多光束傅里葉望遠鏡的關鍵技術

董 磊,王 斌,劉欣悅

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

傅里葉望遠鏡優于傳統望遠鏡的最大特點在于可以對不發光目標成像并克服大氣擾動的影響[1～3],其中對暗弱目標成像由激光主動照明技術實現;而同時發射 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,改變發射望遠鏡之間的基線長度可以提高成像分辨率。上述優點使得傅里葉望遠鏡成為對遠距離暗弱目標高分辨率成像的理想系統,其理論和實驗研究已有多篇文獻報道[4～7]。然而,傳統的 3光束傅里葉望遠鏡成像時間長的缺點使其僅能對靜止目標成像。為了實現對快速運動目標高分辨率成像,必須減少成像時間,于是多光束傅里葉望遠鏡技術應運而生。

多光束傅里葉望遠鏡每次發射光束的數目大于 3束,可以同時獲得大量的目標傅里葉分量[8]。但是對低軌快速運動目標成像,需要將成像時間壓縮到 1 s左右,做到這一點涉及許多關鍵技術,比如高功率長相干激光器的研制,光強均分和保偏技術,大移頻帶寬聲光移頻器的研制等,而且每項關鍵技術均包含若干更具體的技術和性能指標,因此,研究多光束傅里葉望遠鏡應用的關鍵技術對其最終實際系統的實現及其發展有非常重要的意義。目前,雖然對多光束傅里葉望遠鏡已經有一些原理和實驗方面的報道[8～10],但是對于最終成像系統的關鍵技術尚未見報道。本文基于多光束傅里葉望遠鏡的組成,詳細討論了其各個組成系統的關鍵技術。

2 多光束傅里葉望遠鏡的關鍵技術

多光束傅里葉望遠鏡整個系統由光學、機械、電子和軟件等多個子系統共同組成,每個子系統均包含若干個關鍵技術。本文將分別論述光學分系統、機械分系統、電子分系統和軟件分系統這4個系統的關鍵技術。

2.1 光學分系統的關鍵技術

光學系統主要分成發射系統和接收系統兩大部分。多光束傅里葉望遠鏡的發射系統由激光光源、分光系統、傳遞光纖、光相位延遲器、聲光移頻器、空間濾波器和發射望遠鏡組成。傅里葉望遠鏡的接收系統由大靶面的能量接收器、各級光能會聚系統、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種器件所需要的關鍵指標。

由于多光束傅里葉望遠鏡采用的是多束光同時發射,并且發射的光束數目越多獲得的目標空間頻率分量越多,整體成像時間越短,所以對激光器的發射總功率要求較高。如果成像系統對1 000 km處的直徑約為 1 m的目標成像,根據激光在大氣中的傳播和經過目標的散射的相關公式可以算出對每束激光功率的要求大約為 100 W,采用 20束發射光束則需要激光器的發射功率大約為 2 000 W。為了避免大氣擾動對條紋質量的影響,在目標表面形成清晰而又穩定的干涉條紋,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格的指標要求。發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動功率有很高的要求;過大的發散角會降低一級衍射光的轉化效率,從而降低入射光能的利用率。所以,多光束傅里葉望遠鏡對激光光源的要求主要是更高的發射功率,較大的相干長度,適當的波長,較小的光束直徑和發散角,這些指標構成了所需激光器的關鍵技術。

由于激光相干長度不可能太長,而每次發射基線長度的不同 (發射望遠鏡之間的距離不同)會造成任意兩束發射激光間的光程差不同,最大可能達到 10 m級,所以需要對每次發射時每束發射激光的相位進行調整,以使每次發射時所有發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個波長計算,波長為 1μm,大氣折射率約為 1,產生的光程差約為 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該 ＜1m才能夠保證在目標表面形成干涉條紋。由大氣湍流引起的光程差為 1 mm,剩下的光程差由發射光學系統引起,其數值最好能夠小于1 cm。從前面的分析結果得到,由基線長度的不同引起的兩束激光的光程差可能高達 10 m,這將是發射系統引起光程差的主要部分,需要通過光相位延遲器加以調整。光相位延遲器的相位延遲范圍應該 ＞10 m,用以補償基線長度不同引起的光程差和發射光學系統中元件產生的光程差。延遲器的調節精度應該 ＜1 cm以保證補償后的兩束激光在發射望遠鏡出瞳處的光程差 ＜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、延遲相位保持穩定性對于其在多光束傅里葉望遠鏡系統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都能夠產生均勻的相位延遲,激光損傷閾值使其在百瓦級激光連續照射下在系統工作時間內性能穩定,延遲相位的穩定性應該保證在系統工作時間內相位變化小于1 cm。

