一種稀疏孔徑光瞳結構及其設計優化的方法
2023-07-16 07:27:36 1
專利名稱：一種稀疏孔徑光瞳結構及其設計優化的方法
技術領域：
本發明涉及空間遙感領域高解析度光學遙感器中一種稀疏孔徑光瞳結構及其設計優化的方法。
背景技術：
星載光學遙感系統的空間解析度是衡量其性能的主要指標之一。遙感器光學系統的角解析度為工作波長λ與入瞳口徑D之比，即δ＝λ/D，表明大口徑光學系統才會有高的空間解析度。但是，製造和檢測大口徑反射鏡的難度大、成本高，並將導致遙感器的體積大、質量重，給遙感器的研製和發射帶來極大的困難，甚至於根本無法實現。因此，稀疏孔徑系統的研究隨之發展。稀疏孔徑光瞳結構是其中較有發展前途的方案之一。所謂稀疏孔徑是將數個較小光學孔徑以一定規則排列，構成一個大的光學孔徑。根據文獻報導，稀疏孔徑的排列結構有環面結構、環形結構、Golay結構、三臂結構等。
如常規的光學系統一樣，角解析度和靈敏度是稀疏孔徑系統的兩個主要指標，它們都受到稀疏孔徑系統的填充因子、子孔徑的排列(光瞳結構)的影響，稀疏孔徑相對於D的通光面積用填充因子 來表示。在達到使用要求的條件下，合理的光瞳結構，能使系統具有最輕的重量和最小的體積。所以光瞳結構優化成為稀疏孔徑設計的一個關鍵部分。
發明內容
本發明的目的是提供一種空間解析度高、結構靈活、易於裝調的稀疏孔徑光瞳結構及其設計優化的方法。
實現本發明目的技術方案是提供一種稀疏孔徑光瞳結構，其特徵在於它由9個直徑相同的子鏡構成，其分布結構為其中3個子鏡的中心連線構成一個等邊三角形，另外6個子鏡的中心分別分布於該等邊三角形的三條邊上，每邊2個，所述等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心連線構成三個相同的小等邊三角形。
提供一種稀疏孔徑光瞳結構的設計優化方法，其特徵在於所述的稀疏孔徑光瞳結構中，等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心之間的距離s滿足條件s=3d-]]>且稀疏孔徑光瞳結構的填充因子F滿足條件F0.1837+0.0906d]]>其中d為子鏡的直徑，ε為修正係數，其取值範圍為0＜ε≤0.15d。
最適當的評價稀疏孔徑成像質量的光學特徵函數是調製傳遞函數(MTF)，它反映了光學系統傳遞信息的能力，也反映了像面上各不同空間頻率的對比度。即使在D和F均相同的情況下，子孔徑的結構形狀、排列規則不同，其對應的MTF也不同。研究表明，當MTF值為零時，相應空間頻率的圖像信息丟失，並且是無法恢復的。附圖1為稀疏孔徑光瞳結構截止頻率區域內MTF有零點的傳函曲線示意圖，參見圖1，當頻率ρ≥ρR時，相應頻率的信息沒有意義。因此，定義MTF第一次出現零時所對應的空間頻率為實際空間截止頻率ρR，稀疏孔徑優化的準則是ρR儘量大，同時對應的填充因子F儘可能小。
附圖2為根據本發明技術方案提供的一種稀疏孔徑光瞳結構的示意圖，按照設計要求，在D確定的情況下，可以調節子鏡之間距離s，即調節九個子鏡的相對位置，使ρR儘可能大。二維MTF分布的放大示意圖如圖3所示，圖中各小圓代表子傳遞函數MTFd，其半徑即子傳函截止頻率dc=df.]]>欲使頻譜面內MTF出現零點的頻率ρR儘量大，首先各子傳函必須相交，並且，圖3中以A和B點為中心的子傳遞函數的交點離中心儘可能遠。設交點離中心O點的距離為x，有方程式 根據空間頻率與口徑、波長、焦距的關係可知，式中l4=sf.]]>
將方程式求極值，得(x2)max=2df,]]>此時，另一交點x1=df,]]>子鏡之間距離s=3d.]]>但由於以O點為中心的子傳遞函數半徑同樣為 在距離x1處剛好出現一個零點。因此，必須取s=3d-,]]>ε是一個很小的修正係數，0＜ε≤0.15d，這樣就可以在x1處避免零點出現。此時，R=2d-6216f2df.]]>進一步可以看出，只要使x2+x33l2/2,]]>圖3所示頻譜面內不出現零點。求解上式，填充因子必須滿足FFmin=0.1837+0.0906d.]]>當s=3d-]]>和FFmin=0.1837+0.0906d]]>時，在整個截止頻率範圍內MTF無零點出現。
由上述原理分析可以看出，本發明具有如下顯著的優點1、本發明採用了各子鏡中心成等邊三角形分布的結構，因此，該稀疏孔徑光瞳結構靈活，易於裝調。
