基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统技术方案

一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳‑辛钦望远镜系统。该系统包括空间随机相位调制模块及光电探测模块部分，空间随机相位调制模块部分包括对接收光场的进行空间随机相位调制的空间随机相位调制模块件(如随机相位屏、空间光调制器、定制超表面器件等)。光电探测模块部分包括一个光电探测模块和计算机。该系统基于光场高阶关联理论，利用光场高阶空间自关联获取目标信息，作为一种被动照明下的新型无透镜成像系统，克服了透镜的口径限制，为被动天文观测和遥感模式下(尤其是X光波段)的超大口径探测领域的提供了新的理论和技术途径。

Lenseless Wiener-Hinchin Telescope System Based on High-order Spatial Autocorrelation of Light Field

A lensless Wiener-Hintsin telescope system based on high-order spatial self-correlation of light field is presented. The system consists of a space random phase modulation module and a photoelectric detection module. The space random phase modulation module includes a space random phase modulation module (such as a random phase screen, a space light modulator, a custom super surface device, etc.) for the received light field. The photoelectric detection module includes a photoelectric detection module and a computer. Based on the theory of high-order correlation of light field, the system uses high-order spatial self-correlation of light field to obtain target information. As a new type of lensless imaging system under passive illumination, it overcomes the aperture limitation of lens, and provides a new theoretical and technical approach for the field of ultra-large aperture detection in passive astronomical observation and remote sensing mode, especially in X-ray band.

