基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法研究

镜面拼接是一种提高望远镜分辨率的有效方法,拼接子镜间的相位平移误差是影响拼接望远镜成像质量的重要因素.针对当前拼接望远镜中的共相问题,提出了色散干涉图像峰值比值为评价函数的共相零位标定方法.以两个子镜为研究对象,对该共相零位标定方法进行了仿真验证,并搭建了两孔径共相零位标定实验平台,验证了基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法的可行性.实验结果表明,该方法不受2π模糊性问题影响,可在几百微米共相误差范围内以10 nm左右精度对共相零位进行标定,解决了现有标定方法动态范围受限的问题.     

一种基于远场图像的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法的仿真研究

稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了 相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度 的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现 对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.     

四棱锥传感器在空间光干涉望远镜共相中的应用

针对空间光干涉望远镜提出了一种基于四棱锥波前传感器的相位平移误差检测与闭环校正方法.该方法依次在三种不同波长条件下,用四棱锥传感器检测两两子镜间的平移误差,并依据实时测量结果控制子镜产生相应的校正平移量,直到将平移误差校正到所用半波长的整数倍,而后根据已知的波长数据和子镜平移量数据计算得到真实的平移误差,进而对平移误差进行闭环校正.以两个子镜构成的空间望远镜为研究对象,对该检测与闭环校正方法进行了仿真验证.仿真结果表明,该方法可在500μm范围内对相位平移误差进行准确闭环校正,具有纳米级的精度与良好的重复性.     

基于光强迭代的单幅干涉图相位提取方法

提出了一种基于光强迭代的单幅干涉图相位提取方法,实现了对单幅干涉条纹图的高精度相位提取。首先通过对原始干涉图进行预处理得到初始相位;将初始相位引入到干涉条纹图的强度表达式中,利用最小二乘法初步得到背景光和调制光;再将初步估计的背景光和调制光代入最初干涉图的强度表达式中以求解待测相位,比较得到的待测相位和初始相位,若不满足迭代精度要求,则重复上述相位求解过程并实现迭代,若求解的相位与初始相位的均方根差值满足收敛条件,则停止迭代。进行仿真和实验研究,得到的Φ100 mm口径平面元件的测量提取结果与实际相位一致。结果表明,该方法在具有较高检测精度的同时能够有效地保证算法的稳定性。     

空间拼接主镜望远镜共相位检测方法

总结了常用的共相位检测方法,分析了各种方法的特点及其用于空间望远镜在轨检测的适用性.提出了一种新的基于色散瑞利干涉原理的共相位误差检测方法和相应的干涉条纹数据处理方法--二维色散条纹分析法.介绍了色散瑞利干涉法的基本原理,给出了其检测拼接主镜望远镜共相位误差的光路图.为验证所提出的方法,搭建了一套色散瑞利干涉仪检测共相位误差的实验验证装置.初步的实验结果表明所搭建的色散瑞利干涉实验装置的量程叮达到200μm,多次测量值的均方根误差(重复性)优于2 nm,共相位误差δ≤1 μm时,测量精度为6.56 nm,可以满足空基分块主镜望远镜在轨共相f{7=检测的要求.     

基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法

针对拼接型望远镜共相难的问题,提出了一种基于色散条纹传感技术的共相误差检测方法。根据色散条纹传感技术的探测原理,给出了色散条纹传感器的光学成像模型,并利用计算机进行模拟研究。为解决色散条纹检测技术在接近共相时失效的问题,提出一种辅助检测方案,即色散哈特曼检测法,并通过仿真验证了该方法的可行性。结合两种方法,色散条纹传感器在可见光范围内能准确检测±60μm以下的活塞误差,检测精度可达λ/10。同时,对一系列影响检测精度的因素进行了定量分析,提出了条纹开窗、多路采集、提高波长标定精度等解决方法,还针对算法提出新的改进方案,降低了标定误差影响。结果表明,该方法可以有效地完成对活塞误差的大量程、无盲区、高精度检测,在空间和地基拼接型望远镜的粗共相标定和相位控制领域有广阔的应用前景。     

基于遗传算法的干涉条纹数据处理方法

提出了基于遗传算法的干涉条纹数据处理方法。该方法是在最小二乘余弦曲线拟合的基础上 ,引入了具有全局优化能力的遗传算法以解决目标函数多极值问题 ,从而使得最小二乘余弦曲线拟合对干涉条纹处理具有很好的鲁棒性和自适应能力。仿真结果表明 ,在 2 0 %均匀分布噪声条件下 ,拟合模型主要参数 -干涉条纹空间频率及初相位 -拟合误差小于 0 .5 %。     

倾斜相移闭合干涉图的非迭代相位提取方法

针对带倾斜相移误差的闭合干涉图,提出一种非迭代的高精度相位提取方法.该方法用傅里叶变换估计闭合条纹的相位,并用图像分割校正相位的符号,然后利用Zernike多项式拟合确定倾斜相移量,最后用最小二乘拟舍得到高精度相位.数值模拟结果表明:该方法的相位提取误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数为4.5时,倾斜相移的估计误差为0.37％.实验结果表明该方法的残余误差均方根值为0.121 7rad.该方法精度高,且无需迭代计算,可应用于相移干涉测量.     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

The co-phasing detection method for sparse optical synthetic aperture systems

Co-phasing between different sub-apertures is important for sparse optical synthetic aperture telescope systems to achieve high-resolution imaging.For co-phasing detection in such a system,a new aspect of the system’s far-field interferometry is analysed and used to construct a novel method to detect piston errors.An optical setup is built to demonstrate the efficacy of this method.Experimental results show that the relative differences between measurements by this method and the criterion are less than 4%,and their residual detecting errors are about 0.01 λ for different piston errors,which makes the use of co-phasing detection within such a system promising.     

