大口径光学合成孔径成像技术发展现状

摘要：简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比，光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点，是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。

关键词：合成孔径成像；镜面拼接；稀疏孔径；阵列望远镜

1 引言

高分辨率成像系统在空间科学和军事应用方面都有着十分重要的意义。由于存在衍射极限，光学系统的极限角分辨率受制于光波波长和光学系统的孔径。随着对光学系统分辨能力要求不断提高，这就要求对于在一定波段下工作的光学系统，不断加大其系统孔径。但实际应用中由于种种因素的限制（例如制造材料、制造技术、机械结构、发射体积和重量等等），使得单孔径系统孔径的增加变得极为困难。光学合成孔径成像技术为提高成像系统分辨率提供了新的方法。

所谓光学合成孔径，就是通过一系列易于制造的小孔径系统组合拼接成大孔径光学系统以实现大孔径系统的高分辨率要求。根据光学成像理论可知光学系统成像必须满足几何光学的等光程条件和物理光学的同相位条件。由于合成孔径成像系统的面型精度、控制精度和结构设计，要使位相精度在十分之一个波长内，并且光学波段的波长较小，因此，在光学波段的合成孔径发展较为缓慢。直到最近十几年内，随着加工和控制技术的发展，光学波段的合成孔径才有了较快的发展。目前以美国为代表的世界各科技大国都将合成孔径作为各自的实现高分辨成像系统的主要研究对象之一，并已取得许多突破性进展。

2 光学合成孔径的发展历史

光学合成孔径技术的发展大致可以分为3个阶段：思想的起源、理论研究和系统研制试验。光学合成孔径成像的起源很早，可以追溯到1896年斐索提出在望远镜物镜前放置两个小孔通过干涉测量星体直径的思想。但是由于时代技术条件的限制，其思想并没有得到很好的实践。20世纪70年代，美国Ｍｅｉｎｅｌ在AO发表文章《ＡｐｅｒｔｕｒｅＳｙｎ ｔｈｅｔｉｃＵｓｉｎｇＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＴｅｌｅｓｃｏｐｅｓ》，拉开了现代光学合成孔径技术理论研究的序幕。在随后的20年里，美国科研人员进行了大量的理论研究并且研制了实验样机。20世纪90年代，世界各国相继研制了大量地基合成孔径望远镜并投入使用，为光学合成孔径的研究积累了大量的技术资料。进入新世纪后，2001年，法国的Ｒｏｕｓｓｅｔ等人在Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ上发表《Ｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈｍｕｌｔｉａｐｅｒｔｕｒｅｏｐｔｉｃａｌｔｅｌｅｓｃｏｐｅａｎｄａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ》探讨了合成孔径技术对地观测的可能性。在随后的几年里美国的多家研究机构相继研制了天基合成孔径系统的试验样机。

目前，光学合成孔径技术已经成为当前国际上的一个前沿研究领域，美国、俄罗斯、法国、德国以及中国都十分重视光学合成孔径技术的研究。

3 光学合成孔径结构

合成孔径的镜面结构有3种形式：镜面拼接（ 如 ＪＷＳＴ） 、稀疏孔径（ 如 ＧＭＴ） 和位相阵列（ 如ＶＬＴ） 系统。光学系统的结构可以分为迈克尔逊型和斐索型。目前的研究往往是将各类结构单独研究， 不利于光学合成孔径系统的仿真建模。无论哪种结构， 都可以看作是单一口径的光学系统的镜片进行逐步离散变化形成。

