董 磊,王 斌,劉欣悅

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

傅里葉望遠(yuǎn)鏡優(yōu)于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的最大特點(diǎn)在于可以對不發(fā)光目標(biāo)成像并克服大氣擾動的影響[1～3],其中對暗弱目標(biāo)成像由激光主動照明技術(shù)實(shí)現(xiàn);而同時發(fā)射 3束激光通過相位閉合的方法可消除大氣擾動的影響;另外,改變發(fā)射望遠(yuǎn)鏡之間的基線長度可以提高成像分辨率。上述優(yōu)點(diǎn)使得傅里葉望遠(yuǎn)鏡成為對遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)高分辨率成像的理想系統(tǒng),其理論和實(shí)驗(yàn)研究已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道[4～7]。然而,傳統(tǒng)的 3光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡成像時間長的缺點(diǎn)使其僅能對靜止目標(biāo)成像。為了實(shí)現(xiàn)對快速運(yùn)動目標(biāo)高分辨率成像,必須減少成像時間,于是多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡每次發(fā)射光束的數(shù)目大于 3束,可以同時獲得大量的目標(biāo)傅里葉分量[8]。但是對低軌快速運(yùn)動目標(biāo)成像,需要將成像時間壓縮到 1 s左右,做到這一點(diǎn)涉及許多關(guān)鍵技術(shù),比如高功率長相干激光器的研制,光強(qiáng)均分和保偏技術(shù),大移頻帶寬聲光移頻器的研制等,而且每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均包含若干更具體的技術(shù)和性能指標(biāo),因此,研究多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)對其最終實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其發(fā)展有非常重要的意義。目前,雖然對多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)有一些原理和實(shí)驗(yàn)方面的報(bào)道[8～10],但是對于最終成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)尚未見報(bào)道。本文基于多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡的組成,詳細(xì)討論了其各個組成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)

多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡整個系統(tǒng)由光學(xué)、機(jī)械、電子和軟件等多個子系統(tǒng)共同組成,每個子系統(tǒng)均包含若干個關(guān)鍵技術(shù)。本文將分別論述光學(xué)分系統(tǒng)、機(jī)械分系統(tǒng)、電子分系統(tǒng)和軟件分系統(tǒng)這4個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 光學(xué)分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

光學(xué)系統(tǒng)主要分成發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分。多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射系統(tǒng)由激光光源、分光系統(tǒng)、傳遞光纖、光相位延遲器、聲光移頻器、空間濾波器和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡組成。傅里葉望遠(yuǎn)鏡的接收系統(tǒng)由大靶面的能量接收器、各級光能會聚系統(tǒng)、光譜濾波器、光電倍增管探測器組成。在上述的器件中,激光光源、光相位延遲器、聲光移頻器、光電倍增管探測器是較為重要的器件。下面將分別闡述 4種器件所需要的關(guān)鍵指標(biāo)。

由于多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡采用的是多束光同時發(fā)射,并且發(fā)射的光束數(shù)目越多獲得的目標(biāo)空間頻率分量越多,整體成像時間越短,所以對激光器的發(fā)射總功率要求較高。如果成像系統(tǒng)對1 000 km處的直徑約為 1 m的目標(biāo)成像,根據(jù)激光在大氣中的傳播和經(jīng)過目標(biāo)的散射的相關(guān)公式可以算出對每束激光功率的要求大約為 100 W,采用 20束發(fā)射光束則需要激光器的發(fā)射功率大約為 2 000 W。為了避免大氣擾動對條紋質(zhì)量的影響,在目標(biāo)表面形成清晰而又穩(wěn)定的干涉條紋,則需要激光相干長度至少為m量級。而 kW級的激光器保證相干長度滿足 m量級的要求本身就是一個較為嚴(yán)格的指標(biāo)要求。發(fā)射激光波長要盡可能選擇大氣窗口波段以降低散射和吸收對激光功率的損耗。激光器出射光束直徑和發(fā)散角的尺寸將會影響聲光移頻器的移頻效率:過大的光束直徑需要很大的聲光移頻晶體同時對射頻驅(qū)動功率有很高的要求;過大的發(fā)散角會降低一級衍射光的轉(zhuǎn)化效率,從而降低入射光能的利用率。所以,多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡對激光光源的要求主要是更高的發(fā)射功率,較大的相干長度,適當(dāng)?shù)牟ㄩL,較小的光束直徑和發(fā)散角,這些指標(biāo)構(gòu)成了所需激光器的關(guān)鍵技術(shù)。

