法國(guó)高層大氣所空間綜合孔徑項(xiàng)目研究進(jìn)展*

伏西洋，郭紅鋒

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

隨著天文和空間遙感事業(yè)的不斷推進(jìn)，需要望遠(yuǎn)鏡有越來(lái)越高的觀測(cè)精度和分辨天體細(xì)節(jié)的能力，這使得不斷提高望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率成為迫切要求。由于傳統(tǒng)單片式(指主鏡)望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率越高需要的口徑越大，而隨著口徑的增大，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和制造檢測(cè)難度急劇增大，從而導(dǎo)致費(fèi)用非常高，甚至當(dāng)前的技術(shù)根本制造不出來(lái)，或難以發(fā)射到太空。通常認(rèn)為10m級(jí)的地基系統(tǒng)和2.4m的空基系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)承受能力的極限[1]。在不增加單個(gè)望遠(yuǎn)鏡直徑的前提下，為了實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，光學(xué)綜合孔徑系統(tǒng)被提了出來(lái)[2-4]。

光學(xué)綜合孔徑系統(tǒng)是將數(shù)個(gè)獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡(或鏡面)按照一定的規(guī)則排成陣列，此陣列允許特定視場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)物體所有低于某一空間頻率的頻譜通過。從截止空間頻率的指標(biāo)看，光學(xué)綜合孔徑系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單片式大口徑望遠(yuǎn)鏡同樣的空間分辨率，因此一直是研究的熱點(diǎn)。本文首先介紹了法國(guó)高層大氣所空間綜合孔徑項(xiàng)目背景、科學(xué)目標(biāo)和有效載荷；其次分析了該項(xiàng)目演示系統(tǒng)的基本原理和各個(gè)子系統(tǒng)，并分別給出了該演示系統(tǒng)在非共相控制和共相控制情況下對(duì)半導(dǎo)體激光器和白光點(diǎn)光源的成像結(jié)果；最后對(duì)該演示系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)，并指出該系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化之處。

1 法國(guó)高層大氣所空間綜合孔徑項(xiàng)目介紹

1.1 項(xiàng)目背景

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)和恒星精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，1989年法國(guó)高層大氣所的Damé等人提出了SUN[5](Solar Ultraviolet Network，如圖1)的概念，即用4個(gè)20cm口徑的獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡排成一空基直線干涉陣(最長(zhǎng)基線為2m)，并通過整個(gè)陣列的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)頻率域覆蓋，再通過逆傅里葉變換獲得高空間分辨率的圖像。

在SUN的基礎(chǔ)上，1993年Damé等人又提出了MUST[6-7](Multi-mirror Ultraviolet Solar Telescope，見圖2)的概念，即用5個(gè)20cm口徑的獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡排成空基環(huán)形干涉陣(相鄰兩望遠(yuǎn)鏡中心之間距離為30cm)，由于該陣列已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頻率域覆蓋，因此不需要旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)和恒星精細(xì)結(jié)構(gòu)的成像觀測(cè)。

圖1 SUN結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Layout of optical components of the SUN

圖2 MUST結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Preliminary design of the MUST Solar Interferometer

圖3 SOLARNET結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Conceptual design of the SOLARNET

為了降低實(shí)現(xiàn)難度，1998年Damé等人將MUST簡(jiǎn)化為SOLARNET[8-9](Solar Imaging Interferometer，見圖3)，即將原來(lái)的5個(gè)20cm口徑的獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡變?yōu)?個(gè)35cm口徑的獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡，以實(shí)現(xiàn)與MUST同樣的空間分辨率。

1.2 科學(xué)目標(biāo)

圖4 SOLARNET空間項(xiàng)目光路圖Fig.4 Illustration of the optical psths of the SOLARNET

科學(xué)目標(biāo)之一圍繞太陽(yáng)展開[8]，研究太陽(yáng)等離子過程(電流片，重聯(lián)，閃耀，雙層，Alvenic波加熱，等離子粒團(tuán)的形成，電動(dòng)力學(xué)的耦合)、解開磁流體動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)(日冕環(huán)，日珥，色球針狀體，太陽(yáng)黑子，光球磁流管)、探測(cè)輻射流體動(dòng)力學(xué)(如米粒組織，聲波加熱，激波的形成和耗散)、確定精細(xì)結(jié)構(gòu)的活動(dòng)(如磁結(jié)構(gòu)的演化，磁流的出現(xiàn)和消失)、揭示爆發(fā)現(xiàn)象和不穩(wěn)定性的機(jī)制(如耀斑，微耀斑，迅速消失的日珥，日浪，日冕拋射，瞬現(xiàn)活動(dòng)區(qū))。

