三子镜与三臂形两种稀疏孔径系统的对比研究-结题报告

请就研究目标、研究过程、研究成果、研究心得作全面总结，3000字以内传统的光学望远镜随着口径的增大，虽然分辨率增加了，但是系统的重量、体积和成本也都急剧增大，当前的制造水平显然无法制造出口径不断增大的望远镜。本项目研究的稀疏孔径就可以解决这一问题，三子镜与三臂形这两种结构，既解决了传统望远镜发展的困境，同时也可以极大的保证图像的清晰度。本项目研究的三子镜的稀疏孔径的通光光瞳是由三个子孔径按夹角/3组合2而成，它能够保持大的填充因子，其调制传递函数的分布也是比较均匀的。三臂形的稀疏孔径与一些其它结构的孔径相比，在控制好填充因子的情况下可以获得更好的调制传递函数曲线，这样就可以减少信息的丢失，在成像时也可以获得更清晰的像。本项目的研究结果，已经写成一篇论文三子镜与三臂形稀疏孔径的对比研究，并公开发表在了中文核心期刊激光与光电子学进展的第50卷第11期。在项目的开始阶段，我们组的成员首先是跟随着上一届的毕业生学习、了解稀疏孔径的基础知识，做到全面掌握稀疏孔径的基本特征。往届毕业生在完成毕业论文的时候，我们也参与其中。作为基础，我们最先接触的是环面结构的孔径，根据结构计算出它的填充因子，利用学过的知识推导出它的调制传递函数，最后，根据推导出的函数，借助于MATLAB软件模拟出调制传递函数的曲线图。接着，我们开始研究三子镜和三臂形两种稀疏孔径结构，也就是本项目的课题。同样的方法，我们首先设计出这两种孔径的子镜的排列情况，然后计算出它们各自的填充情况。三子镜的最大填充因子为65，三臂结构最大填充为35，从最大填充因子角度，我们得出在相同角分辨率的前提下，三子镜结构稀疏孔径可以得到更好的成像效果，但光学系统的生产、运输成本及装配难度更高的初步结论。然后分别推导这两种结构的调制传递函数，三子镜稀疏孔径结构的调制传递函数（MTF）为三臂结构的调制传递函数为其中是直径为D的单个子孔径的调制传递函数DMTF通过分析MTF得知稀疏孔径的调制传递函数是由多个子孔径的调制传递函数在频率域内的组合。子孔径的排列方式以及相对位置，都会对子调制传递函数产生影响。三子镜稀疏孔径结构的MTF是由9个子调制传递函数组合而成，其中3个在零频处重叠，其它6个在零频以外频率区域有规律排列；三臂形稀疏孔径结构的MTF是由36个子调制传递函数组合而成，其中6个在零频处重叠，除零频外，其它30个子调制传递函数在不同频率处有规律的排列。根据推导出的MTF，我们借助于MATLAB软件，模拟出了它们的二维对比图以及MTF曲线图（如下图），根据得到的不同填充情况下的MTF二维图，再次进行对比分析。对二维图的分析，我们得到MTF二维分布图可知三子镜和三臂结构的MTF均对称分布，三子镜结构在中心以外频率区域，有6个子调制传递函数，三臂形结构在中心以外频率区域有30个子调制传递函数，这与之前的理论结果相符合。当F28时，两种结构的子调制传递函数间的距离相对较大，随着填充因子的增大，子调制传递函数间的距离逐渐减小；在相同填充因子情况下，三子镜结构的子调制传递函数间的距离要明显大于三臂结构；当三臂形结构的填充因子接近接近最大填充因子34时，子调制传递函数出现了重叠现象,而三子镜的子调制传递函数仍然比较分散。对MTF曲线图的分析，我们得到随填充因子的增加，三子镜与三臂结构在相同空间频率处的MTF值明显增大。三臂结构MTF曲线较三子镜结构起伏较小，更加稳定。子镜中心处对应的MTF值最高，距子镜中心的距离越大，信息损耗急剧增加，对应的MTF值大大降低，因此，图6和图7中的MTF曲线在峰值处有较大的下降趋势。填充因子为22时，三子镜结构在归一化频率03附近出现零频，三臂结构在归一化频率015处出现零频，低频区三子镜的MTF要明显优于三臂结构，信息损耗更小，成像更好；随着填充因子的增加，两种结构的MTF分布有了明显改善在F28，三子镜在归一化频率035附近出现零频，而三臂结构在小于截止频率区域内不出现零频，没有信息丢失。在归一化频率范围内，三臂结构的MTF特性明显优于三子镜，表现出了良好0254的中频特性，在归一化频率范围内，三臂结构的MTF值明显小于三0457子镜结构，表明三子镜对高频信息有良好的响应。在MTF曲线中，部分频率区存在稀疏孔径结构的MTF值高于全孔径结构的情况，这是由于随着填充因子的增大，子镜间的距离减小，各子镜的MTF开始出现叠加，从而导致MTF值较高。我们最后分别对这两种结果进行了成像分析，三子镜的成像效果要明显优于三臂结构。由于稀疏孔径并非全填充的情况，因此必然存在成像模糊的情况，针对这一情况，我们将得到的模拟图进行了轮廓增强，解决了图像模糊的问题。本项目持续了将近一年的时间，在此期间我和我的组员们都学会了很多专业知识，科学素养都提升了很多，视野也随之变得更加开阔。虽然这一科研项目是在我们的业余时间做的，但我们却都是认真对待，按时完成每一个任务，每一步都达到了领会的程度。当遇到没办法解决的问题时，我们首先想到的是自己独立解决，没学过的知识，我们可以去图书馆查找相关的文献，找到解决问题的方法，亦或者是向往届毕业生和身边的同学请教，实在没办法解决时再向老师请教。这很好的提高了我们自己解决问题的能力，将被动学习变成主动学习。作为本项目的小组长，我从中学到了很多如何组织好一个队伍以及如何分配任务的知识。此前，自己一直是独立学习，遇到问题时也不知道该如何同他人交流意见。一年的学习与实践后，我认为在与他人相处时，我们要先学会倾听，遇到不同的见解时，适当提出自己的想法，尽量尝试沟通交流，避免争吵,和平处理好各种问题