【摘要】：光學合成孔徑(Optical Synthetic Aperture,OSA)是目前最有希望實現(xiàn)高分辨率天文觀測及GEO高分辨率對地成像的技術(shù)手段之一,它以一定方式對多個子孔徑進行優(yōu)化排列,在相關(guān)子鏡滿足共相位的條件下,完成合成孔徑干涉成像,從而達到等效單個大口徑光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。本文針對目前光學合成孔徑系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題,對系統(tǒng)中二維光瞳陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化、相位誤差理論及評價函數(shù)、復(fù)雜光瞳及復(fù)色光的相位誤差成像性能分析、圖像式共相算法及相關(guān)的實驗驗證等方面開展了研究工作。首先,在二維光瞳陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,提出了一類高截止頻率的新型多圓周陣列(IMCA陣列)。在設(shè)定幾何填充因子的前提下,采用遺傳算法,以最大化MTF實際截止頻率為適應(yīng)度函數(shù),對二維合成孔徑多同心圓周陣列中,不同圓周上子鏡尺寸及數(shù)目、各圓周之間的間隔及相對旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)進行了優(yōu)化計算。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)Golay陣列、多圓周陣列等二維OSA陣列相比,這種新型非均勻多圓周陣列的實際截止頻率最高,且MTF覆蓋區(qū)域比較均勻,具有良好的中高頻特性,成像質(zhì)量近似于單個環(huán)狀光瞳結(jié)構(gòu),為新型合成孔徑高分辨探測的二維光瞳優(yōu)化排列提供了一種可行的技術(shù)路線。其次,在相位誤差理論及評價函數(shù)方面,建立了適用于任意OSA光瞳結(jié)構(gòu)型式的通用相位誤差分析模型,基于傅里葉光學理論推導(dǎo)出了單色光OSA陣列中各子孔徑的相位誤差與系統(tǒng)MTF、PSF和SR之間的數(shù)學解析表達式,與相位誤差階數(shù)、子鏡的形狀、大小及排列方式無關(guān),并進而討論了相位誤差冪級數(shù)和澤尼克多項式表達式之間的區(qū)別和聯(lián)系,為后續(xù)相位誤差敏感度分析做準備。然后,在不同的子鏡中心遮攔比、不同形狀的子鏡次鏡支撐柱等情況下,深入研究了piston誤差、tilt誤差等低階相位誤差及三階相位像差對不同光瞳結(jié)構(gòu)OSA系統(tǒng)的SR的影響,得到了相應(yīng)的相位誤差敏感度列表及變化情況。結(jié)果表明,piston誤差是最敏感的誤差,離焦誤差在IMCA-6-Cd陣列中變得比tilt誤差更敏感,而OSA系統(tǒng)存在遮攔時彗差敏感度變化量最大,這些結(jié)論為OSA系統(tǒng)共相指明方向;同時,將入射波長進行粗略離散化時,復(fù)色光雙子鏡SR隨各階相位誤差變化的函數(shù)關(guān)系變得更為平滑;此外,在piston誤差基本在相干長度范圍內(nèi)變化的情況下,還詳細討論了復(fù)色光雙子鏡陣列的MTF、PSF與單色光入射的不同之處。再次,在利用MTF次峰高度對piston誤差進行探測的基礎(chǔ)上,結(jié)合入射光寬帶光譜分布改進了兩者的數(shù)學關(guān)系式,提出了采用不同帶寬及光譜分布的光源組合并結(jié)合MTF次峰高度進行探測的方法,能夠?qū)崿F(xiàn)OSA系統(tǒng)中piston誤差的寬范圍(數(shù)十倍甚至數(shù)百倍波長)及高精度探測。在理想情況下,在雙子鏡系統(tǒng)中,采用實測得到的不同帶寬的LED光源光譜分布進行了半物理仿真計算。利用MATLAB軟件對入射波長進行精細離散化(帶寬內(nèi),波長采樣個數(shù)均超過100個),揭示了光源帶寬(相干長度)與圖像式piston誤差探測范圍及精度的高度相關(guān)性。在復(fù)雜光瞳結(jié)構(gòu)中,對上述基于MTF次峰高度進行piston誤差探測的原理、方法和限制條件進行了研究。最后,開展了光學合成孔徑系統(tǒng)新型多圓周陣列及共相算法的實驗驗證。采取共用次鏡的實驗方法,結(jié)合四種不同顏色和帶寬的光源,獲得了不同填充因子下,雙子鏡陣列和新型多圓周陣列對應(yīng)的二維PSF圖像,與MATLAB及ZEMAX仿真結(jié)果基本一致;采用雙液晶延遲器在雙子鏡系統(tǒng)中產(chǎn)生固定的piston誤差作為基準,開展了多倍波長范圍內(nèi),piston誤差與MTF次峰高度關(guān)系的原理驗證實驗。實驗結(jié)果表明,多倍波長范圍內(nèi),實際雙子鏡系統(tǒng)的piston誤差與MTF次峰高度存在一一對應(yīng)關(guān)系,可結(jié)合具體系統(tǒng)建立確定的數(shù)學關(guān)系。
【圖文】：

