法国高层大气所空间综合孔径项目研究进展*

伏西洋，郭红锋

(1.中国科学院国家天文台，北京 100012；2.中国科学院研究生院，北京 100049)

随着天文和空间遥感事业的不断推进，需要望远镜有越来越高的观测精度和分辨天体细节的能力，这使得不断提高望远镜的空间分辨率成为迫切要求。由于传统单片式(指主镜)望远镜的空间分辨率越高需要的口径越大，而随着口径的增大，整个系统的质量、体积和制造检测难度急剧增大，从而导致费用非常高，甚至当前的技术根本制造不出来，或难以发射到太空。通常认为10m级的地基系统和2.4m的空基系统已经达到当前系统设计和经济承受能力的极限[1]。在不增加单个望远镜直径的前提下，为了实现更高的空间分辨率，光学综合孔径系统被提了出来[2-4]。

光学综合孔径系统是将数个独立的望远镜(或镜面)按照一定的规则排成阵列，此阵列允许特定视场范围内的目标物体所有低于某一空间频率的频谱通过。从截止空间频率的指标看，光学综合孔径系统可以实现传统单片式大口径望远镜同样的空间分辨率，因此一直是研究的热点。本文首先介绍了法国高层大气所空间综合孔径项目背景、科学目标和有效载荷；其次分析了该项目演示系统的基本原理和各个子系统，并分别给出了该演示系统在非共相控制和共相控制情况下对半导体激光器和白光点光源的成像结果；最后对该演示系统进行了总结，并指出该系统可以进一步优化之处。

1 法国高层大气所空间综合孔径项目介绍

1.1 项目背景

为了实现对太阳和恒星精细结构的观测，1989年法国高层大气所的Damé等人提出了SUN[5](Solar Ultraviolet Network，如图1)的概念，即用4个20cm口径的独立望远镜排成一空基直线干涉阵(最长基线为2m)，并通过整个阵列的旋转实现频率域覆盖，再通过逆傅里叶变换获得高空间分辨率的图像。

在SUN的基础上，1993年Damé等人又提出了MUST[6-7](Multi-mirror Ultraviolet Solar Telescope，见图2)的概念，即用5个20cm口径的独立望远镜排成空基环形干涉阵(相邻两望远镜中心之间距离为30cm)，由于该阵列已经实现了频率域覆盖，因此不需要旋转即可实现对太阳和恒星精细结构的成像观测。

图1 SUN结构图Fig.1 Layout of optical components of the SUN

图2 MUST结构图Fig.2 Preliminary design of the MUST Solar Interferometer

图3 SOLARNET结构图Fig.3 Conceptual design of the SOLARNET

为了降低实现难度，1998年Damé等人将MUST简化为SOLARNET[8-9](Solar Imaging Interferometer，见图3)，即将原来的5个20cm口径的独立望远镜变为3个35cm口径的独立望远镜，以实现与MUST同样的空间分辨率。

1.2 科学目标

图4 SOLARNET空间项目光路图Fig.4 Illustration of the optical psths of the SOLARNET

科学目标之一围绕太阳展开[8]，研究太阳等离子过程(电流片，重联，闪耀，双层，Alvenic波加热，等离子粒团的形成，电动力学的耦合)、解开磁流体动力学的结构(日冕环，日珥，色球针状体，太阳黑子，光球磁流管)、探测辐射流体动力学(如米粒组织，声波加热，激波的形成和耗散)、确定精细结构的活动(如磁结构的演化，磁流的出现和消失)、揭示爆发现象和不稳定性的机制(如耀斑，微耀斑，迅速消失的日珥，日浪，日冕抛射，瞬现活动区)。

科学目标之二围绕行星展开[8]，研究木星和土星的大气、水星磁层的活动、监测金星大气的紫外对比度和反照率、对彗星和小行星这些小天体进行远紫外和紫外成像。

1.3 有效载荷

该空间综合孔径项目包括主光学系统和焦面仪器[8]，其中焦面仪器为3个成像光谱仪，各项参数如表1；主光学系统如图4，由3个两两间距为525mm口径为350mm的Gregory望远镜组成，通过1个共用抛物面镜成像，主光学系统的有效视场为5′(4′用于共相，1′用于科学仪器)；该空间项目的其他重要参数如表2。

