一种可变阵的光学合成孔径成像系统

本发明涉及天文观测，尤其涉及一种可变阵的光学合成孔径成像系统。

背景技术：

1、根据衍射极限公式，望远镜的空间分辨率受到光波长和光学系统的孔径的限制。随着对光学系统空间分辨要求的不断提高，需要对于在一定波段下工作的光学系统不断加大其孔径以提高空间分辨率。但实际应用中由于种种因素的限制，例如制造材料、制造技术、机械结构、火箭运载体积和重量等，使得单孔径系统孔径的增加变得极为困难。空间分布式合成孔径技术为提高光学成像系统空间分辨率提供了新的路径。相较于单孔径望远镜，空间分布式合成孔径采用望远镜阵列的方法实现对单一大口径望远镜空间分辨率的等效，突破单孔径望远镜由于孔径尺寸的限制导致的衍射极限限制，满足系外类地行星探测、太阳观测、对地物体观测等的高分辨率需求。通过改变子孔径的基线，即子孔径光轴的中心距，可以实现更好的uv覆盖。uv覆盖简单地说就是该光干涉仪阵对观测源在光学波段上的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。改善空间频率覆盖，在给定子孔径数目的情况下，可改变子孔径阵的基线长度，就可以得到不同的频率采样值。‌

2、现有方法和手段如下：

3、1、欧洲南方天文台建设在智利的甚大望远镜very large telescope( vlt)由4个直径8.2m的主镜和4个口径1.8m的可移动的辅镜组成，这些望远镜可以单独工作也可以2个或3个一起工作，形成一个巨大的干涉阵列，来自不同望远镜的光束经地下隧道组合在一起，基线可以达到200m，角分辨力为0.001″，为单个望远镜独立工作时的 25 倍。

4、2、美国亚利桑那大学建设在格拉汉姆山上的大双筒望远镜large binoculartelescope（lbt），两台口径8.4米的双筒望远镜固定在同一机架上的，等效口径11.8米，lbt最大角分辨率相当于一台口径为22.8米的望远镜，无变基线功能。

5、3、美国航空航天局建立的宽视场成像干涉测量装置(wiit)，为spirit（红外）、specs（亚毫米波）、tpf-i等空间干涉仪项目验证宽视场干涉成像算法，建立并验证系统模型，两个子望远镜安装一个线性气浮位移台的两端，每个子望远镜口径25mm，两个子望远镜的基线在25mm到250mm之间可变，通过基线调整、靶标（模拟观测目标）和探测器同步旋转实现uv覆盖。

6、4、中国科学院长春光学机密机械与物理研究所对golay-3阵列合成孔径望远镜系统进行光学设计，增大系统视场，以便对高速移动目标进行捕获与跟踪，而采用模块化设计利于子孔径阵列扩展。设计选择的子孔径阵列为最简单的golay-3阵列，填充因子f=0.44。将系统分成3个子系统并分别进行光学设计后，将各个子系统组合并对总系统的像质进行分析。

7、5、中国科学院国家天文台设计并建造了一个斐索成像干涉仪试验装置（fiit），该试验装置主要由用于模拟无限物体的光源模块、golay-3分布（等边三角形）的三个孔径100mm的子望远镜、三个偏摆/俯仰校正模块和光程延迟模块以及用于相位成像的三个探测望远镜和一个光束合成望远镜组成，在实验室实现了宽带白光（400-700nm）相位成像，无变基线功能。

8、6、南京航空航天大学的王海涛，朱永凯，蔡佳慧，张雅静，田贵云进行了光学综合孔径望远镜的uv覆盖和孔径排列的研究。通过四个子孔径作为一个整体组成的瞳面旋转的办法来增加uv覆盖，四个子孔径到旋转中心的距离不等，故四个子孔径旋转的路径组成了四个半径不同的同心圆。

9、7、北京航空航天大学的王长伟,江月松,何云涛,刘丽,姜英才提出了一种新型的基于光纤阵列的光学综合孔径成像系统，该发明通过卡塞格林望远镜阵列接收目标辐射的光波，光波耦合到单模保偏光纤中传输，利用光纤准直器阵列使光束相干成像，通过压电陶瓷相位调制器及光纤延迟线进行相位误差补偿，无变基线功能。

10、8、中国科学院西安光学精密机械研究所的梁士通,杨建峰,薛彬,阮萍提出了一种大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，该系统的子望远镜有两个，每个无焦子望远镜均由沿光入射方向依次设置的rc系统，设计了两个结构相同的小孔径系统，无变基线功能。