為了保證任意兩束光對應的目標空間頻率成分能夠被解調出來,任意兩束光的光頻差均不相同。當發射光束的數目很大時,需要的差頻數值將變得很大。如果采用簡單的單向完全歸納法,令最小的差頻值為 10 kHz,計算得出 23束激光的最大差頻值應為 42 GHz,這對于現有的聲光移頻器帶寬來說是無法實現的。借助于 Golomb法則,最小差頻數值仍然選擇 10 kHz,23束激光對應的最大差頻值為 3.72 MHz,該數值相對于前者小了4個數量級,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,這是因為有效通光孔徑越大超聲波傳播時間越長,一級衍射光的轉換效率會降低,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,在如此大的截面內產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。同時聲光驅動源的射頻功率穩定性也是一個較為重要的問題,因為射頻功率的變化將導致一級衍射光功率的變化,為了產生明顯的干涉條紋,每束光的功率差別應該小于 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工作時間內能夠低于 1%。當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也應該考慮在高功率激光情況下的特殊性。

由于對快速運動目標成像時,目標距離遠(1 000 km以內 )、面積小 (10 m2以內 )、運動速度快、反射率低,所以經過目標散射后的激光被地面接收系統接收的能量很低。以文獻 [9]為例,在接收到的光子數達到108/s時,由于采樣率高達MHz,所以單次采樣的光子數只有幾十個,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的設計指標要求;探測器的響應帶寬大,能夠很好響應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,進而能夠在發射激光波長獲得較高的量子效率。

除了光學分系統主要元件的關鍵技術外,發射望遠鏡陣列的優化布局和聲光移頻器的移頻頻率的最優選擇也是比較重要的。最簡單的發射望遠鏡陣列布局是方陣,通過改變發射望遠鏡在方陣中的位置可獲得不同的目標空間頻率信息。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,這增加了發射次數,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,實現對速運動目標的高分辨率成像。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法則獲得的結果可以在現有聲光移頻器上得到體現,然而 Golomb法則并不是最優的,所以對最優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 機械分系統的關鍵技術

總體來說,多光束傅里葉望遠鏡對機械結構的要求并不高。因為每個發射光束的截面直徑只有 10 cm,所以只要求發射望遠鏡的有效孔徑 ＞100 mm就可以了,這樣的望遠鏡在業余愛好者市場已經非常普及。這里主要談到的關鍵技術是發射望遠鏡的指示和跟蹤精度、發射光束的快速穩定切換和接收主鏡的拼接支撐結構。

由于望遠鏡基于發射光束在目標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確獲得目標空間頻率分量有影響,所以需要通過計算機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生明顯影響。根據分析得出的數據可以推導出對發射望遠鏡指示精度的要求。同時由于目標的運動速度較快,所以在目標運動過程中應該保持條紋的周期、方向和形狀的變化在允許的范圍之內,以便根據具體的目標運動速度通過計算機仿真得出需要的發射望遠鏡的跟蹤精度。

為了減少總的成像時間,需要在每次發射光束后獲得大量不同的目標傅里葉分量,這就要求每次發射時發射光束的位置均不相同,而每次發射的時間均很短,故需要在很短的時間內實現多束光的快速切換。光束的具體切換方式取決于選擇的發射望遠鏡陣列的分布方式。文獻[9]介紹了一種分布方式,該方式采用 21個口徑約為 1 m的望遠鏡組成 6邊形陣列,每個望遠鏡包含 7個發射光束的可能位置。發射光束的快速切換便是實現在每個望遠鏡內的 7個待選位置中選擇合適的位置同時發射 23束激光。文獻 [9]中實現快速切換的裝置被稱為撥盤 (clicker),由反射光學元件組成。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,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。

