基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统及方法和航天器

本发明涉及空间光学遥感，具体涉及一种用于卫星或空间飞行器的、具有宽视场和高分辨率成像能力的先进光学系统及方法。

背景技术：

1、高分辨率对地观测是空间光学遥感的核心任务。传统空间相机设计面临一个根本性矛盾：要实现高地面分辨率，需要长焦距、大口径；而要覆盖宽观测范围（宽视场），光学系统会变得异常复杂、庞大和沉重，这与卫星平台对载荷重量和体积的严格限制直接冲突。

2、中心凹成像（foveated imaging）技术源于人类视觉系统的生理特性，即视网膜中心凹区域具有极高的视觉分辨率，而周边区域分辨率急剧下降。在超高清显示、虚拟现实（vr）及增强现实（ar）等领域，传统全局均匀高分辨率成像面临着庞大的数据吞吐量和计算负荷瓶颈。中心凹成像通过眼动追踪，仅在视线注视区域提供高分辨率图像，在周边视野降低分辨率，从而在保持主观视觉质量的同时大幅降低系统功耗与算力需求。

3、目前，空间光调制器（slm，如lcos液晶面板）已成为实现动态中心凹成像的核心器件。slm能够实时调制光波的振幅或相位，实现高分辨率区域的动态渲染与像差校正。例如，wang等人（frontiers of optoelectronics, 2017）设计了基于反射式slm的中心凹成像系统，通过slm校正感兴趣区域（roi）的像差；相关专利（如apple 2022年专利、meta 2024年专利）也广泛采用lcos面板结合偏振光学或可切换波片，配合微机电（mems）反射镜实现高分辨率区域的视线跟随。此外，多项全息近眼显示专利利用眼动追踪驱动反射镜改变入射slm的光束角度，以扩展眼瞳箱并实现注视点渲染。

4、然而，现有的中心凹成像系统在光学中继与投影架构上仍存在局限。传统折射式透镜组易引入色差且体积庞大；全息光学元件（hoe）存在衍射效率低及杂散光问题；而同轴多反系统则存在中心遮拦，导致光能损失和成像对比度下降，难以满足中心凹区域对极致像质的要求。

5、离轴三反（off-axis tma）系统为解决上述光学中继瓶颈提供了理想方案。离轴三反系统通过非共轴光路设计彻底消除了中心遮拦，使光能利用率和成像对比度显著提升；其纯反射特性天然具备宽光谱消色差能力；结合自由曲面技术，可在紧凑的折叠光路中实现大视场、高分辨率的优异像差校正。

6、综上所述，将空间光调制器的动态局部调制能力与离轴三反系统的高对比度、无遮拦、宽光谱及紧凑折叠优势相结合，构建基于离轴三反系统的空间光调制中心凹成像架构，能够有效克服现有折射/衍射中继光路的像差与遮拦缺陷。该方案为实现大视场、高对比度、低算力负荷的下一代高性能成像系统提供了全新的技术路径，并可以满足太空环境下轻量化、小型化要求，又能兼顾宽视场搜索和高分辨率详查能力。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统，该系统能够兼顾宽视场搜索和高分辨率详查能力。

2、本发明提供了一种基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统，包括：

3、离轴三反射镜光学子系统，用于来自视场的光信号，对全视场范围内进行连续成像；

4、图像探测与处理子系统，用于接收全视场范围内的连续成像形成广域图像，对所述广域图像进行目标检测识别出目标位置的视场角坐标，还用于接收像差校正后的光信号并生成目标图像，将广域图像和目标图像融合后存储或下传；

5、波前传感与控制子系统，与图像处理子系统通过导线连接，用于基于获得的目标位置的视场角坐标，从预存的校正库中调取对应的多通道电压数据；

6、空间光调制器，集成在所述离轴三反射镜光学子系统内，与所述波前传感与控制子系统通过导线连接，用于基于接收的多通道电压数据对面形进行调整，以便于对像差进行校正。 优选的，所述空间光调制器为变形镜。

