一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种相位检测方法；涉及天体高分辨成像、天文终端设备、光学检测、恒星光干涉仪等技术领域，特别是涉及一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，更具体的涉及一种应用于恒星光干涉装置中为保证不同子孔径之间光程差匹配精度的相位检测方法。

背景技术

天文学家对高分辨率的追求从未停止，大部分恒星的角直径在毫角秒量级，国际上运行的望远镜均只能成点像，无法得到恒星表面的细节信息，即便是在建的39米望远镜E-ELT的分辨率也刚刚跨入毫角秒量级。高分辨率则对应着对望远镜口径有着更大的需求，而望远镜的口径不可能无限增大，同时望远镜的造价与口径的平方成正比关系，望远镜口径的增大，建造成本将极具上涨。

长基线式恒星光干涉技术，是将分立的多个望远镜的光通过相互干涉的方式实现高分辨率测量或是成像的方法，能够通过增加望远镜数量以及增长基线的方式进一步提高分辨率。当基线长度延长至百米量级，即可获得微角秒量级的天体测量能力以及成像观测能力。该方法的本质是精密测量干涉条纹的对比度，而地球自转、基线投影变化以及大气扰动等因素产生的光程差变化均会影响到对比度的测量精度。因此精密测定来自不同望远镜星光之间的光程差，并将其尽可能锁定在“0”位，使科学终端的星光干涉条纹能够进行长曝光记录，是实现高精度干涉测量的关键。

相位检测可测出相位量级的光程差变化，在恒星光干涉仪设计中配合延迟线等设备实时调节光程差，实现精密的条纹对比度的测定。相位检测方法需要根据实际检测范围与环境条件调整，常见于面型检测等领域的相位检测方法并不能直接适用于恒星光干涉仪。

发明内容

为了解决现有相位检测技术中存在的两点技术问题：1.不满足恒星光干涉设备的实时检测等需求；2.相位检测的动态范围不能覆盖不同子孔径星光之间光程差的变化区间。本发明提供一种基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法，具体方案如下：

将两束星光经过偏振调制相位检测光路，同时得到相位差间隔为

采集通道光谱图像，捕获具有光程差信息的通道光谱图像，锁定光程差至一个波长以内；

四幅图像多波长处采集通道光谱强度，计算相位差，统计平均得到光程差；

群延迟检测同时监测光程差波动。

进一步地，所述同时得到相位差间隔为

分光棱镜引入

通过偏振分光棱镜提取相位差间隔为

进一步地，所述捕获具有光程差信息的通道光谱图像具体过程是：

先采用粗群延迟检测方法即通过粗群延迟检测方法配合延迟线系统快速扫描运动，快速将光程差缩小至群延迟检测的动态范围以内；

再采用精细群延迟检测方法即群延迟检测光程差，延迟线系统实时补偿光程差，通过延迟线系统锁定光程差,锁定光程差至一个波长以内；精细群延迟检测实时监测光程差，当光程差变化超出一个波长时立即做出响应，将光程差重新锁定在一个波长以内。

进一步地，所述的粗群延迟检测方法的过程包括：

快速傅里叶变换算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目；

根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；

根据通道光谱频谱判断是否捕获具有光程差信息的通道光谱；

根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。

进一步地，所述的精细群延迟检测方法的过程包括：

根据通道光谱的形成，建立通道光谱条纹数目与两束星光之间光程差的函数关系；

在通道光谱信号后填充零；

通过周期图算法求解通道光谱频谱，得到条纹数目，根据通道光谱条纹数目与光程差之间的函数关系得到光程差。

进一步地，所述延迟线系统由二级组成，配合完成光程扫描与光程差补偿；

第一级为压电位移平台，用于精细调节星光光程，保持并锁定星光之间的光程差；第二级为高精度直线位移平台，用于扫描光程捕获条纹，以及通过查表的方式实时补偿由地球自转导致星光之间的固有光程差；第一级压电位移平台置于第二级上，所述的二级延迟线安装于偏振调制相位检测光路之前，各束星光的支路上均有延迟线系统。

进一步地，所述的群延迟检测同时监测光程波动过程包括：

当光程差波动小于相位检测动态范围时保持监测状态，由相位检测确定光程差检测结果；当光程差波动大于相位检测动态范围时，光程差检测结果由群延迟检测确定，并接管延迟线控制，重新锁定光程差至相位检测的动态范围以内，进行相位检测；当光程差波动大于群延迟检测动态范围时，光程差检测失效，重新通过延迟线系统扫描光程，恢复光程差检测。

本发明还提供了基于上述方法的宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测系统，包括：偏振调制相位检测光路形成系统、检测跟踪系统；

