消除狭缝衍射对波前探测影响的方法及拼接式望远镜系统

本发明涉及空间望远镜，具体提供一种消除狭缝衍射对波前探测影响的方法及拼接式望远镜系统。

背景技术：

1、研制大口径空间望远镜将带动和引领一批相关前沿产业的发展，不仅能提高各国科学前沿领域的原始创新能力，还符合各国经济发展需求，对于进一步提升各国的国际地位和国际影响力具有重要意义。

2、现有的大口径空间望远镜主要分为两种，分别是：“整体式”空间望远镜、“拼接式”空间望远镜。采用单镜面的“整体式”空间望远镜由于受到整机运载发射等限制，有效口径难以进一步增大，无法实现超大口径的应用。而采用“拼接式”的结构形式可有效突破口径限制，是目前大口径空间望远镜的重要研制方向。“詹姆斯•韦布”空间望远镜（jwst）取得的巨大成功有利力地证明了“拼接式”空间望远镜的优越性。

3、为使拼接式空间望远镜和等同口径的整体式空间望远镜具有相同的成像质量，需要使用主动光学技术调整各拼接子镜及次镜等光学元件的位姿状态，使系统成像质量接近衍射极限。主动光学技术包括三个部分：波前探测、调整量解算和实施校正。其中，高精度波前探测是保障望远镜成像质量的前提。

4、然而，由于拼接式空间望远镜固有的狭缝衍射，使像面点斑图像不仅是光瞳函数的远场夫琅禾费衍射，还叠加了狭缝衍射，形成复杂的“星芒”，这种“星芒”效应会导致像面点斑图像部分像素点的灰度值发生改变，从而影响波前相位的解算。在现有的波前探测技术中，主要基于夫琅禾费远场衍射原理，利用各个像素点的灰度值来解算波前相位，但在该过程中并未考虑狭缝衍射对波前相位解算的影响。此外，由于狭缝衍射与光瞳函数远场夫琅禾费衍射的叠加，无法有效区分狭缝衍射与光瞳函数远场夫琅禾费衍射对单一像素点灰度值的影响，这进一步降低了系统波前传感的精度。

5、因此，亟需一种能够抑制狭缝衍射对拼接式空间望远镜波前探测精度影响的方法。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，通过交叉应用gs（gerchberg-saxton）算法与pd（phase diversity）算法进行出瞳面相位恢复，并利用图像处理方法提高拼接式空间望远镜在轨波前探测精度，能够有效抑制狭缝衍射对拼接式空间望远镜波前探测精度的影响。

2、本发明提供的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，包括：

3、s1：采集在焦的像面点斑图像和离焦的像面点斑图像；

4、s2：通过gs算法分别解出在焦的像面点斑图像和离焦的像面点斑图像的出瞳面相位，结合离焦的像面点斑图像的离焦量设计系统出瞳面相位的最佳估计值；

5、s3：基于pd算法构建系统出瞳面相位求解的目标函数，并以系统出瞳面相位的最佳估计值作为寻优初值，计算系统出瞳面相位；

6、s4：对s2和s3进行迭代计算，单次迭代为：

7、将s3计算得到的系统出瞳面相位作为gs算法的初始随机相位，重新执行s2，计算出新的系统出瞳面相位最佳估计值；将新的系统出瞳面相位最佳估计值作为pd算法的新的寻优初值，重新执行s3；

8、满足迭代终止条件后，则得到最终的系统出瞳面相位。

9、优选的，在s1中，还包括：通过高斯滤波掩模对在焦的像面点斑图像和离焦的像面点斑图像进行滤波，修正像素灰度值。

10、优选的，获取滤波后在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和滤波后离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵，将和分别代入基于gs算法的相位恢复模型，解出在焦的像面点斑图像的出瞳面的相位二维矩阵和离焦的像面点斑图像的出瞳面相位的相位二维矩阵。

11、优选的，系统出瞳面相位的最佳估计值的计算式为：

12、；

13、其中，为离焦的像面点斑图像的离焦量。

14、优选的，构建系统出瞳面相位求解的目标函数之前，还包括：依据空间望远镜的狭缝衍射条纹光强分布规律设置像素筛选模板，狭缝衍射条纹位置处的像素值为0，其他位置处的像素值为1。