第 1 章 緒 論能在接近絕對零度的環(huán)境中運行。JWST項目研制過程涉及了子鏡形狀、子鏡攔等問題對系統(tǒng)共相的影響研究，多子鏡共相技術(shù)包含展開初期的子鏡粗共技術(shù)（tilt誤差的共相技術(shù)、piston誤差的傳感和共相）和后期的精共相技術(shù)（于多個離焦位置的新型PR算法），都成為研究OSA系統(tǒng)共相的技術(shù)支撐。

望遠鏡光路圖、在軌示意圖及其主鏡尺寸與哈勃th, on-orbit schematic, and the primary mirror of JWHubble Telescope示，國內(nèi)的郭守敬望遠鏡（Large SkyArea scope, LAMOST）建成于 2009 年，是兼具大鏡[37,38]。LAMOST光學系統(tǒng)有效通光口徑特結(jié)構(gòu)型式。其中，施密特校正反射鏡MA六邊形子鏡拼接組成；球面主鏡MB，由 37學系統(tǒng)焦面上等距排列了 4000 根光纖，將臺光譜儀中，是世界上天體光譜獲取率最作為國內(nèi)地基拼接望遠系統(tǒng)，，推動了國內(nèi)
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH74

【參考文獻】

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1 楊自興;李智;;空間目標天基光學成像觀測現(xiàn)狀研究[J];國外電子測量技術(shù);2015年10期

2 魏小峰;耿則勛;徐志軍;盧蘭鑫;;光學合成孔徑一維旋轉(zhuǎn)陣列多幀成像優(yōu)化方法[J];光電子·激光;2015年04期

3 陶家生;孫治國;孫英華;陶灼;胡長華;;靜止軌道高分辨率光學遙感探索[J];光電工程;2012年06期

4 劉政;王勝千;黃林海;饒長輝;;相位平移誤差與子孔徑自身像差對稀疏光學合成孔徑系統(tǒng)成像質(zhì)量的綜合影響分析[J];物理學報;2011年10期

5 梁士通;楊建峰;李湘眷;白瑜;王洪偉;;一種新型稀疏孔徑結(jié)構(gòu)的研究[J];光子學報;2010年01期

6 于前洋;曲宏松;;實現(xiàn)同步軌道(GEO)高分辨力對地觀測的技術(shù)途徑(上)[J];中國光學與應(yīng)用光學;2008年Z1期

7 王勝千;饒長輝;姜文漢;朱能鴻;;四子孔徑光學合成孔徑成像系統(tǒng)空間排布性能分析[J];光學學報;2008年04期

8 易紅偉;李英才;樊超;;稀疏孔徑等邊六孔徑結(jié)構(gòu)研究[J];光子學報;2007年11期

9 何云濤;江月松;劉廣達;;基于遺傳算法的光綜合孔徑圓周陣優(yōu)化[J];光學學報;2007年09期

10 何云濤;江月松;陳海亭;;二維圓周綜合孔徑陣列優(yōu)化及其毫米波成像特性研究[J];遙感學報;2007年01期

本文編號：2607419