专利名称：一种稀疏孔径光瞳结构及其设计优化的方法
技术领域：
本发明涉及空间遥感领域高分辨率光学遥感器中一种稀疏孔径光瞳结构及其设计优化的方法。
背景技术：
星载光学遥感系统的空间分辨率是衡量其性能的主要指标之一。遥感器光学系统的角分辨率为工作波长λ与入瞳口径D之比，即δ＝λ/D，表明大口径光学系统才会有高的空间分辨率。但是，制造和检测大口径反射镜的难度大、成本高，并将导致遥感器的体积大、质量重，给遥感器的研制和发射带来极大的困难，甚至于根本无法实现。因此，稀疏孔径系统的研究随之发展。稀疏孔径光瞳结构是其中较有发展前途的方案之一。所谓稀疏孔径是将数个较小光学孔径以一定规则排列，构成一个大的光学孔径。根据文献报道，稀疏孔径的排列结构有环面结构、环形结构、Golay结构、三臂结构等。
如常规的光学系统一样，角分辨率和灵敏度是稀疏孔径系统的两个主要指标，它们都受到稀疏孔径系统的填充因子、子孔径的排列(光瞳结构)的影响，稀疏孔径相对于D的通光面积用填充因子 来表示。在达到使用要求的条件下，合理的光瞳结构，能使系统具有最轻的重量和最小的体积。所以光瞳结构优化成为稀疏孔径设计的一个关键部分。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间分辨率高、结构灵活、易于装调的稀疏孔径光瞳结构及其设计优化的方法。
实现本发明目的技术方案是提供一种稀疏孔径光瞳结构，其特征在于它由9个直径相同的子镜构成，其分布结构为其中3个子镜的中心连线构成一个等边三角形，另外6个子镜的中心分别分布于该等边三角形的三条边上，每边2个，所述等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心连线构成三个相同的小等边三角形。
提供一种稀疏孔径光瞳结构的设计优化方法，其特征在于所述的稀疏孔径光瞳结构中，等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心之间的距离s满足条件s=3d-ϵ]]>且稀疏孔径光瞳结构的填充因子F满足条件F≥0.1837+0.0906ϵd]]>其中d为子镜的直径，ε为修正系数，其取值范围为0＜ε≤0.15d。
最适当的评价稀疏孔径成像质量的光学特征函数是调制传递函数(MTF)，它反映了光学系统传递信息的能力，也反映了像面上各不同空间频率的对比度。即使在D和F均相同的情况下，子孔径的结构形状、排列规则不同，其对应的MTF也不同。研究表明，当MTF值为零时，相应空间频率的图像信息丢失，并且是无法恢复的。附图1为稀疏孔径光瞳结构截止频率区域内MTF有零点的传函曲线示意图，参见图1，当频率ρ≥ρR时，相应频率的信息没有意义。因此，定义MTF第一次出现零时所对应的空间频率为实际空间截止频率ρR，稀疏孔径优化的准则是ρR尽量大，同时对应的填充因子F尽可能小。
附图2为根据本发明技术方案提供的一种稀疏孔径光瞳结构的示意图，按照设计要求，在D确定的情况下，可以调节子镜之间距离s，即调节九个子镜的相对位置，使ρR尽可能大。二维MTF分布的放大示意图如图3所示，图中各小圆代表子传递函数MTFd，其半径即子传函截止频率ρdc=dλf.]]>欲使频谱面内MTF出现零点的频率ρR尽量大，首先各子传函必须相交，并且，图3中以A和B点为中心的子传递函数的交点离中心尽可能远。设交点离中心O点的距离为x，有方程式 根据空间频率与口径、波长、焦距的关系可知，式中l4=sλf.]]>
将方程式求极值，得(x2)max=2dλf,]]>此时，另一交点x1=dλf,]]>子镜之间距离s=3d.]]>但由于以O点为中心的子传递函数半径同样为 在距离x1处刚好出现一个零点。因此，必须取s=3d-ϵ,]]>ε是一个很小的修正系数，0＜ε≤0.15d，这样就可以在x1处避免零点出现。此时，ρR=2d-6ϵ216λf≈2dλf.]]>进一步可以看出，只要使x2+x3≥3·l2/2,]]>图3所示频谱面内不出现零点。求解上式，填充因子必须满足F≥Fmin=0.1837+0.0906ϵd.]]>当s=3d-ϵ]]>和F≥Fmin=0.1837+0.0906ϵd]]>时，在整个截止频率范围内MTF无零点出现。
由上述原理分析可以看出，本发明具有如下显著的优点1、本发明采用了各子镜中心成等边三角形分布的结构，因此，该稀疏孔径光瞳结构灵活，易于装调。
