稀疏孔径空间望远镜子镜误差校正方法的研究

High-resolution space remote sensor requires a large aperture optical system which is limited by aspects in terms of material, manufacturing, processing and launching. Sparse aperture optical system overcomes such problems as design, manufacturing and launching of a large aperture optical system, and therefore is applied in the space telescope. Large apertures are replaced by sparse apertures in specific alignments, which are capable of achieving the same resolution while reducing the weight of the total optical system. Error detection and control of sparse aperture's sub-mirrors is a key. On the basis of the traditional Phase Diversity(PD) method, we put forward a new method which adjusts the intial conditions of the algorithms according to the assembly errors and effections of outside conditions to improve the accuracy of the error calcultion.The final image quality is studied because of initial conditions by ZEMAX simulation. A three sub-mirrors reflective telescope is designed, and images with a specific phase difference are captured through a phase component. According to the improved PD method, the experimental research of the sparse aperture co-phase detection and control will be carried out. It may pave the way for further study of co-phase detection and control for the sparse aperture telescope.

高分辨率空间遥感器需要大口径光学系统，但材料、制造、工艺和发射等方面都制约大口径光学系统的研制。稀疏孔径光学系统应用于空间望远镜设计中，克服了大口径光学系统设计、制造和发射等方面的问题。稀疏孔径是用特定排列的小光学口径来代替大口径，减轻了系统的重量，获得相同分辨率。稀疏孔径各子镜的误差检测与控制是稀疏孔径望远镜需要解决的关键问题。本项目拟在传统相位差异法的基础上，根据系统子镜受装调及外界因素的影响，提出一种能调节数值算法初始条件的方法，从而提高子镜误差估算的准确度；运用ZEMAX软件仿真研究初始条件对系统成像质量的影响；设计一三子镜反射式望远镜，利用已知相位差异的相位元件对目标物成像；根据以上改进的相位差异法从实验上进行稀疏孔径望远镜的共相位检测与控制研究。本项目将为进一步研究稀疏孔径望远镜共相位检测与控制打下基础。

高分辨率空间遥感器需要大口径光学系统，但材料、制造、工艺和发射等方面都制约着大口径光学系统的研制。稀疏孔径光学系统应用于空间望远镜设计中，克服了大口径光学系统设计、制造和发射等方面的问题。本项目在传统相位差异法的基础上，根据子镜受装调及外界因素的影响，提出一种能调整稀疏孔径参考子镜的方法，从而提高子镜误差估算的准确性；探索了噪声以及望远镜的系统参数如波段宽度、视场对子镜误差检测精度的影响，并分别从理论上提出相应的改进方法；设计并搭建了Golay3稀疏孔径望远镜原理样机，对其进行了公差和有限元分析，并进行了成像实验；以Golay3稀疏孔径望远镜为成像系统，搭建了相位差异法的实验光路对子镜的误差进行估算，得出估算结果后再利用压电陶瓷平台对子镜的误差进行校正，最后通过相位差异法进行图像恢复。分析结果表明：通过计算每个子镜的焦面像与原始目标物之间的算术平均值标准偏差（Arithmetic mean standard deviation-AMSD），将AMSD值最小的子镜设为基准子镜有效地提高相位差异法的估算精度；利用经过滤波切趾处理后的图像进行计算的相位差异法表现要远远优于利用未处理图像进行计算的的相位差异法，其计算结果的RMS是图像未经处理的相位差异法计算结果RMS的三分之一至二分之一，计算时间缩短近了近四分之三；此外，波长采样宽度越小，对于宽波段照明下的子镜误差检测精度就越高；利用双泽尼克多项式系数表征波前误差可有效地提高考虑视场情况下的子镜误差检测精度；利用克拉美罗低界理论（Cramér-Rao Lower Bound-CRLB）可以确定最佳离焦量、焦面和离焦面的分光比从而提高在噪声存在情况下的子镜误差检测精度。Golay3稀疏孔径望远镜的成像以及相位差异法实验结果表明：与传统的相位差异法相比，利用改进后的相位差异法的子镜误差估算值对相应子镜进行误差校正，误差校正后的望远镜成像清晰度及细节分辨率有了明显提高。