由于激光相干長度不可能太長,而每次發(fā)射基線長度的不同 (發(fā)射望遠(yuǎn)鏡之間的距離不同)會造成任意兩束發(fā)射激光間的光程差不同,最大可能達(dá)到 10 m級,所以需要對每次發(fā)射時每束發(fā)射激光的相位進(jìn)行調(diào)整,以使每次發(fā)射時所有發(fā)射激光的相位保持一致。一般由于大氣湍流引起的光相位的變化為幾百個波長,這里可以按 1 000個波長計(jì)算,波長為 1μm,大氣折射率約為 1,產(chǎn)生的光程差約為 1 mm。千瓦級激光器的激光相干長度最好為 1 m,所以任意兩束激光總的光程差應(yīng)該 ＜1m才能夠保證在目標(biāo)表面形成干涉條紋。由大氣湍流引起的光程差為 1 mm,剩下的光程差由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)引起,其數(shù)值最好能夠小于1 cm。從前面的分析結(jié)果得到,由基線長度的不同引起的兩束激光的光程差可能高達(dá) 10 m,這將是發(fā)射系統(tǒng)引起光程差的主要部分,需要通過光相位延遲器加以調(diào)整。光相位延遲器的相位延遲范圍應(yīng)該 ＞10 m,用以補(bǔ)償基線長度不同引起的光程差和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)中元件產(chǎn)生的光程差。延遲器的調(diào)節(jié)精度應(yīng)該 ＜1 cm以保證補(bǔ)償后的兩束激光在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出瞳處的光程差 ＜1 cm,這樣,再加上大氣湍流引起的光程差后,總光程差 ＜1 m。除此之外,光相位延遲器的有效通光口徑、激光損傷閾值、延遲相位保持穩(wěn)定性對于其在多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的使用也有較為重要的作用。有效通光孔徑保證在入射激光截面內(nèi)都能夠產(chǎn)生均勻的相位延遲,激光損傷閾值使其在百瓦級激光連續(xù)照射下在系統(tǒng)工作時間內(nèi)性能穩(wěn)定,延遲相位的穩(wěn)定性應(yīng)該保證在系統(tǒng)工作時間內(nèi)相位變化小于1 cm。

為了保證任意兩束光對應(yīng)的目標(biāo)空間頻率成分能夠被解調(diào)出來,任意兩束光的光頻差均不相同。當(dāng)發(fā)射光束的數(shù)目很大時,需要的差頻數(shù)值將變得很大。如果采用簡單的單向完全歸納法,令最小的差頻值為 10 kHz,計(jì)算得出 23束激光的最大差頻值應(yīng)為 42 GHz,這對于現(xiàn)有的聲光移頻器帶寬來說是無法實(shí)現(xiàn)的。借助于 Golomb法則,最小差頻數(shù)值仍然選擇 10 kHz,23束激光對應(yīng)的最大差頻值為 3.72 MHz,該數(shù)值相對于前者小了4個數(shù)量級,對于目前商用聲光移頻器來說可以保證該帶寬。但是目前商用聲光移頻器的有效通光孔徑普遍較小,這是因?yàn)橛行ü饪讖皆酱蟪暡▊鞑r間越長,一級衍射光的轉(zhuǎn)換效率會降低,同時會消耗更高的功率。然而 kW級激光的光束有效截面一般較大,約為1 cm,在如此大的截面內(nèi)產(chǎn)生高效的一級光衍射對于聲光移頻器的制造來說也是一個新的挑戰(zhàn)。同時聲光驅(qū)動源的射頻功率穩(wěn)定性也是一個較為重要的問題,因?yàn)樯漕l功率的變化將導(dǎo)致一級衍射光功率的變化,為了產(chǎn)生明顯的干涉條紋,每束光的功率差別應(yīng)該小于 5%。而引起每束光功率變化的主要原因是激光器本身的激光輸出穩(wěn)定性,光路中不同元件對激光的吸收和散射,以及聲光移頻器的一級光衍射效率等等,所以聲光移頻器的一級光衍射效率波動最好在系統(tǒng)工作時間內(nèi)能夠低于 1%。當(dāng)然聲光移頻器的一級光衍射效率、激光損傷閾值、工作光譜范圍等指標(biāo)也應(yīng)該考慮在高功率激光情況下的特殊性。