15、优选的，将滤波后在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和滤波后离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵分别与像素筛选模板的强度二维矩阵，得到像素筛选模板筛选后的在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和像素筛选模板筛选后的离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵。

16、优选的，系统出瞳面相位求解的目标函数为：

17、；

18、其中，为目标函数的解，即待求解的系统出瞳面相位，表示任意经过像素筛选模板筛选后的像面点斑图像的强度二维矩阵，即和，表示傅里叶逆变换，表示系统光瞳，为虚数单位，表示初始随机相位，表示所选的像面点斑图像的总数，即为2。

19、优选的，迭代终止条件为：

20、；

21、其中，表示迭代次数，表示第次迭代计算得到的系统出瞳面相位，表示第-1次迭代计算得到的系统出瞳面相位，为根据波前探测精度设定的常量。

22、一种拼接式望远镜系统，利用消除狭缝衍射对望远镜波前探测精度影响的方法进行波前探测。

23、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

24、本发明通过交叉应用gs算法与pd算法准确获取了拼接式空间望远镜的系统出瞳面相位，并通过高斯滤波掩模在频域上对拼接式空间望远镜固有狭缝衍射进行抑制，降低了狭缝衍射对有效像素灰度值的干扰；gs算法通过两次傅里叶变换能够快速计算出系统出瞳面相位，像素级pd算法可以剔除除受狭缝衍射影响的像素点，并利用其余像素点构建系统出瞳面相位求解目标函数，通过gs算法与像素级pd算法的交叉迭代、优势互补，可以大幅提高计算得到的系统出瞳面相位精度，能够最大程度上抑制拼接式空间望远镜固有狭缝衍射对系统波前传感精度的影响，有效提高了拼接式空间望远镜波前探测精度。

25、此外，目前关于抑制狭缝衍射对波前探测精度影响的研究尚处于空白，本领域中缺少能够有效消除拼接式空间望远镜固有狭缝衍射影响的方法，本发明弥补了这一研究上的空白，对于提高波前探测精度具有积极意义。

技术特征：

1.一种消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，在所述s1中，还包括：通过高斯滤波掩模对所述在焦的像面点斑图像和所述离焦的像面点斑图像进行滤波，修正像素灰度值。

3.如权利要求2所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，获取滤波后所述在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和滤波后所述离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵，将和分别代入基于gs算法的相位恢复模型，解出所述在焦的像面点斑图像的出瞳面的相位二维矩阵和所述离焦的像面点斑图像的出瞳面相位的相位二维矩阵。

4.如权利要求3所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，所述系统出瞳面相位的最佳估计值的计算式为：

5.如权利要求3所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，构建系统出瞳面相位求解的目标函数之前，还包括：依据空间望远镜的狭缝衍射条纹光强分布规律设置像素筛选模板，狭缝衍射条纹位置处的像素值为0，其他位置处的像素值为1。

6.如权利要求5所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，将滤波后所述在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和滤波后所述离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵分别与像素筛选模板的强度二维矩阵，得到像素筛选模板筛选后的所述在焦的像面点斑图像的强度二维矩阵和像素筛选模板筛选后的所述离焦的像面点斑图像的强度二维矩阵。

7.如权利要求2所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，系统出瞳面相位求解的目标函数为：

8.如权利要求1所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法，其特征在于，所述迭代终止条件为：

9.一种拼接式望远镜系统，其特征在于，利用权利要求1至8任意一项所述的消除狭缝衍射对波前探测影响的方法进行波前探测。

技术总结
本发明涉及空间望远镜技术领域，具体提供一种消除狭缝衍射对波前探测影响的方法及拼接式望远镜系统，通过GS算法求解在焦图像和离焦图像的出瞳面相位，结合离焦量已知的前提条件，优化系统出瞳面相位求解精度，将优化后的系统出瞳面相位作为最佳估计值；再通过PD算法构建系统出瞳面相位求解的目标函数，通过L‑BFGS算法寻优求解目标函数，并以GS算法得到的最佳估计值作为目标函数的寻优初值，计算系统出瞳面相位；通过GS算法和PD算法的交叉迭代，实现高精度出瞳面相位求解，有效抑制了狭缝衍射对拼接式空间望远镜波前探测精度的影响。

技术研发人员：谷茜茜,白晓泉
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5