科學(xué)目標(biāo)之二圍繞行星展開[8]，研究木星和土星的大氣、水星磁層的活動(dòng)、監(jiān)測(cè)金星大氣的紫外對(duì)比度和反照率、對(duì)彗星和小行星這些小天體進(jìn)行遠(yuǎn)紫外和紫外成像。

1.3 有效載荷

該空間綜合孔徑項(xiàng)目包括主光學(xué)系統(tǒng)和焦面儀器[8]，其中焦面儀器為3個(gè)成像光譜儀，各項(xiàng)參數(shù)如表1；主光學(xué)系統(tǒng)如圖4，由3個(gè)兩兩間距為525mm口徑為350mm的Gregory望遠(yuǎn)鏡組成，通過1個(gè)共用拋物面鏡成像，主光學(xué)系統(tǒng)的有效視場(chǎng)為5′(4′用于共相，1′用于科學(xué)儀器)；該空間項(xiàng)目的其他重要參數(shù)如表2。

表1 SOLARNET空間項(xiàng)目焦面儀器Table 1 Characteristics of the instruments on the SOLARNET focal plane

表2 該空間項(xiàng)目其他重要參數(shù)Table 2 A summary of the characteristics of the SOLARNET

2 地面演示系統(tǒng)

在SUN概念提出后，CNES(法國(guó)空間研究中心)于1992年資助建立了由兩個(gè)獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡組成的地面演示系統(tǒng)[10-11]，用于進(jìn)行絕對(duì)位相測(cè)量和共相控制的核心技術(shù)研究。該演示系統(tǒng)于1994年建成，并于1995年安裝到法國(guó)Meudon天文臺(tái)。在兩個(gè)獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，CNES于1998年再次資助建立由3個(gè)獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡組成的地面演示系統(tǒng)，用于進(jìn)行直接成像方面的研究。

2.1 共相望遠(yuǎn)鏡陣列基本原理

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理可知，當(dāng)衍射屏為多個(gè)圓孔(直徑相同)組成的圓孔陣列時(shí)，該陣列夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的主瓣較單個(gè)子圓孔夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的主瓣窄，因此該陣列分辨無(wú)窮遠(yuǎn)的兩個(gè)空間點(diǎn)的能力必定高于單個(gè)子圓孔，這就是綜合孔徑成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的原理。

菲索型合成孔徑望遠(yuǎn)鏡又叫像面合成孔徑望遠(yuǎn)鏡，來(lái)自不同子孔徑的光束成像在同一像面上，得到目標(biāo)的像。通常有兩種類型。第一種類型，通過在特定位置上放置數(shù)個(gè)小離軸拋物面以構(gòu)成一個(gè)部分填充的大孔徑拋物面，來(lái)自不同子孔徑的光通過共用的次鏡，經(jīng)光束合成器使各自的焦點(diǎn)重合，以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像。但由于離軸拋物面的加工非常困難，因此通常采用第二種類型，即由數(shù)個(gè)相同的、獨(dú)立的子望遠(yuǎn)鏡組成共相望遠(yuǎn)鏡陣列，從子望遠(yuǎn)鏡出來(lái)的光通過光束合成器成像。這種系統(tǒng)具有鏡面軸對(duì)稱易加工和完全相同的特點(diǎn)，因此研究該系統(tǒng)具有特殊的意義[12-14]。

圖5 菲索型綜合孔徑系統(tǒng)原理圖Fig.5 Illustration of the principle of the Fizeau synthetic aperture system

如圖5，該地面演示系統(tǒng)為菲索型綜合孔徑系統(tǒng)，無(wú)窮遠(yuǎn)處有效視場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)出的入射平面波前W1通過每個(gè)獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡、傾斜鏡和成像鏡后，在焦平面處共相干涉使得衍射斑主瓣變窄。由于同一物點(diǎn)的像必須共相疊加，這就要求通過每個(gè)獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡和傾斜鏡后的波前W2和W2’ 必須在同一個(gè)平面上，即平面波前入射到獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡陣列和傾斜鏡后必須仍以平面波前(部分填充)出射，只是傾斜角度不同而已。

為了實(shí)現(xiàn)平面波前的精確轉(zhuǎn)換，該地面演示系統(tǒng)必須滿足出入瞳匹配公式，即系統(tǒng)入瞳中心之間的距離與其對(duì)應(yīng)的出瞳中心之間的距離之比等于獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡的角放大率[15]，對(duì)應(yīng)于圖5中的Q1Q2必須等于P1P2。