2、採用控制子鏡間距s和填充因子F的設計優化方法對本發明所述的稀疏孔徑光瞳結構進行合理的優化，使其構成的光學系統的成像質量得到了較好的改善。
附圖1為稀疏孔徑光瞳結構截止頻率區域內MTF有零點的傳函曲線示意圖；附圖2為根據本發明技術方案提供的一種稀疏孔徑光瞳結構示意圖；附圖3為根據本發明技術方案提供的一種稀疏孔徑光瞳結構的MTF示意圖；附圖4為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化前後MTF的對比曲線圖；附圖5為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化前解析度板的模擬成像圖；附圖6為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化後解析度板的模擬成像圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一參見附圖2，本實施例所述的一種稀疏孔徑光瞳結構由9個直徑為d的相同子鏡構成，其分布結構為每個子鏡的中心連線構成一個等邊三角形，該等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心連線構成三個相同的小等邊三角形，該稀疏孔徑光瞳的直徑D即為等邊三角形每個頂點上的子鏡的外切圓的直徑，根據設計要求，D＝500mm，按本發明所述的稀疏孔徑光瞳結構的設計優化方法，設計填充因子為F＝20％，則子鏡的直徑d＝74.5mm，稀疏孔徑光瞳結構中，等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心間的距離s滿足條件s=3d-,]]>取ε＝0.1d，則確定s＝121.6mm。
圖4為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化前後MTF的對比曲線圖，參見附圖4，比較優化前後的MTF分布可見，當填充因子為20％時，在截止頻率區域內，優化後的結構MTF沒有出現零點，未優化的結構MTF在歸一化頻率為0.3附近即出現零點，這說明經本發明設計優化方法處理後的結構，更有利於相應空間頻率的信息恢復，提高了光學系統所成圖像的清晰度。
附圖5為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化前解析度板的模擬成像圖，附圖6為本發明實施例中稀疏孔徑光瞳結構設計優化後解析度板的模擬成像圖。參見圖5和圖6，由圖中解析度板線對可以明顯地看出，優化結構模擬像高頻部分線對分辨較清晰，而未優化結構模擬像高頻部分線對分辨不清或完全不能分辨，優化結構所成圖像清晰度明顯高於未優化結構所成圖清晰度。
權利要求
1.一種稀疏孔徑光瞳結構，其特徵在於它由9個直徑相同的子鏡構成，其分布結構為其中3個子鏡的中心連線構成一個等邊三角形，另外6個子鏡的中心分別分布於該等邊三角形的三條邊上，每邊2個，所述等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心連線構成三個相同的小等邊三角形。
2.一種如權利要求1所述的稀疏孔徑光瞳結構的設計優化方法，其特徵在於所述的稀疏孔徑光瞳結構中，等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心之間的距離s滿足條件s=3d-]]>且稀疏孔徑光瞳結構的填充因子F滿足條件F0.1837+0.0906d]]>其中d為子鏡的直徑，ε為修正係數，其取值範圍為0＜ε≤0.15d。
全文摘要
本發明涉及空間遙感領域高解析度光學遙感器中一種稀疏孔徑光瞳結構及其設計優化的方法。所述的稀疏孔徑光瞳結構由9個直徑相同的子鏡構成，其分布結構為每個子鏡的中心連線構成一個等邊三角形，該等邊三角形每個頂點上的子鏡與其相鄰的子鏡中心連線構成三個相同的小等邊三角形。對該稀疏孔徑光瞳結構進行設計優化的方法是採用控制子鏡間距s和填充因子F。按本發明所提供的技術方案，稀疏孔徑光瞳結構靈活，易於裝調，且使其構成的光學系統的成像質量得到了較好的改善。
文檔編號G01S17/89GK1776450SQ20051009577
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者吳泉英, 錢霖, 沈為民, 姚慶香, 高雪萍 申請人:蘇州大學, 蘇州科技學院