关键技术的研究正在积极进行之中。

关键词:干涉成像;望远镜;环形孔径;高分辨率成像

中图分类号:P 111.2 文献标识码:A 文章编号:1672-7673(2006)01-0064-09

为满足地外行星探索、黑洞探测以及其它在近红外波段和光学波段的极限天文观测的需求,30m 以上口径的巨型光学(近红外)望远镜已经成为大型地面天文光学计划的首选[1,2]。目前,干涉成像理论日趋成熟,新一代地面大型天文望远镜和综合孔径成像干涉阵列之间的界线正趋于模糊,两者之间仅仅具有的技术手段的区别也正在逐渐消失。

基于最近两年云南天文台南方基地对环形孔径以及环形排列的稀疏孔径干涉阵列的研究结果,我们建议建造一架直径约为30m ,有效环宽1m 的光学环形干涉望远镜,这架望远镜的结构显著不同于国际上流行的E LT 方案(例如欧洲的EROU50和美国G MT ),由于环形孔径所具有的全空间频率覆盖特性以及其它一些特点,这架望远镜所拍摄的图像经过简单处理后可以达到30m 全孔径望远镜同样的分辨本领,其极限分辨率(FWH M )可达到0.003″,等效面积相当于10m 望远镜,由于结构相对简单,建造这样的30m 干涉望远镜所需经费不会显著超出建造一架10m 拼接镜面望远镜所需的经费。

其实,对下一代地基巨型天文望远镜(E LT )成像行为的研究都更多地基于干涉成像理论,可以将全孔径的拼接镜面看作是一个空间频率高度冗余的干涉阵列。同理,将望远镜的主镜设计为一个封闭的圆环的概念与将光学综合孔径系统(光学成像干涉阵)设计为一个环形排列[3]是等价的,这就是将环形望远镜称为干涉望远镜的原因,这样的概念在射电综合孔径成像系统中有过,典型例子是俄罗斯的RAT AN600[4],这是一架600m 直径的厘米波环形射电望远镜,有效环宽3m 左右。在仔细研究了环形的衍射和干涉成像特性,并在云南天文台1m 望远镜进行了有关试验后,这个方案的可行性得到了

V ol.3　N o 11Mar.,2006

天文研究与技术(国家天文台台刊)ASTRONOMIC A L RESE ARCH &TECH NO LOGY 第3卷　第1期2006年3月Ξ收稿日期:2006-01-05;修订日期:2006-01-09

作者简介:刘忠,男,研究员,研究方向:天文仪器和方法

初步的验证。

1　干涉成像原理和环形孔径的光学特性

文献[5]和文献[6]的作者最早使用干涉技术来测量天文目标的某些几何特征,他们所使用的方法是通过检测干涉条纹的视见度函数来获知光源(待测天文目标)的几何特征,严格地说,这并不能算是干涉成像,因为所用方法仅能测量目标的小部分空间频率(而且无法标定相位),但这可看作是对干涉成像的最早的探索和试验。G oodman 对干涉成像理论的描述是这样的:”成像系统的出瞳可看作由大量(虚拟的)针孔并排组成,而观察到的像强度分布可看作是由所有可能的这种针孔对所产生的大量正弦条纹构成”,同时他从频域导出了与傅立叶光学的夫朗和费衍射成像公式完全相同的结果[7],我们在考虑了天文干涉成像的特点后,也直接从空域[8]导出了相同的结果:

PSF (x )=∫∞-∞ΓP (νλf )・exp (2πj νx )d ν.(1)

其中x 是天文图像的二维坐标变量,ν是傅立叶频域的二维坐标变量,f 是系统的等效

焦长,PSF (x )为天文望远镜理想成像的点扩展函数,ΓP (νλf )是光瞳函数的自相关。傅

立叶光学对(1)式的解释为:望远镜的点扩展函数是光瞳函数自相关的傅立叶逆变换。而干涉成像理论对(1)式的解释为:望远镜点扩展函数是由光瞳上所有可能的针孔对所产生的正弦条纹构成。公式(1)还隐含了一个关于完备成像的条件:如果要获得包含所有空间频率的完备的点扩展函数,光瞳函数的自相关在有效的区域(零频到最高频率)内处处不能为零

。

图1　环形孔径可以完备覆盖小于其直径的所有空间频率。左图显示了环形孔径可覆盖所有空间频

率对应的基线,右图显示了环形光瞳自相关函数(重叠处面积)处处不为零

Fig.1　The ringy aperture can cover all the spatial frequencies smaller than the aperture diameter.The left

panel shows the baselines corresponding to the spatial frequencies the ringy aperture can cover and

the right panel shows the auto -correlation function of the ringy aperture (superposed area )is not

zero every where

图1显示了封闭的环形孔径所具有的完备成像特性:只要环形孔径具有有限的环宽,则其可完备覆盖外圆所包含的所有空间频率。为了更好地研究环形孔径的光学特

561期 刘忠等:30m 环形干涉望远镜

性,定义一个圆环的宽度与其外圆半径的比为:

WRR =W/R.

(2)(2)式中,WRR 称为圆环的宽径比(Width to Radius Ratio ),W 是圆环的有效宽度,R 是圆环的有效外半径。WRR 为1时,表示孔径为一个圆形全孔径。环形孔径的填充因子a 可以用WRR 表述为

a =2WRR -WRR 2.

(3) 易于推知环形孔径完备成像特性的一个重要推论:封闭的环形孔径(排布),即使填充因子非常小,只要其有效宽度还可度量,则其仍然满足完备成像条件。换言之,在填充因子非常小的情况下,环形孔径仍能覆盖其外圆所包含的所有空间频率。这是封闭的环形孔径显著不同于其它稀疏孔径排布方案的一个特点。完备成像特性是环形孔径最,这也正是环形孔径理论上可以达到与其外圆直径相同的全孔径衍射极限分辨率的本质原因

。

图2　环形孔径与圆形孔径的归一化调制传递函数的比较示意图

Fig.2　C om paris on sketch map of normalized m odulation trans fer function

between the ringy aperture and the full circular aperture

环形孔径的归一化调制传递函数(MTF )的形状可由圆环的宽径比(WRR )唯一确定,由图2可知,WRR 为0.06的环形孔径,其截止频率约为具有相同聚光面积的圆形全孔径的3倍。环形孔径调制传递函数的中频部分显示出较平坦的特性,但在其高频端出现一个明显的突起,我们经过数值模拟和解析计算发现,当WRR 小于0.54时,环形孔径的调制传递函数开始出现上述中频平坦、高频上翘的特征,此时可称这个圆环为一个典型的光学环,虽然绝大多数天文望远镜由于副镜遮拦也会形成环形孔径,但因WRR 显著大于0.54的缘故,使用经典的圆形孔径调制传递函数模型和点扩展函数(PSF )的艾里斑描述方式仍然是可靠的。

当WRR 小于0.54时,环形孔径的点扩展函数显示出明显不同于圆形孔径的特点(图3),不宜简单地直接采用艾里斑及其与之相关的形式来描述系统的成像行为,例如直接使用瑞利判据和集能度等概念。事实上,由于环形孔径具备完备成像的特性,其PSF 与外径相同的圆形全孔径的PSF 之间可进行完全可逆的相互转换,例如:它们之间的离散变换可通过卷积(逆卷积)一个所有元素均不为零的常系数矩阵来实现,这个矩

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