基于旁瓣径向PTF斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法

本发明涉及合成孔径成像系统误差检测，尤其涉及一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法。

背景技术：

1、合成孔径成像系统通过多块子镜拼接等效大口径，能够以较低成本实现大口径望远镜的高分辨率成像性能。因此优化合成孔径成像系统的成像性能具有重要意义。活塞误差可来源于自适应光学控制环路、热机械效应或其他因素，该误差会显著降低成像质量，对望远镜的整体性能造成不利影响。活塞误差的量级小至几十纳米、大至几十微米；为获得高分辨率图像，需要将活塞误差控制在波长的分数级范围内。因此亟需一种活塞误差探测方法，能够在大尺度范围内实现高精度测量，并且在系统观测运动目标时，可以实现实时监测。

2、在过去数十年间，研究人员已开发出多种活塞误差探测方法。有研究人员借助专用色散元件与微透镜配合产生色散条纹图案，能够直接提取大尺度活塞误差信息，但测量精度不高。另有人采用相位恢复算法实现活塞误差的精确重构，然而该方法实时性较差。还有人从聚焦和离焦图像中提取特征向量，并利用深度卷积神经网络解算活塞误差；该方法检测范围大、实时性较好，但深度学习本质上属于数据驱动的插值方式，缺少底层干涉物理机制的解析约束，当系统工作条件发生改变时，已经收敛的模型参数可能失效。与此相比，基于傅里叶光学第一性原理的解析法直接利用干涉场固有的几何和相位属性，具备环境适应性上的鲁棒性以及物理可解释性。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法。

2、本发明目的在于提供一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，具体包括如下步骤：

3、s1.对于由n个子镜组成的合成孔径成像系统，选定任一子镜为参考子镜，其余为非参考子镜；在系统出瞳面设置掩膜，将光阑分割为n个直径为d的圆形子孔径，每个子孔径对应一块子镜；与参考子镜对应的掩膜子孔径为参考子孔径，与非参考子镜对应的掩膜子孔径为非参考子孔径；利用掩膜获取非参考子孔径相对于参考子孔径形成独立的otf旁瓣；

4、s2.对步骤s1得到的独立的otf旁瓣求取模值，得到对应的调制传递函数mtfphi；根据mtfphi确定旁瓣径向方向，求解得到沿旁瓣径向的解包裹相位传递函数；

5、s3.依据合成孔径成像系统的系统参数确定有效空间频率区间，在有效空间频率区间内对解包裹相位传递函数做直线拟合，得到相位传递函数相对于径向空间频率的斜率；根据斜率与活塞误差之间的解析关系，反演得到对应的非参考子镜与参考子镜之间的活塞误差。

6、优选的，步骤s1中，为各个子镜依次按0,1,…,n-1进行数字编号；选定编号为0的子镜作为参考子镜，其余编号的子镜为非参考子镜；编号为的子镜的非参考子孔径中心点与参考子孔径中心点之间的基线长度用表示，与直径需满足约束条件：，其中表示光源光谱范围；=0,1,…,n-1；n≥3。

7、优选的，步骤s1中，利用掩膜获取非参考子孔径相对于参考子孔径形成独立的otf旁瓣的方法采用如下任意一种：

8、将掩膜设计为非冗余布局，调整掩膜上各子孔径的中心位置，使非参考子孔径i与参考子孔径0二者干涉形成独立的otf旁瓣；

9、子孔径中心与对应子镜中心对齐，采用调制otf处理方法，从调制后的光学传递函数中分离得到独立的otf旁瓣；

10、物理遮挡除参考子孔径0以及待测非参考子孔径i以外的其余全部子孔径，获取独立的otf旁瓣。

11、优选的，步骤s2中，根据mtfphi确定旁瓣径向方向，求解得到沿旁瓣径向的解包裹相位传递函数的方法为：截取mtfphi中数值大于其最大值的20%的区域作为高信噪比拟合区域进行拟合，确定旁瓣径向；沿旁瓣径向方向对ptfphi做插值拟合，得到沿旁瓣径向分布的相位传递函数，执行一维相邻像素相位解包裹，得到沿旁瓣径向的解包裹相位传递函数ptfi(

fr)。

12、优选的，截取mtfphi中数值大于其最大值的20%的区域作为高信噪比拟合区域，使用加权主成分分析拟合；沿旁瓣径向方向对ptfphi做三次样条插值拟合。

13、优选的，步骤s3中，在有效空间频率区间内对解包裹相位传递函数ptfi(

fr)执行最小二乘法拟合得到拟合直线；

14、斜率与活塞误差之间的解析关系表达如下：；

15、式中，表示斜率；为焦距；为对应的非参考子镜与参考子镜之间的活塞误差；表示非参考子孔径中心点与参考子孔径中心点之间的基线长度。

16、优选的，步骤s3中，有效空间频率区间为，其中区间上下限满足：，，。

17、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

18、（1）本发明适配宽带光源工作条件，依靠旁瓣相位传递函数径向斜率的解析关系求解活塞误差，避免单色光相位缠绕问题，同时实现大量程、高精度活塞误差测量；

19、（2）解析计算运算量小，可满足动态观测场景的实时探测要求；通过mtf高信噪比区域筛选，降低噪声对求解结果的不利影响；

20、（3）不需要额外增设特殊光学器件，硬件实现灵活，便于在合成孔径成像望远镜中工程实现。

1.一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：所述步骤s1中，为各个子镜依次按0,1,…,n-1进行数字编号；选定编号为0的子镜作为参考子镜，其余编号的子镜为非参考子镜；编号为的子镜的非参考子孔径中心点与参考子孔径中心点之间的基线长度用表示，与直径需满足约束条件：，其中表示光源光谱范围；=0,1,…,n-1；n≥3。

3.根据权利要求2所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：所述步骤s1中，利用掩膜获取非参考子孔径相对于参考子孔径形成独立的otf旁瓣的方法采用如下任意一种：

4.根据权利要求1所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：所述步骤s2中，根据mtfphi确定旁瓣径向方向，求解得到沿旁瓣径向的解包裹相位传递函数的方法为：截取mtfphi中数值大于其最大值的20%的区域作为高信噪比拟合区域进行拟合，确定旁瓣径向；沿旁瓣径向方向对ptfphi做插值拟合，得到沿旁瓣径向分布的相位传递函数，执行一维相邻像素相位解包裹，得到沿旁瓣径向的解包裹相位传递函数ptfi(fr)。

5.根据权利要求4所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：截取mtfphi中数值大于其最大值的20%的区域作为高信噪比拟合区域，使用加权主成分分析拟合；沿旁瓣径向方向对ptfphi做三次样条插值拟合。

6.根据权利要求5所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：所述步骤s3中，在有效空间频率区间内对解包裹相位传递函数ptfi(fr)执行最小二乘法拟合得到拟合直线；

7.根据权利要求1所述的一种基于旁瓣径向ptf斜率反演的合成孔径活塞误差传感方法，其特征在于：所述步骤s3中，有效空间频率区间为，其中区间上下限满足：，，。