[发明专利]空间目标白天高分辨率光电成像探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间目标白天高分辨率光电成像探测系统，可应用于口径1m及其以上地基大型光电望远系统的高分辨率成像输出终端，属于空间目标光电探测与识别技术领域。

背景技术

地基光电望远镜的高分辨率成像技术可以实现对空间目标等目标的监视和详查，对于空间目标的态势感知具有重要意义。然而，地基大口径望远镜因受大气扰动的限制，其分辨率无法达到衍射极限。如一台口径为5m的望远镜，若在一般平原地区工作，因受大气湍流的影响，其分辨率并不比口径为0.1～0.2m口径的望远镜高。尤其在白天，由于太阳光照射造成的近地面大气湍流比较强，加之白天高亮度天空背景与杂散光，使得空间目标在白天高分辨率成像受到大气的污染更加严重。自适应光学是克服大气扰动成像的一种有效手段，但其在白天难于找到用于波前探测的参考源。大约75％的空间目标分布在高度200～1500km的中低轨道上运行，由于地球的遮挡，只有晨昏时刻和白天，空间目标被太阳光照亮时才能通过光电设备进行探测，还有一些特殊的空间目标只在白天通过，一些感兴趣的空间目标可能需要几周才能在昼夜分界处出现。目前国内外的地基空间目标光电成像系统一般都选择在昼夜分界或者大气视宁度较好的夜晚工作，每天从可见光到近红外波段有效观测时间仅3～4h，严重制约地基光电成像终端的观测效率。

因此，空间目标的白天高分辨率成像技术是未来全天时空间目标探测与监视识别领域中的关键技术。短曝光能冻结大气扰动，保留目标的高频信息。近年，美国的某些地基光电望远镜采用基于单相机的短曝光散斑成像方法，在空间目标白天外场成像实验中取得较好的效果，但其专门开发的相机具有高帧频和高动态范围特性，国内较难得到。中国专利200610112434.6公开了一种适合于白天工作的高分辨力成像望远镜，主要基于近红外哈特曼波前探测器和能动光学器件变形镜等的自适应光学系统来实现白天高分辨率成像，该系统结构复杂。

位相差异散斑法的核心思想是在成像系统的焦面和离焦面上同时采集一对或者多对短曝光图像，在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标。位相差异散斑法已成功的应用于太阳观测领域，获得了高分辨率的太阳表面组织图像。

发明内容

为了解决现有成像技术分辨率无法达到衍射极限，空间目标在白天高分辨率成像受到大气的污染严重，地基光电成像终端的观测效率低以及系统结构复杂等问题，本发明的目的就在于提供一种空间目标白天高分辨率光电成像探测系统，该系统基于位相差异散斑法，特别适合于白天时段空间目标跟踪、探测及高分辨率成像，可有效抑制白天高亮度天空背景与杂散光，克服强湍流大气扰动对高分辨率成像的影响。

本发明解决技术问题的技术方案是，空间目标白天高分辨率光电成像探测系统，该系统包括光学系统和位相差异高分辨率图像处理单元两部分，所述的光学系统包括主镜、次镜、三镜、视场光阑、折转反射镜、准直镜组、快反镜、里奥光阑、分色片、精跟踪成像镜组、精跟踪探测器、变焦距镜组、分光棱镜、在焦探测器以及离焦探测器；

目标光束依次经过主镜、次镜以及三镜，到达视场光阑后，再经折转反射镜进入准直镜组，经过快反镜，到达里奥光阑，到达里奥光阑的光经分色片分成两束光束，一束透射进入精跟踪成像镜组，最后进入精跟踪探测器；另一束光经分色片反射到达变焦距镜组，进入分光棱镜，从分光棱镜反射的光进入离焦探测器，从分光棱镜透射的光进入在焦探测器，在焦探测器与离焦探测器同时采集目标光束在焦面和离焦面的图像数据，位相差异高分辨率图像处理单元在基于位相差异散斑法的基础上，对所采集目标光束图像数据进行处理，最终恢复受白天强湍流大气污染的空间目标图像和解算波前相位分布。

本发明的有益效果为：本发明基于地基大口径望远镜的大气湍流成像理论，将光学设计与位相差异散斑法有机融合起来，解决困扰白天空间目标高分辨率成像受到大气的污染严重，地基光电成像终端的观测效率低等问题。光学系统的设计起到白天捕获、探测空间目标的作用，并具有消强杂散光与抑制高亮度天空背景的特性，且满足后端位相差异高分辨率图像处理单元的光学特性要求。在单相机短曝光散斑成像方法的基础上，增加已知离焦量的相位差异成像通道，双通道的使用改善了反演问题的病态性，多帧短曝光图像的使用增加噪声抑制能力和提高恢复空间目标图像的信噪比。该系统结构简单，设计及生产成本低，维护费用低廉以及探测能力强等优势。

附图说明

图1为空间目标白天高分辨率成像探测系统原理示意图。

图2为相位差异高分辨率图像处理单元示意图。