由于對快速運(yùn)動目標(biāo)成像時,目標(biāo)距離遠(yuǎn)(1 000 km以內(nèi) )、面積小 (10 m2以內(nèi) )、運(yùn)動速度快、反射率低,所以經(jīng)過目標(biāo)散射后的激光被地面接收系統(tǒng)接收的能量很低。以文獻(xiàn) [9]為例,在接收到的光子數(shù)達(dá)到108/s時,由于采樣率高達(dá)MHz,所以單次采樣的光子數(shù)只有幾十個,如此低的光能水平要求探測器必須是單光子探測器,且需采用高增益的光電倍增管。要求光電倍增管的增益高,能夠探測到少數(shù)幾個光子的入射;暗電流噪聲低,以減少器件本身散粒噪聲對獲取信號的影響;探測器靶面大,能夠降低對前面光能收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;探測器的響應(yīng)帶寬大,能夠很好響應(yīng)MHz以上的信號。另外,探測器的光譜特性曲線能夠盡可能包含紅外波段,進(jìn)而能夠在發(fā)射激光波長獲得較高的量子效率。

除了光學(xué)分系統(tǒng)主要元件的關(guān)鍵技術(shù)外,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡陣列的優(yōu)化布局和聲光移頻器的移頻頻率的最優(yōu)選擇也是比較重要的。最簡單的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡陣列布局是方陣,通過改變發(fā)射望遠(yuǎn)鏡在方陣中的位置可獲得不同的目標(biāo)空間頻率信息。該布局方式也是冗余度很大的方式,其中有大量的空間頻率的重復(fù),這增加了發(fā)射次數(shù),延長了總成像時間。目前常見的冗余度較小的陣列是T型和環(huán)型,然而這些分布也不是非冗余的,所以有必要研究冗余度更低的分布方式陣列,以便減少成像時間,實(shí)現(xiàn)對速運(yùn)動目標(biāo)的高分辨率成像。對于聲光移頻器的移頻頻率,如果采用簡單單向歸納的方法將無法接收頻率信號,而采用 Golomb法則獲得的結(jié)果可以在現(xiàn)有聲光移頻器上得到體現(xiàn),然而 Golomb法則并不是最優(yōu)的,所以對最優(yōu)移頻帶寬的研究對于降低總移頻帶寬和提高最低移頻頻率 (這對于高功率激光是非常重要的)將是非常必要的。

2.2 機(jī)械分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

總體來說,多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡對機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求并不高。因?yàn)槊總€發(fā)射光束的截面直徑只有 10 cm,所以只要求發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的有效孔徑 ＞100 mm就可以了,這樣的望遠(yuǎn)鏡在業(yè)余愛好者市場已經(jīng)非常普及。這里主要談到的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的指示和跟蹤精度、發(fā)射光束的快速穩(wěn)定切換和接收主鏡的拼接支撐結(jié)構(gòu)。

由于望遠(yuǎn)鏡基于發(fā)射光束在目標(biāo)表面形成不同周期和取向的干涉條紋為成像原理,條紋的周期和方向變化以及條紋的彎曲程度對能否準(zhǔn)確獲得目標(biāo)空間頻率分量有影響,所以需要通過計(jì)算機(jī)仿真來分析多大的條紋周期和方向變化以及條紋彎曲程度不會對空間頻率的獲取產(chǎn)生明顯影響。根據(jù)分析得出的數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出對發(fā)射望遠(yuǎn)鏡指示精度的要求。同時由于目標(biāo)的運(yùn)動速度較快,所以在目標(biāo)運(yùn)動過程中應(yīng)該保持條紋的周期、方向和形狀的變化在允許的范圍之內(nèi),以便根據(jù)具體的目標(biāo)運(yùn)動速度通過計(jì)算機(jī)仿真得出需要的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度。

