第２２卷第Ｉ期２００３年３月 紫金山天文台台刊 ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮＳ ＯＦ ＰＵＲＰＬＥ ＭＯＵＮＴＡＩＮ （）Ｗ５ＲＶＡ＂［＇ＯＲＹＶｏｌ． ２２ Ｎｏ． ＩＭｎｎ，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，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Ｊ ｅｎｎｅｓｏｎ’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。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｛确定受大气扰动所一〕欲从一个光学综合孔径阵的干涉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． ２ ｕ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“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）＝Ｅｏ ｃｏｓ ［ ２；ｒ （ ｓ，２＋ｓｙ２）＂ｃｏｓ （ ０一０ｏ）｝ Ｎ束光的总强度Ｉ（ｘ，刃二【Ｅ＿（ｘ，刃］２，用计算机即可进行模拟。图１分别给出波长ｘ二０． ６３２８ｉｔｍ，子孔径为Ｎ＝２，４，６的由计算机模拟的干涉条纹花样。Ｉ期王海涛等：光学综合孔径Ｉ．－涉成像的关键技术及多光束干涉仿真…ａ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ ２ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ ４ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｕ ｗｉｔｈ ６ ａｐｅｒｔｕｒｅｓＦｉ ｇ． １ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｉｔｈ ｎ ａｐｅｎｍ，ｓ， ｗｈｅｒｅ ｎ＝２，４，６３．２多光束干涉的实验室试验模拟 Ｆｉ ｇ． ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ 我们设计了如图２所示的实验装置，进行了模拟多子孔径综合孔径阵干涉条纹花样光源出来要经过小孔（ ｐｉｎ－ ｈｏｌｅ）光栏滤波。孔径掩模板上的小孔直径和小孔的大小与上述计算机模拟的参数相对应，三块分别有Ｎ＝２，４，６数目小孔的掩模板可以互换插人光路。这些小孔模拟子望远镜的孔径。从光源发出的光束经过掩模板上的子孔径在聚焦望远镜像面处相干涉，产生干涉条纹花样，又经显微镜镜头放大后被ＣＣＤ相机所接收图３给出了３ ｎｒＷ的Ｈｅ － Ｎｅ激光器作光源的试验模拟干涉条纹花样。与计算机模拟｝－涉条纹花样基本一致。…Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ ２ ａｐｅｒｔｕｒｅｓｂ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓ ｗｉｔｈ ４ａｐｅｎｕｅｅａ Ｆｉｇ． ３ Ｉｎｔｅｒｆｅｔｏｇｒａｒｎｓ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ ６ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ紫金山天文台台刊２２卷 从两者的模拟结果基本一致来看，我们有关光学综合孔径多光束干涉的理论是正确的。下一步的工作是在上述模拟工作和前述光学综合孔径干涉成像技术的基础上，做成图的研究工作，最终得到可用于实际观测的光学综合孔径望远镜阵方案。参考文献 Ｃｌｏｓｕｒｅ ｐｈａｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｕ一Ｖ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｙ ａｒｅ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｍａｇｅ． Ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ （ＯＡＳ） ｈｉｓｔｏｒｙ， ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ＯＡＳ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｒｒａｙ ｃｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ一ｂｅａｍ一ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｔｗｏｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｌｍｏｓｔ ｓａｍｅ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｏｕｒ ｃｏｒｒｅｃｔ ａｎａｌｙｓｅｓ． Ｗｈａｔ ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｄｏ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｓｔｅｐｉｓ ｔａｌｋｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．［ｌｊ［２］［３：川ＪｅｎｎｉｓｏｎＲ．Ｃ． ＭＮＲＡＳ，１１８（１９５８），２７６一２８４ＲｏｇｓｔａｄＤ．Ｈ． Ａｐｐ１Ｏｐｔ［Ｊ１．７（１９６８），Ｐ．５８５一５８８１ｉ Ｉｄｗｉｎ Ｊ． Ｅ，Ｈａｎｉｆｆ Ｃ． Ａ，ＭａｃｋａｙＣ．Ｄ． Ｇｏｓｅｐｈ｝ｉｎｈｉｇｈ ｃ－ｏｌｕｔｉｏｎｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］． Ｎａｔｕｒｅ， １７（１９８６），Ｐ５９５一５９７王海涛，周必方，光学精密工程．１０（２００２）Ｐ． ４３４一４４２ＫＥＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＦＯＲ ＯＰＴＩＣＡＬ ＡＰＥＲＴＵＲＥＳＹＮＴＨＥＳＩＳ ＩＮＴＥＲＦＥＲＥＮＣＥ ＩＭＡＧＥ ＡＮＤＭＵＬＴＩ一ＢＥＡＭ一ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＧＲＡＭ ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＷａｎｇ Ｈａｉ－ｔａｏ Ｚｈｏｕ Ｂｉ－ｆａｎｇ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｚｎｔｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｃｈ￡二，Ｎａ勺ｉｎｇ ２１００４２）ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ， ｏｐｔｉｃａｌ－ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｈａｓｅ， Ｕ一Ｖ ｃｏｖｅｒａｇｅ