2、采用控制子镜间距s和填充因子F的设计优化方法对本发明所述的稀疏孔径光瞳结构进行合理的优化，使其构成的光学系统的成像质量得到了较好的改善。
附图1为稀疏孔径光瞳结构截止频率区域内MTF有零点的传函曲线示意图；附图2为根据本发明技术方案提供的一种稀疏孔径光瞳结构示意图；附图3为根据本发明技术方案提供的一种稀疏孔径光瞳结构的MTF示意图；附图4为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化前后MTF的对比曲线图；附图5为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化前分辨率板的模拟成像图；附图6为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化后分辨率板的模拟成像图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图2，本实施例所述的一种稀疏孔径光瞳结构由9个直径为d的相同子镜构成，其分布结构为每个子镜的中心连线构成一个等边三角形，该等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心连线构成三个相同的小等边三角形，该稀疏孔径光瞳的直径D即为等边三角形每个顶点上的子镜的外切圆的直径，根据设计要求，D＝500mm，按本发明所述的稀疏孔径光瞳结构的设计优化方法，设计填充因子为F＝20％，则子镜的直径d＝74.5mm，稀疏孔径光瞳结构中，等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心间的距离s满足条件s=3d-ϵ,]]>取ε＝0.1d，则确定s＝121.6mm。
图4为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化前后MTF的对比曲线图，参见附图4，比较优化前后的MTF分布可见，当填充因子为20％时，在截止频率区域内，优化后的结构MTF没有出现零点，未优化的结构MTF在归一化频率为0.3附近即出现零点，这说明经本发明设计优化方法处理后的结构，更有利于相应空间频率的信息恢复，提高了光学系统所成图像的清晰度。
附图5为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化前分辨率板的模拟成像图，附图6为本发明实施例中稀疏孔径光瞳结构设计优化后分辨率板的模拟成像图。参见图5和图6，由图中分辨率板线对可以明显地看出，优化结构模拟像高频部分线对分辨较清晰，而未优化结构模拟像高频部分线对分辨不清或完全不能分辨，优化结构所成图像清晰度明显高于未优化结构所成图清晰度。
权利要求
1.一种稀疏孔径光瞳结构，其特征在于它由9个直径相同的子镜构成，其分布结构为其中3个子镜的中心连线构成一个等边三角形，另外6个子镜的中心分别分布于该等边三角形的三条边上，每边2个，所述等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心连线构成三个相同的小等边三角形。
2.一种如权利要求1所述的稀疏孔径光瞳结构的设计优化方法，其特征在于所述的稀疏孔径光瞳结构中，等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心之间的距离s满足条件s=3d-ϵ]]>且稀疏孔径光瞳结构的填充因子F满足条件F≥0.1837+0.0906ϵd]]>其中d为子镜的直径，ε为修正系数，其取值范围为0＜ε≤0.15d。
全文摘要
本发明涉及空间遥感领域高分辨率光学遥感器中一种稀疏孔径光瞳结构及其设计优化的方法。所述的稀疏孔径光瞳结构由9个直径相同的子镜构成，其分布结构为每个子镜的中心连线构成一个等边三角形，该等边三角形每个顶点上的子镜与其相邻的子镜中心连线构成三个相同的小等边三角形。对该稀疏孔径光瞳结构进行设计优化的方法是采用控制子镜间距s和填充因子F。按本发明所提供的技术方案，稀疏孔径光瞳结构灵活，易于装调，且使其构成的光学系统的成像质量得到了较好的改善。
文档编号G01S17/89GK1776450SQ20051009577
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者吴泉英, 钱霖, 沈为民, 姚庆香, 高雪萍 申请人:苏州大学, 苏州科技学院