各类系统的结构都可以看作是镜面拼接， 稀疏孔径再到位相阵列望远镜其实质就是主镜和次镜由空间连续变化为空间离散的过程， 在变化的过程中， 为了方便空间结构设计和光学系统像差校正， 再对本来位于同一面型上的主次镜进行面型变化和主次镜之间结构变化。光学系统成像要求采样得到的点光源发出的球面波波面必须保证在同一个等相面上， 也就是同相位条件（ 等光程条件） 。实际光学系统， 能引起波像差的因素可以分为 ４ 类：光学系统设计像差（ 系统波相差） ，镜面加工误差（ 如镜面粗糙度误差， 折射率误差等） ， 装调误差（ 活塞误差， 倾斜误差等） 和使用环境的影响（ 重力， 温度和震动等） 。（ １ ） 迈克尔逊型和斐索型结构相比各有优劣：迈克尔逊型结构可以充分利用现有的望远镜系统设计， 并且可实现较大视场， 但如果主镜为非球面或更复杂的高次曲面， 加工若干个离轴子镜相对困难且成本较高， 目前美国的 Ｉｔｅｋ 公司和 Ｐｅｒｋｉｎｓ Ｅｌｍｅｒ 公司的数控抛光机可以实现其加工， 并且可保证其高精度的面型控制。但迈克尔逊型结构的子镜匹配误差难以保证， 增大了系统的实现难度。（ ２） 斐索型结构中， 由于每个子系统各自独立， 可减少大孔径系统的像差的影响， 但由于每个子系统各自的焦点仅对一个物点重合， 其他物点都会产生离焦和错位， 因此不容易实现大视场系统。

４ 光学合成孔径成像原理
光学合成孔径系统的成像方式有两类：直接成像和干涉成像。直接成像和单孔径成像的方式相同。干涉成像根据范西特泽尼克定理（ Ｖａｎ ＣｉｔｔｅｒｔＺｅｒｎｉｋｅ ｔｈｅｏｒｅｍ） ， 利用干涉图样测量目标源的复相干度谱， 然后利用傅里叶逆变换得到光源的大小和强度分布， 实现对目标的间接成像。图 １ 分别示意了单一孔径、光学合成孔径直接成像和间接干涉成像的原理。图中只画出了一维图形， 二维情况可由一维类推。图中左列表示频域图形， 右列表示空域图形。⌒表示傅里叶变换，  表示卷积， × 表示乘法。从其原理示意图可以看出单一孔径成像时， 同时获得物体的不同空
间频率信息， 但受到截止频率的限制， 高于截止频率的信息丢失。光学合成孔径直接成像时， 同样是同时获得物体的不同空间频率信息， 但是由于孔径的扩大， 其获得的空间频率要多于单一孔径，即其截止频率一般大于单一孔径时的截止频率。间接成像需要通过改变孔径之间的距离获取不同空间频率的图像。因此， 需要应用范西特泽尼克定理将不同的空间频率图像合成为一幅图像。间接成像不能实现实时成像。

5 国内外发展现状
合成孔径按其技术实现方式可以分为镜面拼接（ ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｍｉｒｒｏｒ） 、稀疏孔径（ ｓｐａｒｓｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）和位相阵列系统（ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ） 。从光路的结构

......

７ 结束语

与单一口径光学系统相比， 光学合成孔径技术能够在获得极高分辨率，又能低加工难度， 有利于降低发射体积和重量，节约发射成本，但由于合成孔径的共相位要求的严格， 对系统的装调、加工和控制精度提出了更高的要求，目前天基合成孔径系统还处于实验室阶段。

虽然目前光学合成孔径系统蓬勃发展，但是仍有两个重要不足：

（ １ ）目前，光学合成孔径的共相位要求仍是制约光学合成孔径应用的主要问题， 如何时刻保证光学合成孔径的波像差 ＰＶ 值在 λ ／４，ＲＭＳ值
在 λ ／１０ 是目前研究的重中之重。目前的方法只是处于实验室研究阶段， 还不够完善， 难以运用到实际中。

（ ２）随着孔径的增大，光学系统视场内的像差难以校正，光学合成孔径自身中频下降，如何在不增加系统重量的情况下通过图像处理的方法校正像差和中频下降将成为新的挑战。

为了提高成像系统的分辨率，光学合成孔径成像技术随着各项技术的发展， 将成为未来高分辨成像系统的主要发展方向。
源自于：光行天下