為了減少總的成像時間,需要在每次發(fā)射光束后獲得大量不同的目標(biāo)傅里葉分量,這就要求每次發(fā)射時發(fā)射光束的位置均不相同,而每次發(fā)射的時間均很短,故需要在很短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多束光的快速切換。光束的具體切換方式取決于選擇的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡陣列的分布方式。文獻(xiàn)[9]介紹了一種分布方式,該方式采用 21個口徑約為 1 m的望遠(yuǎn)鏡組成 6邊形陣列,每個望遠(yuǎn)鏡包含 7個發(fā)射光束的可能位置。發(fā)射光束的快速切換便是實(shí)現(xiàn)在每個望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的 7個待選位置中選擇合適的位置同時發(fā)射 23束激光。文獻(xiàn) [9]中實(shí)現(xiàn)快速切換的裝置被稱為撥盤 (clicker),由反射光學(xué)元件組成。在快速切換的過程中需要考慮光束的方向是否會改變,切換精度是否能保證基線的長度變化在允許范圍之內(nèi),切換是否會有明顯的震動,是否會引起光束的長時間震動等等。

多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡的接收光學(xué)系統(tǒng)屬于能量系統(tǒng),接收主鏡不需要太高的光學(xué)精度,但是由于接收面積較大,估計(jì)為 100 m2,所以主鏡應(yīng)該采用多塊子鏡拼接或者多個望遠(yuǎn)鏡拼接的方式組成。如果采用多塊子鏡拼接的方式,每塊子鏡都需要兩維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)所有子鏡的共焦,這將是一個很龐大的系統(tǒng),對于支撐調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)將是一個挑戰(zhàn)。如果采用多個望遠(yuǎn)鏡拼接的方式,為了實(shí)現(xiàn)接收能量的最大化,需要考慮采用多大口徑的望遠(yuǎn)鏡和排列布局,如此多望遠(yuǎn)鏡的支撐結(jié)構(gòu)將是一個需要研究的難題。

2.3 電子分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡整個系統(tǒng)主要采用的是現(xiàn)有商用產(chǎn)品集成在一起組成性能優(yōu)越的高分辨率成像系統(tǒng),自身需要專門設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)不是很多,但也有幾點(diǎn)需要特別注意。

首先是同步問題。發(fā)射光學(xué)分系統(tǒng)中每個發(fā)射望遠(yuǎn)鏡對應(yīng)的光束快速切換裝置彼此必須保持同步,這樣能減少等待時間,從而降低總的成像時間。與此類似,光相位延遲器與每束發(fā)射光束的同步同樣是非常重要的。由于接收光學(xué)系統(tǒng)采用多塊子鏡拼接或者多個望遠(yuǎn)鏡拼接,最遠(yuǎn)的兩個子鏡或者望遠(yuǎn)鏡之間的距離可以達(dá)到幾 m,對應(yīng)接收光信號的時間差約為 10-8s,而光信號的最高調(diào)制頻率對應(yīng)的周期約為 10-7s,與光信號的時間差比較接近,可能會因?yàn)闀r間差造成每個子鏡或望遠(yuǎn)鏡接收的光信號的調(diào)制波形的波峰或者波谷無法重合,從而引起合成電信號的畸變而產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲,所以需要通過電子延遲技術(shù)使得每個子鏡或者望遠(yuǎn)鏡單元產(chǎn)生的電信號的波形同步,以獲得信噪比較高的合成信號,從而提高最終重構(gòu)圖像的質(zhì)量。

其次是電磁屏蔽。由于發(fā)射光學(xué)分系統(tǒng)中含有聲光移頻器,該設(shè)備需要射頻電信號驅(qū)動超聲換能器產(chǎn)生超聲波,這可能會影響到其它設(shè)備的正常工作,比如高功率激光器、光束快速切換裝置等等,所以,應(yīng)該做到聲光驅(qū)動源的良好屏蔽和各設(shè)備的接地。接收光學(xué)分系統(tǒng)中的光電倍增管屬于高壓設(shè)備,會對周圍電子設(shè)備產(chǎn)生一定的輻射影響,應(yīng)該對其加以屏蔽。對于發(fā)射 20束以上光束配置中使用的高速A/D轉(zhuǎn)換卡,采樣率可能高達(dá) 100 MHz,很容易受到外界電磁幅射的影響,所以應(yīng)該考慮合適的屏蔽措施加以保護(hù)。

