[发明专利]用于系外行星探测的合成孔径光学成像试验系统

说明书

本发明公开了一种用于系外行星探测的光学合成孔径成像试验系统，包括：恒星‑行星光源模拟器输出具有一定角度差异、亮度不同的两束平行光；可控孔径阵列包括多个单独控制的子孔径；聚焦成像模块汇聚可控孔径阵列输出的光信号，并发送至显微成像模块；显微成像模块产生并放大干涉条纹信号，并发送至数据处理模块；数据处理模块记录干涉条纹，并控制可控孔径阵列执行下一次子孔径组合的通与断，以模拟基线变化，当基线变化足够进行成像的UV覆盖后，根据记录的干涉条纹进行成像解算。本发明利用可控孔径阵列引入等效的子孔径空间运动，有效降低了系统模拟的复杂度和成本，同时避免了多镜系统中因面型差异引入的额外误差。

技术领域

本发明属于稀疏孔径光学成像技术领域，涉及一种用于系外行星探测的光学合成孔径成像试验系统，用于地面试验。

背景技术

寻找地球以外适合人类生存的环境一直是人类的梦想，太阳系以外是否有生命存在一直是人类感兴趣的课题。1995年，瑞士日内瓦系外行星探测小组的Mayor和Queloz在类日恒星（飞马座51）附近发现了第一颗木星质量量级的行星，这个重大发现揭开了人类搜索系外行星的序幕。随着系外行星的大量发现，系外行星的探测和理论研究已成为国际天文学的热点领域之一。

系外行星探测方法分为间接探测和直接成像。系外行星间接探测方法主要有多普勒视向速度法、凌星法、微引力透镜法、环恒星尘埃盘法、天体测量法、脉冲星计时法。间接探测方法无法获取行星光子，更无法对行星大气进行光谱分析，因此难以对行星上是否存在生命信号做出判断。太阳系外行星直接成像技术（即直接探测来自行星的光子），将有望最终实现对类地行星的探测，同时能够准确观测到该行星的位置而不存在视向角的问题（即能准确获知行星轨道半径及质量等信息），且进一步对拍摄到的系外行星进行光谱分析，可获知该行星组成、表面温度甚至其上是否存在生命信号等重要信息。

在直接成像中，为了提高成像系统的角分辨率，一般是通过增加系统孔径，然而系统孔径的增加会受到加工工艺的制约，同时制造成本也会大幅增加，系统加工成本与孔径的 2.76 次方成正比，而且受到飞行器有效载荷舱体积和发射质量的限制，系统孔径也不可能无限制地扩大，这使得对系外行星直接成像受到制约。为了克服上述矛盾，光学合成孔径成像技术被提了出来，该技术采用多个小孔径光学系统获得高分辨率成像效果，小口径光学系统可以是单独的镜片，也可以是独立的光学系统。通过改变子孔径的排布结构，可以灵活控制光学合成孔径成像系统的光学传递函数，该方法已成为系外行星探测最具发展潜力的技术方向之一。

目前，涉及光学合成孔径成像试验系统采用计算机仿真或静止理想成像仿真。计算机仿真是利用干涉成像的数学模型，进行仿真计算，这种方法仅仅能够验证成像理论与方法，静止理想成像仿真是利用预置的掩模板模拟成像中的子孔径，从光源发出的光束经过掩模板上的子孔径，在聚焦望远镜像面处相干涉，产生干涉条纹花样，再经显微镜镜头放大后被CCD相机所接收，模拟在理想情况下的点扩散函数强度分布图。这种实验系统不考虑运动的情况，无法研究基线的改变对成像的影响。

合成孔径光学干涉成像面临两个最主要的需求：

（1）实验系统的设计必须考虑干涉成像方法验证的需求。从光学综合孔径干涉成像原理出发，光学综合孔径干涉成像技术涉及闭合相位技术、UV覆盖技术和图像重构技术三大关键技术，地面实验系统设计必须为这些关键技术的验证提供实验平台。实际观测中，基于卫星避撞设计的需要和观测时间的考虑，空间干涉成像时，子望远镜的口径和要实现的衍射极限分辨率所对应的口径相比，必然差别很大，稀疏度很大的光学综合孔径系统，由于UV覆盖不全，系统不可避免地对相应的空间频率在采样时出现缺失，因此，为了能够对子镜构型设计提供验证平台，设计地面实验系统时，必须考虑子镜运动的情形。