【技术实现步骤摘要】
基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统
本专利技术涉及望远镜系统，特别是一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦成像系统。
技术介绍
成像系统的分辨率受波长和系统口径的影响，波长越短、口径越大，系统的分辨率越高。因此，在天文探测及遥感观测中，增大光学系统口径是提高系统分辨率的重要手段。此外，光学系统收集的光学能量正比于系统口径的平方，因此增大光学系统口径对暗弱目标的探测至关重要。目前的大口径成像系统方案仍存在诸多制约和不足。整体式单体镜成像系统设计结构简单，成像质量高，但是受制于制造工艺、运载器运载体积及运载重量；空间分块可展开成像系统利用小口径拼接实现大口径成像，降低了加工成本，但是所需的高精度波前传感与展开面形精密控制系统成本巨大；膜基反射成像系统面密度低、收藏体积小、质量轻，但是面形精度差，距离实际应用还有较大距离；衍射成像系统，质量轻，面形误差要求较低，可选择材料多，可实现超大口径成像，但是成像带宽窄，能量利用率低，视场小；光学干涉合成孔径成像系统，通过小口径的排布实现大口径高分辨率成像，但是系统能量利用率低，信噪比低，目前处于地面原理验证阶段。此外，由于大气环境的扰动，在天文探测中，目前的天文探测的成像系统多采用天基；而地基的成像系统则需要结合自适应技术，整体系统技术复杂。随着天文观测和对地遥感技术的进一步发展，为了满足超大口径(几十米到百米量级)以及超短波长(例如X光)的光学成像的需求，无透镜成像系统是潜在的理论和技术方案。从成像机理来看，目前的无透镜成像系统主要有以激光扫描成像雷达为代表的逐点扫描成像、孔径编码成像、相干衍射成像，以及基于鬼成像理论的无透镜成像方案。逐点扫描成像，由于为主动照明，在天文观测和对地遥感方面的应用中受到限制；孔径编码成像，由于基于振幅调制，会损失部分光能，系统的能量利用率受限；相干衍射成像，要求为相干光成像，在被动天文观测和对地遥感模式下的光学波段难以实现；而基于鬼成像理论的无透镜成像方案，利用光场高阶关联获取目标信息，但是对于未知距离的待测天文目标的标定非常困难且不准确，因此在天文探测上，尤其是X光天文成像方面难以应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统，以实现对天文待测目标的无透镜成像，克服传统透镜成像系统的口径限制，大大提高系统的成像分辨率和能量利用率，为被动天文观测和遥感模式下的超大口径探测领域的提供了新的理论和技术途径。空间随机相位调制模块实现对光场的随机波前相位调制，一方面在探测面生成随机光强分布，另一方面实现在通过空间随机相位调制模块的极近场衍射，将真热光变成空间强度随机起伏的赝热光，利用空间随机相位调制模块的遍历特性探测空间探测光场强度起伏，从而无需超快测量时间起伏的真热光。该系统首先利用空间随机相位调制的探测光场的光场高阶空间自关联重新实现了探测光和待测目标信息在光场高阶关联空间的点到点映射。第二步为数据重构：基于维纳-辛钦定理，利用待测目标的稀疏先验信息及纯振幅先验信息，通过线性或非线性优化的相位重构算法，从待测目标的光场高阶自关联空间的信息重构出在实空间维的信息。本专利技术的技术解决方案如下：一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统，包括空间随机相位调制模块和置于该空间随机相位调制模块后的光电探测模块，所述的空间随机相位调制模块对物体出射光场的相位进行随机相位调制。所述的基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统的角分辨率g(Δθ)以及空间随机相位调制模块与光电探测模块的距离z2，满足如下条件：其中，n、ω、ζ分别为所述的空间随机相位调制模块的折射率、高度均方差及横向关联宽度，P(μ+μ0)为所述的空间随机相位调制模块的光瞳函数，λ为工作波长，F表示傅里叶变换。所述的光电探测模块记录经过空间随机相位调制模块产生的散斑场。所述的空间随机相位调制模块是随机相位屏、空间光调制器或定制超表面。用于将物体对从物面发出的光场进行随机波前相位调制，并利用近场衍射将真热光变成空间强度随机起伏的赝热光。由于物面上的光场在空间上是非相干的，而且对于极远场的天文探测目标，视场内满足空间平移不变性(即在系统的记忆效应范围之内)，探测面上的散斑场光强分布是物面强度分布与系统单位响应函数的卷积。所述的光电探测模块是光电探测器，或者是由一个或者多个并行排列的中继成像系统以及光电探测器构成。所述的光电探测模块，对产生的散斑场进行空间采样测量。与现有技术相比，本专利技术的技术效果：1)通过空间随机相位调制模块建立了物面和探测面在光场高阶空间自关联维度的点到点映射，实现了无透镜成像。由于在天文探测中，目标的距离是未知的，传统无透镜压缩感知成像系统和无透镜鬼成像系统的测量矩阵或标定难以实现，因此，难以应用到天文探测上，尤其是超远距离的X光天文探测。与传统的无透镜成像系统相比，该系统既不需要测量矩阵，也不需要对系统成像过程进行标定，因此，适用于天文探测。2)该系统无需已知系统测量矩阵或标定过程，系统简单，能量利用率高，鲁棒性好。无透镜的成像方式，克服了透镜口径的限制，能够实现超高分辨率天文探测。附图说明图1为本专利技术基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统实施例1的结构框图。图中标记如下：a：物面1：空间随机相位模块2：光电探测模块2-1：光电探测器图2为本专利技术基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统实施例2的结构框图。图中标记如下：a：物面1：空间随机相位模块2：光电探测模块2-1：光电探测器2-2：中继成像系统具体实施方式下面结合图1来说明本基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统是如何实现无透镜望远成像的。如图1所示，物面a经过空间随机相位调制模块1的近场衍射，将入射真热光变成空间强度随机起伏的赝热光，从而产生光场强度空间随机分布的散斑场，再由光电探测模块2中的光电探测器2-1记录。由于物面上的光场在空间上是非相干的，而且对于极远场的天文探测目标，视场内满足空间平移不变性(即在系统的记忆效应范围之内)，探测面上的散斑场光强分布y是物面强度分布x与系统单位响应函数h的卷积。根据维纳-辛钦定理，在光场高阶空间自关联域中可以实现物面和探测面的点到点对应，再利用待测目标的稀疏先验信息及纯振幅先验信息，在计算平台通过线性或非线性优化的相位重构算法，从光电探测器2-1记录的待测目标信息重构出在实空间维的信息，该系统的成像分辨率取决于空间随机相位调制模块参数和光瞳函数影响，具体形式如下所示：其中，g(Δθ)为所述的基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统的角分辨率，n、ω、ζ分别为所述的空间随机相位调制模块的折射率、高度均方差及横向关联宽度，P(μ+μ0)为所述的空间随机相位调制模块的光瞳函数，z2为所述的空间随机相位调制模块与光电探测模块的距离，λ为工作波长，F表示傅里叶变换。图2对应的成像过程与图1相同。差别在于，在图2中，光电探测器2-1通过中继成像模块2-2记录经过空间随机相位调制模块产生的散斑场。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳‑辛钦望远镜系统，其特征在于该系统的构成包括空间随机相位调制模块(2)和置于该空间随机相位调制模块后的光电探测模块(3)，所述的空间随机相位调制模块对物体出射光场的相位进行随机相位调制。

【技术特征摘要】
1.一种基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统，其特征在于该系统的构成包括空间随机相位调制模块(2)和置于该空间随机相位调制模块后的光电探测模块(3)，所述的空间随机相位调制模块对物体出射光场的相位进行随机相位调制。2.根据权利要求书1所述的基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统，其特征在于：所述的基于光场高阶空间自关联的无透镜维纳-辛钦望远镜系统的角分辨率g(Δθ)以及空间随机相位调制模块与光电探测模块的距离z2，满足如下条件：其中，n、ω、ζ分别为所述的空间随机相位调制模块的折射率、高度均方差及横向关联宽度，P(μ+μ0)为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震涛，韩申生，沈夏，刘红林，喻虹，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31