最后需要注意的就是系統(tǒng)的配電。由于發(fā)射光學(xué)分系統(tǒng)和接收光學(xué)分系統(tǒng)中包含了不少大功率的用電設(shè)備,每個設(shè)備對電壓穩(wěn)定性和電壓波紋等指標(biāo)的要求均不相同。對于大功率激光器,為了產(chǎn)生穩(wěn)定的激光功率輸出,應(yīng)該采取單獨(dú)配電。另外,驅(qū)動發(fā)射望遠(yuǎn)鏡位置移動以及俯仰和方位旋轉(zhuǎn)的電機(jī)需要很大的電流,也應(yīng)該單獨(dú)配電。光學(xué)接收分系統(tǒng)中控制拼接子鏡或望遠(yuǎn)鏡俯仰和方位旋轉(zhuǎn)的電機(jī)同樣需要整體單獨(dú)配電。高速A/D采集卡需要電壓穩(wěn)定波紋較小的電源供應(yīng)來保證其采樣精度,而其采用的是 PCI板卡的封裝方式插入電腦主板中,所以對電腦的供電有較高的要求。

2.4 軟件分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)射光學(xué)分系統(tǒng)中的軟件主要實(shí)現(xiàn)光束快速切換的同步控制以及發(fā)射望遠(yuǎn)鏡位置移動和俯仰方位旋轉(zhuǎn)的同步控制。每次發(fā)射都需選擇對望遠(yuǎn)鏡中的哪束光進(jìn)行發(fā)射,以保證該次發(fā)射的任意兩束激光對應(yīng)的空間頻率沒有冗余,同時也要保證和之前發(fā)射的任意兩束激光對應(yīng)的空間頻率均不相同。這關(guān)系到需要的發(fā)射次數(shù)和總成像時間,發(fā)射冗余越低,成像時間越短。設(shè)計(jì)合理的程序控制光束快速切換裝置,實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的快速準(zhǔn)確選擇將是系統(tǒng)研究中非常重要的一環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)對快速運(yùn)動目標(biāo)的準(zhǔn)確指示和精密跟蹤,需要對每次發(fā)射時的望遠(yuǎn)鏡的位置和俯仰方位取向進(jìn)行精確調(diào)整,在保證發(fā)射望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)調(diào)整和光束快速切換裝置的光束選擇同步的前提下,還要確保每次發(fā)射的所有光束都能同時精確對準(zhǔn)目標(biāo),這在系統(tǒng)研究中同樣是非常關(guān)鍵的。

接收光學(xué)分系統(tǒng)中的軟件主要用于實(shí)現(xiàn)多光束的時間解調(diào)、快速相位閉合算法、目標(biāo)傅里葉分量的恢復(fù)和最終的圖像重構(gòu)。由于多光束調(diào)制頻率的不同并且是非均勻分布,時間解調(diào)不能采用3光束的簡單解調(diào)方式而需要構(gòu)想出一種新的非均勻時間解調(diào)方法。同時為了減少相位閉合所占的時間,需要研究更快的閉合算法。為了減少激光散斑噪聲和探測器噪聲的影響,提高目標(biāo)傅里葉分量信息的信噪比并最終重構(gòu)高質(zhì)量圖像,需要研究新的目標(biāo)傅里葉分量恢復(fù)算法和更優(yōu)的圖像重構(gòu)算法。

3 結(jié)束語

傅里葉望遠(yuǎn)鏡以其主動成像、合成孔徑、相位閉合等優(yōu)勢成為遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)成像技術(shù)中最具競爭力的一種。多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡則突破了傳統(tǒng) 3光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡只能對靜止目標(biāo)成像的限制,可以對遠(yuǎn)距離快速運(yùn)動目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像,但目前該項(xiàng)技術(shù)在光學(xué)機(jī)械、電子和軟件方面均存在技術(shù)瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡成像技術(shù),本文基于多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡的組成,對其在光學(xué)、機(jī)械、電子和軟件等方面的關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行了研究,本文的研究工作將對多光束傅里葉望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的順利研制提供參考。

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