【摘要】：薄膜衍射成像在成為輕量化大口徑天基望遠鏡的重要發(fā)展方向時,也面臨一些亟待解決的關(guān)鍵問題。譬如薄膜元件環(huán)帶結(jié)構(gòu)不可避免的加工缺陷,薄膜材料在空間環(huán)境中的形變,系統(tǒng)運行擾動對成像光學(xué)參數(shù)的影響,望遠鏡空間布置時引入的光學(xué)誤差,以及成像參數(shù)的長期可靠性與穩(wěn)定性等問題。論文從成像光束波前畸變出發(fā),提出了基于自適應(yīng)光學(xué)的薄膜成像方法,即將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)作為薄膜天基成像系統(tǒng)的末端組成,實現(xiàn)成像波前的實時反饋控制,獲得高分辨率的目標圖像。論文根據(jù)薄膜天基成像波前像差的準靜態(tài)特性,結(jié)合空間成像對系統(tǒng)規(guī)模嚴格限制的要求,提出了以目標圖像為優(yōu)化對象的無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)實現(xiàn)薄膜高性能成像的方法。為厘清薄膜元件成像特性和無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)校正算法特性對薄膜成像的影響,論文采取算法理論結(jié)合薄膜成像實驗研究的方法,并以點目標成像遞進到擴展目標成像的方式,從以下幾個方面開展相關(guān)研究。論文首先開展了點目標成像波前畸變校正算法研究,為薄膜點目標成像應(yīng)用提供算法研究和實驗積累。論文分析了基于搜索的盲優(yōu)化算法和基于模型的通用模式校正算法在波前像差校正中的局限性,提出了基于模型的無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)同步校正算法。論文采用數(shù)值仿真的方法,驗證了同步校正算法對靜態(tài)和動態(tài)波前像差的校正能力,分析了算法的噪聲特性,提出了基于動態(tài)區(qū)域提取的波前校正算法。在對校正算法充分研究的基礎(chǔ)上,論文詳細介紹了點目標透鏡成像波前像差校正實驗,并從成像效果和校正速度兩個方面,分析了同步校正算法和隨機并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法的校正能力。實驗結(jié)果表明,同步校正算法能獲得1.1DL近衍射成像,其收斂速度是SPGD算法的4倍。隨后,論文開展了擴展目標成像波前像差校正算法研究,為薄膜擴展目標成像應(yīng)用提供算法研究和實驗積累。論文首先介紹了擴展目標SPGD算法和基于目標圖像頻域分析的模型校正算法,并分析其局限性;然后從理論上推導(dǎo)了基于圖像空域的同步校正算法。針對目標成像探測對相機大視場與全靶面需求和自適應(yīng)光學(xué)對相機高幀頻要求之間的矛盾,提出了基于目標圖像局部區(qū)域提取的波前像差校正與圖像復(fù)原算法。最后,論文詳細介紹了擴展目標透鏡成像波前像差校正實驗,分析了不同算法復(fù)原目標圖像的能力。實驗結(jié)果表明基于圖像局部區(qū)域提取算法的靜態(tài)波前像差校正速度是傳統(tǒng)方法的近20倍;其動態(tài)波前像差校正速度是傳統(tǒng)方法的4倍;該算法的快速收斂性有利于薄膜成像的動態(tài)波前像差校正。論文在對點目標和擴展目標波前像差校正算法研究與實驗積累的基礎(chǔ)上,開展了基于自適應(yīng)光學(xué)的薄膜成像實驗研究。首先介紹了典型薄膜成像元件——菲涅爾波帶片(Fresnel zone plates,FZP)的成像特性,分析其波前像差和強背景噪聲雙重退化因素,然后開展了基于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)的點目標FZP成像實驗研究,討論了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)改善薄膜成像性能的有效性和局限性;隨后,論文詳細介紹了基于無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)的點目標和擴展目標FZP成像實驗研究;重點分析和討論了同步校正算法、SPGD算法、局部區(qū)域提取算法應(yīng)用于薄膜成像的有效性和必要性。FZP點目標獲得了1.1DL近衍射成像,同步校正算法的校正速度為SPGD算法的4倍;系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的中頻分量明顯提高,表明無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)有效改善了薄膜成像系統(tǒng)的性能。FZP擴展目標成像波前像差校正后,目標圖像分辨率獲得了明顯提高,局部區(qū)域提取算法的收斂速度提高了近3倍。最后,論文初步探索了基于自適應(yīng)光學(xué)薄膜成像的圖像后處理算法,目標圖像經(jīng)后處理后,圖像強背景噪聲得到了有效去除,圖像分辨率明顯提高。論文工作從算法理論和實驗研究證實了自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于薄膜成像的有效性和必要性。研究結(jié)果表明自適應(yīng)光學(xué)實時波前像差校正協(xié)同圖像后處理是薄膜高性能成像的有效途徑。
【圖文】：

宇宙奧秘的腳步從未停止。新一代太空望遠鏡——詹姆斯韋伯太空望遠鏡（/ames<ebb8pace9elescope，/<89）將探測宇宙大爆炸后發(fā)出的第一縷光，探索銀河系、恒星、行星以及太陽系進化過程，揭示宇宙和生命的起源23]�？梢�，從微觀世界的組織細胞到浩渺的宇宙天體，光學(xué)成像無疑是人類認知世界的重要手段。天基成像系統(tǒng)擺脫了大氣湍流的影響，具有機動性、靈活性和全天候等特點因此光學(xué)成像衛(wèi)星、空間望遠鏡如雨后春筍般出現(xiàn)在浩渺的星空中。而空間望遠鏡具有大視場、暗弱目標、超遠距離成像探測能力，已經(jīng)成為人類認知宇宙的重要工具�？臻g望遠鏡成像主鏡的口徑越大，目標圖像的分辨率越高，探測暗弱目標能力越強。在哈勃望遠鏡  米直徑的成像主鏡下，人類獲得了距離地球  億光年的正在快速生長的黑洞/ 45]、閃閃發(fā)光的蝴蝶星云（9win /et 3ebula）6]、嬰兒星系]等  個天體，，對研究恒星的形成與死亡、暗物質(zhì)、黑洞和宇宙形成產(chǎn)生了深遠的意義。

薄膜成像中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究拼接大口徑成像主鏡成了空間望遠鏡的重要發(fā)展方向。 年，勞倫斯利佛莫爾實驗室的天基“眼睛”項目研制了硅基 米的單體成像主鏡78]，隨后開展 米折疊主鏡的研究9]；韋伯望遠鏡成像主鏡口徑進一步增大到  米10]。然而，成像主鏡口徑增大亦使望遠鏡質(zhì)量急劇增加，哈勃望遠鏡的質(zhì)量達到了  噸。如果采用傳統(tǒng)主鏡技術(shù)，韋伯望遠鏡將因質(zhì)量導(dǎo)致發(fā)射困難，因而其成像主鏡由 塊輕質(zhì) 基鍍金拼接子鏡輔以波前控制組成，以減小主鏡的質(zhì)量與火箭發(fā)射的體積與載荷限制1112]。即便如此，韋伯望遠鏡每塊拼接子鏡的質(zhì)量也有  千克（含致動器），其拼接成像主鏡質(zhì)量接近  噸，算上成像次鏡等后端成像系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的質(zhì)量，韋伯望遠鏡成像系統(tǒng)質(zhì)量達  噸13]，成像主鏡的大口徑與其體積質(zhì)量之間的矛盾是一個難解的問題。因此輕量化的大口徑成像成為未來空間望遠鏡的關(guān)鍵技術(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;O484

【參考文獻】

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本文編號：2614462