光学合成孔径成像系统是利用多个小口径望远镜排列成稀疏孔径阵列来增大系统等效口径, 从而实现大口径光学系统的高分辨成像效果。子孔径间的共相误差探测是实现合成孔径系统高分辨率成像的重要前提, 该技术一直是该领域研究人员关注的焦点之一。新兴的人工智能及大数据技术为合成孔径成像系统共相误差探测提供了新思路和开辟了新方向。本文在简要回顾合成孔径成像系统共相误差探测方法的基础上, 介绍和分析了近年来深度学习技术在合成孔径成像系统共相误差探测方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了总结和展望。

共相光栅拼接技术是目前研制米级大尺寸阶梯光栅的重要手段，位移误差调整精度对光栅的拼接精度有决定性影响。为消除拼接光栅中的周期性位移误差，实现大尺寸阶梯光栅的共相拼接，从理论出发分析了位移误差对拼接光栅点扩散函数的具体影响，并基于干涉测量原理，提出了一种基于迈克耳孙干涉系统，利用白光和双波长测量技术相结合的光栅拼接位移误差检测调整方法。通过对比不同调整量下干涉条纹位移变化的模拟计算结果与纳米位移平台实验结果，分析了傅里叶分析算法的计算精度，进而实现了位移误差的精确调整。实验计算结果表明，白光双波长测量技术实现的拼接光栅位移误差Δz小于6 nm，可满足大尺寸拼接光栅的共相检测要求。

为了拓展精共相阶段平移误差的检测范围、缩减检测流程以及减少多方法检测在衔接过程中的装校要求,本文提出基于多波长干涉技术的拼接镜共相检测方法。在粗共相阶段,采用单色激光干涉以及白光干涉分别实现百微米以及微米量级的平移误差标定;在精共相阶段,采用双波长激光干涉实现微米级平移误差的高精度检测。以整镜中剖出的两块六边形球面子镜为测试对象,采用红绿激光双波长移相干涉仪与白光显微干涉仪对所提的技术方案进行实验验证,提出基于拼接镜面形检测数据的相对平移误差解算算法,设计并构建一套拼接镜共相装校系统。粗共相阶段标定平移误差至微米量级后,在精共相阶段子镜间平移误差可由601.6 nm补偿至16.0 nm。

拼接镜面共相技术是大口径望远镜研制中的关键技术之一,共相精度主要取决于边缘传感器的测量精度。针对大口径拼接镜面望远镜的共相需求,提出一种基于光学等厚干涉原理的边缘传感器设计方案,阐述其基本原理并给出该边缘传感器的结构图。利用数据拟合和图像处理方法,对该方案进行仿真模拟,仿真结果显示该方案的测量精度可以达到倾斜误差为0.02″,平移误差为20 nm,可以满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测需求。

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>10 5)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4 μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。

为了实现拼接镜平移误差的大量程、快速检测, 提出了一种利用白光(400~700 nm)远场光斑相干性来检测拼接镜piston误差的方法。该方法以两半圆孔间的非相干衍射图案为模板, 利用互相关算法求解实际衍射图案与模板图案间的互相关系数, 通过设定0.85阈值, 实现拼接镜piston误差的粗共相检测。搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统, 其中拼接镜是由4块对边长为100 mm, 曲率半径为2 000 mm的正六边形球面反射镜组成, 利用白光(400~700 nm)远场光斑相干性测量拼接主镜各子镜间平移误差的方法进行了理论与仿真分析。利用波前探测器和主动光学技术实现了拼接镜精共焦误差的检测与调节, 通过远场光斑相干性和主动光学技术实现了粗共相的检测和调节。实验表明: 该方法耗时短、能量利用率高, 可实现无限量程、±250 nm精度的检测和调节, 适合拼接镜的粗共相检测和调节。

针对空间光干涉望远镜提出了一种基于四棱锥波前传感器的相位平移误差检测与闭环校正方法.该方法依次在三种不同波长条件下, 用四棱锥传感器检测两两子镜间的平移误差, 并依据实时测量结果控制子镜产生相应的校正平移量, 直到将平移误差校正到所用半波长的整数倍, 而后根据已知的波长数据和子镜平移量数据计算得到真实的平移误差, 进而对平移误差进行闭环校正.以两个子镜构成的空间望远镜为研究对象, 对该检测与闭环校正方法进行了仿真验证.仿真结果表明, 该方法可在500 μm范围内对相位平移误差进行准确闭环校正, 具有纳米级的精度与良好的重复性.

色散条纹共相误差检测技术需要以一定的方法对采集的色散条纹图像进行分析处理,才能得到所对应的平移误差值。与其他色散条纹分析方法相比,主峰位移提取法能够同时适用于大量程以及一个波长以内小量程的平移误差检测。但是,该方法的检测精度容易受到条纹中心线标定误差的影响。为对该影响进行修正,首先通过分析平移误差对双孔衍射图样的影响,提出了一种条纹中心线位置自适应提取方法;在此基础上,结合主峰位移提取法的基本原理,提出了修正条纹中心线标定误差影响的方法;最后搭建实验光路,验证了所提修正方法的有效性。实验结果表明,在存在中心线标定误差的情况下,所提方法能够取得小于30 nm的测量精度,相比于修正之前精度大大提高。该方法有效地提高了主峰位移提取法的的抗干扰能力与工程实用性。

多孔径相干成像技术通过子孔径相干合成, 可以实现高分辨成像, 子孔径间的共相误差是其关键问题。影响子孔径共相的误差主要包括单个子孔径内的高频误差和子孔径之间的定位误差(平移和旋转), 通过对图像锐度进行优化校正相位误差。针对三孔径相干系统进行了仿真研究, 结果表明, 基于随机搜索算法的锐度优化方法对子孔径内的高频误差和子孔径间的平移误差有良好的校正效果, 然而对子孔径间的旋转误差效果却很差, 通过在一定区间内计算合成图像的锐度指标随子孔径旋转角度的变换, 搜索极值从而可以有效提取子孔径之间的旋转角度误差。