多光束傅里葉望遠鏡的接收光學系統屬于能量系統,接收主鏡不需要太高的光學精度,但是由于接收面積較大,估計為 100 m2,所以主鏡應該采用多塊子鏡拼接或者多個望遠鏡拼接的方式組成。如果采用多塊子鏡拼接的方式,每塊子鏡都需要兩維調節機構以實現所有子鏡的共焦,這將是一個很龐大的系統,對于支撐調節機械結構將是一個挑戰。如果采用多個望遠鏡拼接的方式,為了實現接收能量的最大化,需要考慮采用多大口徑的望遠鏡和排列布局,如此多望遠鏡的支撐結構將是一個需要研究的難題。

2.3 電子分系統的關鍵技術

多光束傅里葉望遠鏡整個系統主要采用的是現有商用產品集成在一起組成性能優越的高分辨率成像系統,自身需要專門設計的電路系統不是很多,但也有幾點需要特別注意。

首先是同步問題。發射光學分系統中每個發射望遠鏡對應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射光束的同步同樣是非常重要的。由于接收光學系統采用多塊子鏡拼接或者多個望遠鏡拼接,最遠的兩個子鏡或者望遠鏡之間的距離可以達到幾 m,對應接收光信號的時間差約為 10-8s,而光信號的最高調制頻率對應的周期約為 10-7s,與光信號的時間差比較接近,可能會因為時間差造成每個子鏡或望遠鏡接收的光信號的調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生嚴重的噪聲,所以需要通過電子延遲技術使得每個子鏡或者望遠鏡單元產生的電信號的波形同步,以獲得信噪比較高的合成信號,從而提高最終重構圖像的質量。

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

最后需要注意的就是系統的配電。由于發射光學分系統和接收光學分系統中包含了不少大功率的用電設備,每個設備對電壓穩定性和電壓波紋等指標的要求均不相同。對于大功率激光器,為了產生穩定的激光功率輸出,應該采取單獨配電。另外,驅動發射望遠鏡位置移動以及俯仰和方位旋轉的電機需要很大的電流,也應該單獨配電。光學接收分系統中控制拼接子鏡或望遠鏡俯仰和方位旋轉的電機同樣需要整體單獨配電。高速A/D采集卡需要電壓穩定波紋較小的電源供應來保證其采樣精度,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 軟件分系統的關鍵技術

發射光學分系統中的軟件主要實現光束快速切換的同步控制以及發射望遠鏡位置移動和俯仰方位旋轉的同步控制。每次發射都需選擇對望遠鏡中的哪束光進行發射,以保證該次發射的任意兩束激光對應的空間頻率沒有冗余,同時也要保證和之前發射的任意兩束激光對應的空間頻率均不相同。這關系到需要的發射次數和總成像時間,發射冗余越低,成像時間越短。設計合理的程序控制光束快速切換裝置,實現發射光束的快速準確選擇將是系統研究中非常重要的一環。為了實現對快速運動目標的準確指示和精密跟蹤,需要對每次發射時的望遠鏡的位置和俯仰方位取向進行精確調整,在保證發射望遠鏡姿態調整和光束快速切換裝置的光束選擇同步的前提下,還要確保每次發射的所有光束都能同時精確對準目標,這在系統研究中同樣是非常關鍵的。

接收光學分系統中的軟件主要用于實現多光束的時間解調、快速相位閉合算法、目標傅里葉分量的恢復和最終的圖像重構。由于多光束調制頻率的不同并且是非均勻分布,時間解調不能采用3光束的簡單解調方式而需要構想出一種新的非均勻時間解調方法。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,提高目標傅里葉分量信息的信噪比并最終重構高質量圖像,需要研究新的目標傅里葉分量恢復算法和更優的圖像重構算法。

3 結束語

傅里葉望遠鏡以其主動成像、合成孔徑、相位閉合等優勢成為遠距離暗弱目標成像技術中最具競爭力的一種。多光束傅里葉望遠鏡則突破了傳統 3光束傅里葉望遠鏡只能對靜止目標成像的限制,可以對遠距離快速運動目標實現高分辨率成像,但目前該項技術在光學機械、電子和軟件方面均存在技術瓶頸。為了實現多光束傅里葉望遠鏡成像技術,本文基于多光束傅里葉望遠鏡的組成,對其在光學、機械、電子和軟件等方面的關鍵技術分別進行了研究,本文的研究工作將對多光束傅里葉望遠鏡系統的順利研制提供參考。

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