7、本发明提供的基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统具有以下有益效果：

8、（1）智能资源分配：模仿人眼，将有限的数据带宽和数据处理能力优先分配给最关注的区域，效率极高。

9、（2）系统简洁可靠：采用单块空间光调制器结合固定三反结构，比多镜变焦或复杂校正系统更轻、更小、更稳定。

10、（3）宽波段工作能力：全反射光学设计使其可在整个可见光甚至更宽光谱范围内高质量工作。

11、（4）显著提升有效分辨率：通过局部像差校正，能将边缘视场等劣化区域的成像质量提升至中心视场水平，整体有效观测能力大幅增强。

12、（5）降低总数据量：无需始终传输整幅最高分辨率图像，仅在全视场低分辨率图像中标记并传输局部高分辨率图像，有效节约了宝贵的星地数据传输带宽。

13、进一步的，所述离轴三反射镜光学子系统包括沿光路方向依次设置的主镜、次镜和三镜，其中，所述主镜与三镜设置于所述次镜的同一侧，且所述三镜位于所述主镜下方，所述主镜和三镜的面型为圆锥曲面，所述次镜的面型为球面。

14、本发明提供的离轴三反射镜光学子系统采用全反射式设计，完美消除色差，适应宽波段工作，且本发明提供的离轴三反射镜光学子系统结构简单。

15、更进一步的，所述空间光调制器位于所述次镜的位置，替代次镜或出瞳位置。

16、本发明将空间光调制器设置的次镜的位置，由于次镜的口径较小，且是汇聚光束的位置，所以将空间光调制器放置在次镜的位置能够适配合适尺寸的空间光调制器，成本合适，且利用汇聚光束的位置能够更加高效的调控像差。

17、进一步的，所述波前传感与控制子系统用于采用预补偿方式，在地面预先标定不同视角下的像差分布，基于所述像差分布计算出不同视角下的空间光调制器的校正电压，从而形成所述校正库。

18、本发明提供的波前传感与控制子系统是系统的“智能中枢”。它可以采用基于模型的预补偿方式：在地面预先精确标定好光学系统在不同视场角下的像差分布，并计算出对应的空间光调制器校正电压，形成映射表存入星载计算机。运行时，只需根据目标视场角调用对应电压即可，无需在轨进行复杂的波前测量与解算，极大提高了响应速度和可靠性。

19、进一步的，所述空间光调制器用于将目标图像传输到所述图像处理子系统后，将面形恢复到基准面型，从而恢复所述离轴三反射镜光学子系统的连续成像。

20、进一步的，所述空间光调制器用于将目标图像传输到所述图像处理子系统后，接收下一个目标位置的多通道电压数据，对面形再次进行调整，对下一个目标位置进行成像。

21、进一步的，所述离轴三反射镜光学子系统用于在全视场范围内提供第一分辨率的基础成像，所述空间光调制器用于在接收多通道电压数据完成面形调整后，对目标位置实现高于所述第一分辨率的第二分辨率成像。

22、进一步的，所述第一分辨率为在无动态像差校正状态下的衍射极限分辨率，所述第二分辨率在目标位置接近或达到所述基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统的衍射极限分辨率。

23、进一步的，所述图像探测与处理子系统用于对所述广域图像进行目标检测，识别出多个潜在目标点，依据预设规则选择最高优先级的目标，识别所述最高优先级的目标的位置的视场角坐标得到目标位置的视场角坐标。

24、另一方面，本发明还提供了一种基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像方法，采用所述的基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统进行成像，包括：

25、（1）广域搜索：利用所述离轴三反射镜光学子系统，对全视场进行连续成像；

26、（2）目标锁定：通过所述图像探测与处理子系统接收连续成像形成广域图像，对所述广域图像进行目标检测识别出目标位置的视场角坐标；

27、（3）像差校正：通过波前传感与控制子系统基于目标位置的视场角坐标，从预存的校正库中调取对应的多通道电压数据，通过空间光调制器将接收的多通道电压数据对面形进行调整，以便于对像差进行校正；

28、（4）高分辨成像：通过图像探测与处理子系统接收像差校正后的光信号并生成目标图像，将广域图像和目标图像融合后存储或下传。

29、另一方面，本发明还提供了一种航天器，其特征在于，搭载所述的基于空间光调制器与离轴三反结构的仿生空间成像系统。本发明提供的航天器能够显著提升了其在轨观测的智能性和效能。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本发明提供的系统的核心将离轴三反射镜光学子系统的宽视场、无色差优点，与空间光调制器的高精度、快速波前校正能力相结合，具体的，本发明利用离轴三反射镜光学子系统在全视场维持一个基础分辨率，进行持续监视，然后通过图像探测与处理子系统识别出目标位置的视场角坐标，然后通过波前传感与控制子系统寻得目标位置的视场角坐标对应的多通道电压数据，通过多通道电压数据调控空间光调制器，实现针对该目标所在的精确视场角，实时校正其光学像差，使该局部区域的成像质量迅速提升至接近衍射极限，达到高分辨率，从而能够兼顾宽视场搜索和高分辨率详查能力。