Theoretical analysis about 2π ambiguity of the piston error in sparse optical synthetic aperture imaging system

In recent years, sparse-optical-synthetic-aperture telescope has emerged as an important developing trend for large-scale telescope, where the correction of piston error among different sub-apertures plays an important role for achieving high resolution. The 2π ambiguity effect is the most important aspect of piston error's influences upon system's far-field intensity, which was theoretically analyzed at first. Then the bi-sub-aperture system was taken as an example to test the correctness of the theoretical model through distributions of the system's far-field intensity. In addition, a theoretical proof was made to get some important properties of piston errors within such kind of system. From the results, it is shown that the 2π ambiguity comes along with any piston error in the system, and this effect stands independent for different piston errors between different pair of sub-apertures. The derivation also provides effective theoretical model for related concerns within such kind of system.     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

基于剪切散斑干涉技术的物体变形动态检测

为使仅适用于静态测量的空间相移剪切散斑干涉系统可用于物体变形的动态测量,在对传统剪切散斑干涉系统加以改进的基础上,提出一种物体变形动态检测方法。将检测系统中的压电陶瓷控制器用参考镜代替,减少了物理装置控制与执行的时间。对于物体发生变形的同一状态,仅需采集一幅干涉图像即可满足后期计算,加以二维连续小波滤波和最小二乘相位解包算法,能满足物体变形动态在线检测的需求。理论和实测实验表明,该方法能快速可靠地检测出物体动态形变,整个系统的最大误差范围在-1.5 rad~1.5 rad之间,整个检测过程最大误差百分比为6.4%,有较高的精度和实用性,为新型剪切散斑干涉测量系统的改进和设计提供参考。     

相位平移误差与子孔径自身像差对稀疏光学合成孔径系统成像质量的综合影响分析

稀疏光学合成孔径系统成像质量的提高需要综合考虑子孔径间相位平移误差和子孔径自身像差的影响.本文基于稀疏光学合成孔径系统的光瞳结构,利用傅里叶光学基本原理对系统的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)进行了理论推导,得到了包含相位平移误差和子孔径自身像差分离形式的该类系统的SR指标的理论公式.以两子孔径系统为例,计算并分析了在相位平移误差校正后和未校正时,系统SR指标在不同子孔径像差下的变化规律,研究了相位平移误差与子孔径像差对系统SR指标的综合影响.结果阐明了该类系统的成像质量受相位平移误差和子孔径自身像差双重制约的物理机理,且表明只有将子孔径自身像差校正至某限度内时,相位平移误差的校正才对系统SR指标的提高有明显意义. 关键词： 稀疏光学合成孔径 相位平移误差 像差 成像质量     

移相器微位移旋转误差的分析及测试

以压电陶瓷(PZT)微位移器为主要研究对象, 引入一种处理静态干涉图的新方法--虚光栅移相叠栅条纹法,设计实验对一台实际使用的移相器微位移旋转误差进行测试研究,对其引起的波面旋转情况进行了定量的计算分析,并给出测试结果.用虚光栅移相叠栅条纹法处理实验中加有载频的干涉图时,不需要使用任何移相器件,可以进行动态位相的检测,整个移相过程用计算机进行控制,避免了引入额外的移相误差.     

一种基于傅里叶变换的分析载波条纹的新方法

针对传统傅里叶变换法处理光载波干涉条纹图时会有边缘效应产生的问题,提出了一种基于傅里叶变换法的外推延拓方法,并从理论上进行了数学推导。为了验证这种方法的正确性,分别对一维数字信号和二维空间载波条纹图进行了数值模拟,进一步分析了误差产生的原因,并与传统的傅里叶变换法对比。结果表明该法可以有效抑制传统傅里叶变换法处理光载波干涉条纹图时边缘效应所造成的较大误差,在基于空间域相位调制技术的波面干涉测量中,对空间载波条纹图进行处理,可以使相位的计算精度达到3.3 mrad。     

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。     

基于插值法波面拟合的球面光学元件检测

为了实现在线自动化检测球面光学镜片的面形偏差,在已有的光学检测系统基础上,对光学检测系统采集的干涉图样进行图像处理和波面拟合算法研究。首先对干涉图样预处理,再根据球面光学镜片大多是圆形孔径,对预处理后的干涉条纹通过最小二乘法拟合出干涉图样的圆边界,确定数据取值边界点的中心和半径值;然后采用Multi-quadric函数插值法拟合出波面的面形轮廓,计算波面的峰谷偏差EPV值及均方根偏差ERMS值;最后用上述方法对Zygo干涉仪采集的干涉图的处理结果与Zygo干涉仪测试结果进行比较分析。结果表明:通过边界处理可有效提高波面拟合精度,采用multi-quadric函数插值法拟合可以理想的还原出波面,且测量误差与国标相比能够控制在0.2的误差范围内,与Zygo干涉仪检测结果相比可以控制在0.03误差范围内,都能够满足球面光学镜片在线检测的精度要求。