【摘要】：瑞利判據(jù)表明,觀測(cè)波長(zhǎng)一定時(shí),望遠(yuǎn)鏡口徑越大,其空間分辨率越高。由于望遠(yuǎn)鏡口徑的增大受到材料、制造成本、質(zhì)量和有效載荷體積等因素的限制,傳統(tǒng)單孔徑系統(tǒng)已難以滿足深空探測(cè)、遙感成像等諸多領(lǐng)域?qū)Ψ直媛实囊�。相控望遠(yuǎn)鏡陣列成像系統(tǒng)旨在利用多個(gè)共相的小孔徑光學(xué)系統(tǒng),通過(guò)光束合成的方式等效地達(dá)到大口徑系統(tǒng)的分辨率。其體積小、成本低且布局靈活,是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的主要手段之一。本文針對(duì)相控望遠(yuǎn)鏡陣列所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,包括Fizeau模式下的共相誤差和子孔徑像差探測(cè)校正、圖像復(fù)原等,以及Hypertelescope模式下的共相誤差校正、大視場(chǎng)成像等開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,主要內(nèi)容如下:首先,研究了Fizeau和Hypertelescope望遠(yuǎn)鏡陣列的物像關(guān)系,建立了各自的成像數(shù)學(xué)物理模型�；诜抡嫫脚_(tái),討論了Fizeau望遠(yuǎn)鏡陣列相位誤差的影響,分析了Hypertelescope望遠(yuǎn)鏡陣列光瞳密集化直接成像的原理及所帶來(lái)的視場(chǎng)限制,為文中后續(xù)工作的開(kāi)展,奠定了一定的理論基礎(chǔ)。其次,提出了基于隨機(jī)并行梯度下降算法的平移誤差校正方法,并基于數(shù)值仿真平臺(tái),分別實(shí)現(xiàn)了Fizeau和Hypertelescope望遠(yuǎn)鏡陣列的平移誤差校正。接著,提出了空間調(diào)制相位差技術(shù),可用于成像系統(tǒng)的波前探測(cè)和圖像復(fù)原。先在傳統(tǒng)單孔徑系統(tǒng)中驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性與有效性;隨后,結(jié)合多孔徑成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提出了快門空間調(diào)制相位差法,可以檢測(cè)校正Fizeau望遠(yuǎn)鏡陣列的共相誤差和子孔徑像差,并復(fù)原圖像;對(duì)于暗弱目標(biāo)的探測(cè),將三維塊匹配濾波算法和該技術(shù)相結(jié)合,有效地抑制了光子噪聲,提高了波前探測(cè)精度和圖像復(fù)原質(zhì)量。然后,對(duì)非相干傅里葉疊層成像算法進(jìn)行了改進(jìn),建立了光學(xué)傳遞函數(shù)的更新數(shù)理模型,并基于單孔徑成像系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。根據(jù)該改進(jìn)算法,提出了基于發(fā)射端調(diào)制的主動(dòng)Fizeau望遠(yuǎn)鏡陣列成像技術(shù),可以校正系統(tǒng)的子孔徑像差和共相誤差,復(fù)原圖像,并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的分辨率。該技術(shù)使并行調(diào)控Fizeau望遠(yuǎn)鏡陣列的發(fā)射端和接收端成為可能,為處理其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供了新思路。進(jìn)一步,研制了實(shí)際Fizeau雙筒望遠(yuǎn)鏡陣列,并基于該平臺(tái)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究:基于隨機(jī)并行梯度下降算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的共相誤差閉環(huán)校正;利用空間調(diào)制相位差法有效探測(cè)了系統(tǒng)的子孔徑像差并復(fù)原了高清晰圖像。同時(shí),介紹并分析了研制過(guò)程中出現(xiàn)的有趣的空間頻率移動(dòng)現(xiàn)象。在雙筒望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上,集成了上光路系統(tǒng),研制了Golay-3望遠(yuǎn)鏡陣列,并基于此系統(tǒng),有效地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)的合成成像。這也是公開(kāi)發(fā)表的國(guó)內(nèi)首臺(tái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)共相的Fizeau Golay-3望遠(yuǎn)鏡陣列。為獲取極高的分辨率,未來(lái)用于深空探測(cè)的相控望遠(yuǎn)鏡陣列將向長(zhǎng)基線大陣列發(fā)展,此時(shí)Fizeau成像模式已不再適用,而基于光瞳密集的Hypertelescope成像模式則有潛力實(shí)現(xiàn)該類長(zhǎng)基線干涉儀的直接成像。在獲得極高分辨率的同時(shí),Hypertelescope望遠(yuǎn)鏡陣列存在工作視場(chǎng)小的物理限制。針對(duì)此問(wèn)題,本文提出了多視場(chǎng)復(fù)用的光學(xué)設(shè)計(jì)理念,通過(guò)微透鏡陣列對(duì)大視場(chǎng)進(jìn)行采樣,以實(shí)現(xiàn)每個(gè)采樣小視場(chǎng)內(nèi)獨(dú)立的傾斜和光程校正�；赯emax,建立了多視場(chǎng)復(fù)用的Carlina式Hypertelescope望遠(yuǎn)鏡陣列,在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)獨(dú)立的工作視場(chǎng),這些視場(chǎng)被探測(cè)器同時(shí)接收,從而實(shí)現(xiàn)離散的大視場(chǎng)成像。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH75

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本文編號(hào)：2615810