光学综合孔径干涉成像的关键技术及多光束干涉仿真

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1、第22卷第I期紫金山天文台台刊Vol.22No.I2003年3月PUBLICATIONSOFPURPLEMOUNTAIN()W5RVA"['ORYMnn,h.2003羚奋光学综合孔径干涉成像的关键技术及多光束干涉仿真王海涛周必方〔中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042摘要闭合相位技术、U-V覆盖技术和像重构技术是光学综合孔径千涉成像的三个关键技术。文中简要介绍r光学综合孔径技术的发展历史、这三种关键技术和光学综合孔径望远镜阵的构成，对之进行了多光束干涉的计算机仿真和实验仿真，两者结果一致说明了光学综合孔径干涉成像技术中有关干涉的理论的正确性

2、，指出了下一步的研究方向。关键词光干涉，光学综合孔径，图像重构，闭合相位，U‘V覆盖引言Jenneson’于1958年提出闭合相位技术并应用于射电综合孔径阵的高分辨率图像重构;Rogstadl2」于1968年首先在原理上解决了可见光波段闭合相位的问题;Baldwin和Haniff[3'于1986年率先在单口径望远镜上观测得到了光学闭合相位的结果，约十年后他们研究的COAST光学综合孔径阵获得了简单的天体目标的二维亮度分布;目前，Kf,VLTI等都在做光学综合孔径阵的成像工作。我国于2000年底才开展对光学综合孔径干涉成像技术进行研究，本文是该研究工作的部分结果

3、。2光学综合孔径成像的原理和关键技术光学成像原理可分为几大类，一类是几何光学、像差理论成像原理;一类是衍射成像原理;另一类成像理沦是r涉成像原理_光学综合孔径干涉成像[4.可以用单孔径望远镜的出瞳来说明:把它看成大量“针孔”的集合，单孔径望远镜所成的像、可看成出瞳面内的所有[r,r能的“针孔对，’在像面上产生的大量正弦条纹的叠加。如果把卜述出瞳面r.各“针孔视为直径有一定大小的子孔径，在像面处的成像就可称为综合孔径成像_如何用小孔径系统来达到单个大孔径的分辨本领，这就是综合孔径成像的口的不过，小孔径直径大小{确定受大气扰动所限制一〕欲从一个光学综合孔径阵的干涉

4、条纹中提取有效信息并得96紫金山天文台台刊22卷到重构的观测图像，消除大气扰动影响的闭合相位技术、频域采样的u一v覆盖技术和有效的图像重构技术是光学综合孔径干涉成像的三个关键技术。2.1闭合相位技术闭合相位技术是光学综合孔径成像中消除大气扰动的关键技术，三个或三个以上孔径相位闭合的方法可以将大气扰动或其它原因所造成的相位误差抵消掉，然后通过其它有效的算法恢复目标的真实信息。文献[’]中详细讲述了消除大气扰动的原理。闭合相位技术能消除大气扰动带来的干扰，但也造成有效信息缺省的问题。2.2u一v覆盖技术u一v覆盖是光学综合孔径阵对观测源在光学波段上空间频率信息的抽

5、样情况，光干涉仪阵中的基线愈长，探测到的频率愈高，基线愈短则探测到的频率就愈低。对于一个有n个孔径的干涉阵来说，有认2条基线，对应1_)V平面中有C产个点。如果一次观测满足不了u一v覆盖要求的话，则必须增加u一v覆盖。增加u一v覆盖的方法有三种方法:增加子孔径的个数、增加子孔径的有效半径和对光学综合孔径阵进行旋转。与之对应的光学综合孔径干涉成像的方法有两种:即时u一v覆盖和非即时u一v覆盖的两种方法。2.3光学综合孔径干涉成像的像重构技术易2.1讲述的闭合相位技术带来的有效信息缺省的问题，在像重构的过程中主要涉及到求解用闭合相位技术对目标相应基线的傅立叶相位解

6、算时的病态方程组的问题。对于C_,2个方程组中求解出c.2个观测目标所对应的基线的傅立叶相位的未知数的病态方程组，未知数个数比方程组多n一1个，若预先知道这n一1个值，则将这些n一I个值代人方程组，就可以解出其它Cn-i2个未知数。然后用这些解出的傅立叶相位。从条纹可见度的测定得到基线所对应的振幅A，经过归一化处理，连同用闭合相位得到待测目标的傅立叶位相e;，就可以得到像的频谱，对之进行傅立叶逆变换就可得到高分辨率的像。但是由于对观测源的u一v不均匀采样而在傅立叶反变换后产生旁瓣，这实际上是含有很多噪声，甚至完全被噪声淹没的一幅“脏图”。因此需要用“洁图法”或

7、“最大嫡法”进行处理，以便得到一幅“干净”的图像，对这幅“干净”图像进行反傅立叶变换，从反傅立叶变换的结果中“借出”一1个相位值，代人病态方程组求解，进人新的一轮循环，直到得到满意的图像为止。3光学综合孔径望远镜阵构成和多光束干涉的模拟光学综合孔径望远镜阵由子望远镜、光程补偿延迟、光束平行性伺服系统、光束组合器、图像重构、计算机控制等六个主要子系统组成。3.1多光束干涉的计算机模拟为简化起见，N个子望远镜均匀排列在系统瞳面上，在半径为r的圆周上，在聚焦望远镜像平面有任一点(x,刃，对于第n个光束，它的电场为:.E=(x,Y)=Eocos[2;r(s,2+sy2

8、)"cos(0一0o)}N束光的总强度