11、现有技术的缺点：

12、（1）目前国内外现有的和提出的光学合成孔径成像系统大多仅进行了理论分析和软件仿真，少部分科研单元对个别方法进行了实验验证，单纯的理论分析和软件仿真不能完全模拟真实的工作场景和各种复杂的误差情况，对提出的合成孔径成像系统的可行性和准确性验证有限。

13、（2）目前国内外现有光学合成孔径成像系统多使用基线不可调节的静态方法，子孔径不能进行高精度基线变化和模拟观测目标及探测器的同步旋转或观测设备的整体旋转，不能实现更好的uv覆盖，从而获取不同的空间频率信息较少，观测效果不佳。

14、（3）目前国内外现有的或提出的可变基线的光学合成孔径成像系统中子孔径数量较少，多为2个，为了实现更好的uv覆盖，子孔径变基线次数和模拟观测目标及探测器的旋转次数较多，观测效率低、时间长，图像合成量大、完整的一次观测周期内环境波动会导致合成的图像精度低。

15、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可变阵的光学合成孔径成像系统，4个结构和参数相同子孔径分布在2个倾斜放置的高精度线性位移台上，每个线性位移台上各放置2个子孔径。4个相同折转镜分布在另外2个倾斜放置的高精度线性位移台上，每个线性位移台上各放置2个折转镜，经过4个子孔径缩束后的光束射入2个折转镜上，经过折转镜后的光进入合光望远镜中进行成像。平行光管焦面处放置可旋转的靶标，通过子孔径和折转镜的变基线运动、靶标旋转、观测图像的旋转重构实现光学合成孔径成像系统更好的uv覆盖。与现有的方法相比，该方法增加了子孔径数量、增加子孔径基线高精度调节功能，增加缩束光路基线高精度调节功能，同时配有靶标的同步旋转功能，可以实现更好的uv覆盖，获得更完整的空间频率信息，缩短观测时间，观测效果大幅提高。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种可变阵的光学合成孔径成像系统，包括：靶标、高精度转台、平行光管、大行程倾斜花岗岩底座、大行程直线气浮导轨、子孔径支撑结构、子孔径、大行程直线气浮导轨质量平衡装置、小行程倾斜花岗岩底座、小行程直线气浮导轨、折转镜支撑结构、折转镜、小行程直线气浮导轨质量平衡装置、分光镜、合光望远镜以及成像相机；其中，所述靶标安装在所述高精度转台的中心孔内位于平行光管的焦面处，所述成像相机安装在所述合光望远镜焦面处，高精度转台带动靶标旋转，成像相机采集经过光学系统后的图像；

4、所述平行光管为包含一个主镜、一个副镜和一个折转镜的反射式离轴系统，用于将光源产生的光变成直径1米的平行光射出；

5、所述子孔径通过支撑结构安装在2个大行程高精度直线气浮导轨上，每个气浮导轨含2个滑套，每个滑套上安装1个子孔径及其支撑结构；大行程高精度直线气浮导轨倾斜放置在大行程倾斜花岗岩底座上；

6、所述折转镜为平面反射镜，通过折转镜支撑结构安装在2个小行程直线气浮导轨上，每个气浮导轨含2个滑套，每个滑套上安装1个折转镜及其支撑结构；小行程直线气浮导轨倾斜放置在小行程倾斜花岗岩底座上；

7、所述分光镜安装在大、小x变阵机构之间，将经过子孔径缩束后的光折转一部分进入合光望远镜中。

8、进一步，所述子孔径为双抛物面离轴无焦系统，通过孔径80mm，角放大倍率5。

9、进一步，所述大行程直线气浮导轨和小行程直线气浮导轨结构形式和组成一致，包括花岗岩导轨、花岗岩滑套、直线电机、光栅尺反馈模块、光电开关以及缓冲装置。

10、进一步，配合所述花岗岩滑套设置有质量平衡装置，所述质量平衡装置同步带、定滑轮和配重锤组成；所述同步带与花岗岩滑套连接，经过定滑轮后与配重块固定，花岗岩滑套在花岗岩导轨上运动时，配重块上下移动，实时平衡花岗岩滑套及其上负载沿运动方向上的重力分量。

11、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

12、本发明增加了子孔径数量、增加子孔径基线高精度调节功能，增加缩束光路基线高精度调节功能，同时配有靶标的同步旋转功能，可以实现更好的uv覆盖，获得更完整的空间频率信息，缩短观测时间，观测效果大幅提高。