所述偏振调制相位检测光路形成系统，包括：移相光路、提取光路和色散光路。

所述检测跟踪系统，包括：延迟线、相机和控制装置。

在本发明中，由宽波段群延迟检测并行确保光程差在相位检测的动态范围内（在一个波长以内），由多幅干涉图像实时计算相位差，反馈至延迟线系统进行闭环相位跟踪。相位检测在光程差锁定在动态检测范围以内后进行，通过多个偏振光学器件调制相位同时得到四幅相位差间隔

所述的群延迟检测与相位检测通过图1所示的同一光路采集图像并完成计算，检测过程遵循图2的协同逻辑，该方法的特点在于通过分为两级检测，确保相位检测时光程差在动态范围以内，避免出现

换言之，本发明包括群延迟检测、相位检测以及协同方法；群延迟检测拥有较大的动态检测范围，检测精度能够支持延迟线系统将光程差锁定在相位检测的动态范围内；相位检测的动态检测范围较小，通常在一个波长以内，精度可达到

群延迟检测：分为精细群延迟检测与粗群延迟检测两种模式。两束星光合束后通过棱镜或光栅色散得到通道光谱，通过分析通道光谱的频谱得到光程差，反馈至延迟线系统进行实时光程差补偿，将光程差稳定在相位检测技术的动态范围以内（在一个波长以内）。

相位检测检测：两束相位差

进一步的，所述得到四组相位差间隔

两束光通过分光棱镜3合束为两组合束光，分别通过偏振分光棱镜8与偏振分光棱镜9，分为振动方向垂直的两组合束光，得到四组合束光；

光束在主要光学元件之间，通过平面反射镜进行折转，且光束折转角度均小于90°，确保光束的偏振态不发生变化。

进一步的，所述的四组合束光在瞳面进行合束，合束时光束方向与光轴位置一致，经过棱镜在波长维度展开，得到四幅移相后的通道光谱，即在多个波长处得到了移相干涉图像。

协同技术：四组合束光分别通过色散棱镜，得到通道光谱，同时得到四幅通道光谱图像，即在多个波长处得到了移相干涉图像，确保了群延迟检测与相位检测的时域一致性。两种检测方式遵循图2的协同逻辑，在进行相位检测的同时，群延迟检测实时监测光程差，确保相位检测的可靠。

进一步的，所述四幅通道光谱图像，因移相引起的光程变化较小，进行群延迟检测时选取其中一幅通道光谱图像作为基准，结合延迟线系统确保群延迟光程差在相位检测的动态范围以内即可。

本发明具有如下有益效果：

（1）兼顾相位检测的高精度与群延迟检测大动态范围的特点。传统相位检测方法的动态范围小于一个波长，远不能满足长基线光干涉的光程差检测需求，通过群延迟检测技术作为缓冲，确保相位级光程差检测有效进行同时，极大拓展了系统的动态检测范围。

（2）移相干涉图像与通道光谱图像同时获取，无时域误差。将偏振移相光路与通道光谱检测光路结合在一起，使相位检测与群延迟检测能够通过同一组图像进行，避免了时间上的不一致。同时，传统移相检测方法需要通过额外的运动光学元件在时域上调制相位，导致四幅移相干涉图像的获取时间不一致，一方面引入了时域上的检测误差，另一方面完成移相需要时间，效率较低且引入了元件的运动误差。通过多个偏振光学器件在空域中调制相位，使四幅移相干涉图像能够同时被相机采集，避免了时域误差，提高了检测效率。

附图说明

图1示出根据本发明的偏振调制相位检测光路示意图

图2示出根据本发明的协同检测逻辑示意图

图3示出

图4示出基于偏振调制的相位检测方法检测400nm光程差时在不同波长处四幅移相干涉图强度以及相位检测结果的仿真示意图

图5示出移相误差为5%时，光程差检测仿真结果及误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，以详细说明技术方案。

基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法。图1是本发明中采用光路的示意图，包括了实现本发明中检测方法的关键器件，是实现实时相位检测的基础。

实施例1

本实施例具体说明应用本发明的系统结构（实施光路）。

如图1所示，本发明基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测系统，包括：偏振调制相位检测光路形成系统和检测跟踪系统。