2.2 演示系統(tǒng)的各子系統(tǒng)

該演示系統(tǒng)由望遠(yuǎn)子系統(tǒng)、指向子系統(tǒng)、共相子系統(tǒng)和成像子系統(tǒng)組成[8]，見圖6。其中，望遠(yuǎn)子系統(tǒng)包括3個(gè)獨(dú)立的透射式望遠(yuǎn)鏡組(入瞳直徑為60mm)，每個(gè)透射式望遠(yuǎn)鏡組由2個(gè)無(wú)焦系統(tǒng)構(gòu)成(角放大率分別為-10和-1)，并且兩兩中心之間的距離為90mm，視場(chǎng)光闌口徑為1mm(對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)為4.5′)；指向子系統(tǒng)利用PSD(Position Sensor Detector)來(lái)精密探測(cè)成像光斑的位置變化，再通過控制回路反饋給快速傾斜鏡(在Periscope中，圖中未畫出)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度指向；共相子系統(tǒng)通過改變圖中的光學(xué)延遲線使得二極管探測(cè)器探測(cè)到光強(qiáng)的最大值，即可以實(shí)現(xiàn)不同光束中具有相同傾斜角度的平面波前之間的共相，同時(shí)由于光信號(hào)特別弱，因此采用了同步探測(cè)技術(shù)(即在光路中引入一個(gè)高頻余弦微小擾動(dòng))以提高信噪比；成像子系統(tǒng)通過Celestron望遠(yuǎn)鏡對(duì)獨(dú)立的3束光進(jìn)行成像，以獲得高空間分辨率、低清晰度的目標(biāo)圖像。

圖6 演示系統(tǒng)光路圖Fig.6 Illustration of the optical paths of the breadboard for the SOLARNET

2.3 共相成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7(a)和圖8(a)分別為該地面演示系統(tǒng)在非共相控制的情況下對(duì)半導(dǎo)體激光器和白光點(diǎn)光源成像的結(jié)果，圖7(b)和圖8(b)分別為該地面演示系統(tǒng)在共相控制的情況下對(duì)半導(dǎo)體激光器和白光點(diǎn)光源成像的結(jié)果[16]。從圖7(a)和圖7(b)中可以看出，由于半導(dǎo)體激光器具有一定的時(shí)間相干性，因此無(wú)論是在非共相控制還是共相控制的情況下，總可以觀測(cè)到不同獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡所成的像之間的干涉，只是干涉圖案不同而已，這通常用于共相子系統(tǒng)光學(xué)延遲線的初步調(diào)節(jié)。由于白光點(diǎn)光源的時(shí)間相干性非常差，因此在非共相控制的情況下，觀測(cè)到的是不同獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡各自所成像的強(qiáng)度疊加(如圖8(a)所示)，而在共相控制的情況下，觀測(cè)到的是不同獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡各自所成像的復(fù)振幅疊加(如圖8(b)所示)，顯然可以認(rèn)為共相子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡之間的共相。

圖7 演示系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器成像Fig.7 Image of a laser diode obtained by the breadboard for the SOLARNET

圖8 演示系統(tǒng)對(duì)白光點(diǎn)光源成像Fig.8 Image of a white-light point source obtained by the breadboard for the SOLARNET

3 總 結(jié)

法國(guó)高層大氣所的空間綜合孔徑項(xiàng)目經(jīng)過近二十年的研究和發(fā)展，不僅整個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)的非常完善，而且位于Meudon天文臺(tái)的地面演示系統(tǒng)也已經(jīng)基本建立，并取得了初步的共相成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然該地面演示系統(tǒng)也存在著可以進(jìn)一步優(yōu)化的地方，如采用四象限探測(cè)器來(lái)提高太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，以消除指向子系統(tǒng)中的系統(tǒng)偏差以及調(diào)整望遠(yuǎn)子系統(tǒng)中角放大率為-1的無(wú)焦系統(tǒng)的位置使得獨(dú)立透射式望遠(yuǎn)鏡組入瞳的像精確地落在傾斜鏡上以提高該演示系統(tǒng)的指向精度等，相信在不久的將來(lái)這些問題會(huì)逐步改善。但盡管如此，他們開展的這方面的探索工作對(duì)我國(guó)進(jìn)行的綜合孔徑成像實(shí)驗(yàn)研究仍具有一定的借鑒意義。

致謝：工作得到了法國(guó)高層大氣所DAME博士等人的支持和幫助，在此向他們表示衷心的感謝。

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