[发明专利]基于光纤阵列的光学综合孔径成像系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及基于光纤阵列的光学综合孔径成像系统，尤其是运用光纤传输带有目标信息的光波，通过光纤延迟线校正初始光程差，使用正弦振幅型透射光栅进行相位误差提取，压电陶瓷相位调制器对大气波动及仪器动态相位误差进行补偿，是一种新型基于光纤阵列的光学综合孔径成像系统。

背景技术

根据瑞利判据得到角分辨率的表达式：θ＝1.22λ/D rad，λ为成像系统的中心波长，D为孔径的直径。在一定的波段范围内，D越大，成像系统的分辨率越高，随着孔径的增大其价格、重量和制造难度也急剧增加。对于空基系统而言口径的增大会带来发射的困难，复杂的空间环境容易使大口径变形而不能正常工作。综合孔径技术用多个小口径获得分辨率相当于大口径的图像，使整套设备趋于小型化、轻型化，在需要高分辨率成像的场合有巨大的应用潜力。光学综合孔径成像在高分辨率成像中所取得的成果显示了这种技术有广阔的发展前景。

Rogstad在1968年从原理上解决了可见光波段闭合相位的问题，使光学综合孔径高分辨率的图像重构成为可能；1985年Baldwin等提出测量光波段的闭合相位，并于1986年率先在单口径望远镜上，利用具有三个针孔的孔径掩模板观察到了闭合相位的结果。经多年的努力，英国剑桥的Cambridge Optical ApertureSynthesis Telescope(COAST)在1995年获得了简单天体目标的二维亮度分布；美国海军天文台的干涉仪Navy Prototype Optical Interferometer(NPOI)主要用于天体测量、精确定位，以及对双星、恒星表面成像。目前已在双星探测上取得了成果；随着一大批光学综合孔径望远镜干涉阵的建设和运行，如美国NASA支持的JPL大口径望远镜Keck光干涉仪，欧共体的The Very LargeTelescope Interferometer(VLTI)，光综合孔径成像技术已经显示了在高分辨率成像中存在的巨大发展潜力。当前小卫星正在以其“小而精、低投入、运用灵活”等诸多优点迅速发展，美国麻省理工学院(MIT)空间系统实验室于20世纪90年代后期提出的分布式小卫星DSS(Distributed Small Satellite)系统，携带分离的望远镜来合成等效的大孔径望远镜，实现高分辨率的可见光对地成像。

光综合孔径技术是实现高分辨率观测的一个高新技术领域，这一技术难点有以下几个方面：(1)多个孔径光束合成相干系统复杂。光学综合孔径光束组合器用于将多束光合成干涉，随着孔径的增多系统复杂度越大，成本越高。(2)光路光程补偿精度要求高。各个光路的光程差要精确控制，如果传输中光程误差较大后端成像就会失真。(3)光路偏振态控制难度大。在光束合成时经过多个光学器件容易使入射光束偏振态发生变化，引起后端干涉图像不稳定。(4)易受振动的影响。振动会使综合孔径光学器件发生位置偏移引起光程误差。

发明内容

由于传统的光学综合孔径技术存在着诸多难点，本发明用光纤传输卡塞格林望远镜接收到的目标辐射光波，用光纤阵列实现综合孔径光束组合器，光纤延迟线和压电陶瓷相位调制器精确的补偿光路误差，采用单模保偏光纤控制光路的偏振态，可以得到目标高质量的图像。

本发明是传统光学综合孔径技术的改进和提高，采用如下技术方案：

卡塞格林望远镜系统接收携带目标信息的辐射光波，光波经过耦合透镜耦合到单模保偏光纤中传输，单模保偏光纤保持传输中偏振态信息不变。通过光纤准直器对光纤的出光进行扩束准直，光纤准直器组成的阵列与卡塞格林望远镜组成的阵列是缩比阵列。光纤准直器阵列出光经过窄带滤波片，正弦振幅型透射光栅和聚焦透镜后相干成像，用CCD进行图像采集，图像处理系统对图像处理提取出观测目标图像和大气波动及仪器产生的相位误差，通过压电陶瓷相位调制器进行相位误差补偿，提高成像质量。系统工作前需要通过光纤延迟线进行初始校准，校正系统中各个光路的光程差。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)望远镜阵列：卡塞格林望远镜组成综合孔径阵列系统，卡塞格林望远镜的主镜和副镜均镀有金属铝膜，尽量减小望远镜接收系统对目标散射光偏振特性的影响。阵列优化要求最佳空间频率覆盖，并且在阵列中添加冗余基线用于校正光路由于大气波动和仪器所引起的相位误差。