所述偏振调制相位检测光路形成系统包括移相光路、提取光路和色散光路三部分，基线两端的望远镜同时观测同一目标得到星光A与星光B；

所述移相光路包括

所述

所述补偿棱镜2采用与菲涅尔棱镜相同的材料制成，用于补偿星光A与星光B之间由

所述分光棱镜3在确保星光A与星光B合束为光束C与光束D的同时，在光束中P分量的透射光与反射光之间引入

所述提取光路包括偏振分光棱镜8、9，光束C与D分别经过偏振分光棱镜8与9，各自分为偏振态相互垂直的两束光；

所述色散光路包括色散棱镜10、11、12、13，由提取光路提取得到的四束光分别经过四块色散棱镜，得到四幅经过偏振调制的通道光谱。

检测跟踪系统，包括：延迟线、相机和控制装置，

每束星光都将配备独立的延迟线系统，所述延迟线置于检测光路之前，星光A和星光B在分别通过菲涅尔棱镜1和补偿棱镜2之前，先通过刀锋棱镜，分别进入垂直于星光的延迟线A和延迟线B中，再由刀锋棱镜的另一反射面反射分别进入检测光路。(光束口径较小时可采用刀锋棱镜同时利用它的两个反射面做进出延迟线系统的折转面，而光束口径较大时则需要采用独立的平面反射镜来折转光路。本实施例中，以刀锋棱镜为例做延迟线系统。)

所述相机用于成像；可设置四个相机分别置于四个色散光路；亦可通过反射镜或光纤等元件将四幅图集中至一个相机上，确保同时获得四幅图像即可；本实施例如图1所示是将四个相机置于色散光路的成像透镜之后；

所述控制装置用于实施通道光谱图像采集，光程差、相位差计算和条纹跟踪；采用并行结构实施运算，通过消息队列保证并行时序。所述控制装置与所述相机连接。

实施例2

本实施例具体说明本发明基于偏振调制实现相位检测的方法。

通过图1实施光路中移相光路即可实现相位检测，以波长

假定星光A与星光B的相位分别为

星光A通过

星光B中的S分量与P分量经过补偿棱镜后不产生相位延迟；

在分光棱镜3处星光A与星光B合束成为光束C与光束D，同时引起

光束C中包括星光A的反射光与星光B的透射光；

光束D中包括星光A的透射光与星光B的反射光；

光束C与光束D分别通过偏振分光棱镜8、9，光束中S分量与P分量被分离，实现四组合束光的提取，四组合束光的相位差分别为：

则在四幅通道光谱图像中，在波长

其中，

通过对不同波长处的相位差转换为光程差后进行统计平均可以进一步提升光程差的检测精度：

至此基于偏振调制实现了相位检测。公式(4)为光程差，其中

实施例3

本实施例通过数值仿真的方法，举例说明基于宽波段偏振调制的恒星光干涉相位检测方法实施方式。

检测波段选择600-900nm，通道光谱的探测像元数为300，选择5倍零填充（即频谱细分倍数为5），此时的粗群延迟检测精度为1800nm，精细群延迟检测精度为360nm，群延迟检测理论动态范围为270μm（实际情况由于像差等因素将略小于这一数值）。此时的光程差检测精度可以确保群延迟光程差为0，能够进行相位检测。

根据公式（1）、（2）和（3），通过数值仿真计算相位差。根据公式（1）（2）分别在600-900nm的波长处（间隔1nm）求得四幅移相干涉图像，然后根据公式（3）通过四步移相算法解算相位。当光程差为400nm时，在不同波长处四幅移相干涉图强度以及相位检测结果如图4所示。

考虑为延迟线补偿精度预留一定的范围，根据公式（4）在750-900nm的波长范围内将相位转换为光程差并做统计平均得到光程差检测结果为400nm，验证了相位检测方法的可行性。

该方法在理想状态下不存在误差，不考虑环境因素时，其主要的误差来源为移相误差，根据现有移相器件自身精度，若四步移相的综合移相误差为5%，检测100-500nm的光程差，检测仿真结果及误差如图5所示。

仿真结果显示，检测光程差的平均误差为23.6nm，检测精度优于

实施例4

本实施例结合图2具体说明恒星光干涉中群延迟检测与相位检测结合的实施过程：

首先通过粗群延迟检测方法配合延迟线快速扫描运动，快速将光程差缩小至群延迟检测的动态范围以内；

将群延迟检测方法切换至精细模式，通过延迟线系统精细补偿光程差，使其锁定在相位检测的动态范围以内；

开启相位检测，利用四步移相算法实时解算四幅干涉图像，得到各个波长处的相位信息，根据实际科学需求通过延迟线系统进行实时的相位补偿；

在相位检测的同时，精细群延迟检测实时监测光程差，当光程差变化超出一个波长时及时做出响应：暂停相位检测，并接管延迟线反馈，将光程差重新锁定在一个波长以内；

当光程差出现大尺度突变，导致群延迟检测失效时，立即停止科学终端的干涉条纹曝光，并通过粗群延迟检测与延迟线快速扫描运动重新缩小光程差，重新进入精细群延迟检测模式与相位检测。