[发明专利]一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种孔径受限的天文望远镜系统通过虚拟孔径复振幅拼接技术实现超分辨率成像的技术手段，特别适用于对恒星和空间目标的成像。

背景技术

从1609年伽利略使用望远镜观测天体到现在的400多年时间内，望远镜的口径越做越大，迄今为止已经建成多台4米以上级别的大口径望远镜，但是如果要建造口径达10米甚至几十米的单口径望远镜，则无论从镜面材料制备、加工检测、支撑结构还是工程造价方面，都存在极大的困难。人们开始另辟蹊径，寻求新的原理和方法来突破单孔径望远镜系统制造的诸多困难，同时满足观测分辨力的需求。

美国30米望远镜(TMT)采取子镜拼接技术，将使用492块拼接子镜构成。子镜拼接技术由于制造误差、离轴设计误差和装配质量等因素的限制，会导致子镜之间出现平移(piston)误差和倾斜(tip/tilt)误差，从而导致拼接镜面的相位不一致，系统程序质量大大降低，因此如何控制各子镜之间的位置和面型使之能够满足系统共相精度的要求，是拼接型望远镜实现高分辨观测不可回避的问题。

LBT望远镜采取的是稀疏孔径技术，将两个小孔径子望远镜的光，通过光学手段在后端合成，得到超过单个子望远镜的分辨率。子望远镜之间的动态共相误差探测是非常困难的，而且子望远镜的光束传输到最终的光束合成器上需要经过一个瞳面映射过程，该映射需要满足非常精确的匹配关系，使得系统的光路设计和调整变得异常复杂。

正在研制的GMT(GiantMagellanTelescope)望远镜则是采用多镜面技术，该望远镜由7块8.4米的分离子镜来共同构成一个主镜，一个位于中心，其它的六个对称排列在周围，系统等效口径打到24.4米。其子镜是离轴抛物面，在加工和装调上有很大的工程难度。

基于多镜面望远镜系统存在两个技术难点：如何实现分离子镜湍流整体波面误差探测和分离子镜之间的共相误差探测。因此充分利用单口径望远镜实现更高的分辨率成像，有很大的科研意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，可以在探测波长一定，光学孔径一定的情况下提高光学系统分辨率；且只需要在后端增加少量光电器件，不影响天文望远镜主光路，特别适用于现有的小口径天文望远镜。

本发明的技术解决方案是：一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统，如图1所示，包括：卡塞格林天文望远镜系统(1)、中继光路系统(8)和瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)；所述卡塞格林天文望远镜系统(1)包括：抛物面主镜(2)、球面次镜(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)、第三平面反射镜(6)、第四平面反射镜(7)、方位轴(18)、俯仰轴(19)；所述中继光路系统(8)包括：两个离轴抛物镜(9,10)；所述瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)包括：分束镜(12)、微阵列透镜(13)、阵列光子计数器(14)、夏克-哈特曼波前传感器(15)、时钟同步信号系统(16)和复振幅拼接和图像处理计算机(17)；卡塞格林天文望远镜系统(1)对运动目标进行跟踪成像，在跟踪时随方位轴(18)和俯仰轴(19)转动过程中自身光学出瞳的位置保持不变；中继光路系统(8)将光学信号传导到后端瞳面复振幅测量拼接与图像处理系统(11)，并分别将卡塞格林天文望远镜系统(1)的出瞳共轭到微阵列透镜(13)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的位置；随后光学信号经分束镜(12)后，一部分经微阵列透镜(13)耦合进阵列光子计数器(14)中，得到系统的瞳面振幅分布矩阵；一部分进入夏克-哈特曼波前传感器(15)得到系统的瞳面相位分布矩阵；时钟同步信号系统(16)根据卡塞格林天文望远镜系统(1)的位置信息实现阵列光子计数器(14)和夏克-哈特曼波前传感器(15)的信号同步采集；复振幅拼接和图像处理计算机(17)利用夏克-哈特曼波前传感器(15)孔径测量的瞳面相位分布矩阵和阵列光子计数器(14)测量的瞳面振幅分布矩阵，重建波前复振幅分布，利用连续多帧图像复振幅信息的相关性，得到一个在沿目标运动方向上的多帧大复振幅面，进而计算像面光场分布，从而完成卡塞格林天文望远镜系统(1)瞳面复振幅的测量、多帧复振幅信息的拼接，最终获得超过系统理论极限分辨率的超分辨率图像相邻帧复振幅匹配与拼接。

所述多帧复振幅信息的拼接为：复振幅拼接和图像处理计算机(17)使用频域互相关算法计算相邻帧的方向平移量，再计算两帧重叠区域的平均相位差获得相邻帧的相位平移误差，然后完成相邻两帧的复振幅拼接，依次获得多帧的复振幅拼接。