表1 SOLARNET空间项目焦面仪器Table 1 Characteristics of the instruments on the SOLARNET focal plane

表2 该空间项目其他重要参数Table 2 A summary of the characteristics of the SOLARNET

2 地面演示系统

在SUN概念提出后，CNES(法国空间研究中心)于1992年资助建立了由两个独立望远镜组成的地面演示系统[10-11]，用于进行绝对位相测量和共相控制的核心技术研究。该演示系统于1994年建成，并于1995年安装到法国Meudon天文台。在两个独立望远镜的基础上，CNES于1998年再次资助建立由3个独立望远镜组成的地面演示系统，用于进行直接成像方面的研究。

2.1 共相望远镜阵列基本原理

根据惠更斯-菲涅耳原理可知，当衍射屏为多个圆孔(直径相同)组成的圆孔阵列时，该阵列夫琅和费衍射图样的主瓣较单个子圆孔夫琅和费衍射图样的主瓣窄，因此该阵列分辨无穷远的两个空间点的能力必定高于单个子圆孔，这就是综合孔径成像系统实现高空间分辨率的原理。

菲索型合成孔径望远镜又叫像面合成孔径望远镜，来自不同子孔径的光束成像在同一像面上，得到目标的像。通常有两种类型。第一种类型，通过在特定位置上放置数个小离轴抛物面以构成一个部分填充的大孔径抛物面，来自不同子孔径的光通过共用的次镜，经光束合成器使各自的焦点重合，以实现高空间分辨率成像。但由于离轴抛物面的加工非常困难，因此通常采用第二种类型，即由数个相同的、独立的子望远镜组成共相望远镜阵列，从子望远镜出来的光通过光束合成器成像。这种系统具有镜面轴对称易加工和完全相同的特点，因此研究该系统具有特殊的意义[12-14]。

图5 菲索型综合孔径系统原理图Fig.5 Illustration of the principle of the Fizeau synthetic aperture system

如图5，该地面演示系统为菲索型综合孔径系统，无穷远处有效视场内某一点发出的入射平面波前W1通过每个独立的望远镜、倾斜镜和成像镜后，在焦平面处共相干涉使得衍射斑主瓣变窄。由于同一物点的像必须共相叠加，这就要求通过每个独立的望远镜和倾斜镜后的波前W2和W2’ 必须在同一个平面上，即平面波前入射到独立望远镜阵列和倾斜镜后必须仍以平面波前(部分填充)出射，只是倾斜角度不同而已。

为了实现平面波前的精确转换，该地面演示系统必须满足出入瞳匹配公式，即系统入瞳中心之间的距离与其对应的出瞳中心之间的距离之比等于独立望远镜的角放大率[15]，对应于图5中的Q1Q2必须等于P1P2。

2.2 演示系统的各子系统

该演示系统由望远子系统、指向子系统、共相子系统和成像子系统组成[8]，见图6。其中，望远子系统包括3个独立的透射式望远镜组(入瞳直径为60mm)，每个透射式望远镜组由2个无焦系统构成(角放大率分别为-10和-1)，并且两两中心之间的距离为90mm，视场光阑口径为1mm(对应的视场为4.5′)；指向子系统利用PSD(Position Sensor Detector)来精密探测成像光斑的位置变化，再通过控制回路反馈给快速倾斜镜(在Periscope中，图中未画出)，实现实时高精度指向；共相子系统通过改变图中的光学延迟线使得二极管探测器探测到光强的最大值，即可以实现不同光束中具有相同倾斜角度的平面波前之间的共相，同时由于光信号特别弱，因此采用了同步探测技术(即在光路中引入一个高频余弦微小扰动)以提高信噪比；成像子系统通过Celestron望远镜对独立的3束光进行成像，以获得高空间分辨率、低清晰度的目标图像。

图6 演示系统光路图Fig.6 Illustration of the optical paths of the breadboard for the SOLARNET

2.3 共相成像实验结果

图7(a)和图8(a)分别为该地面演示系统在非共相控制的情况下对半导体激光器和白光点光源成像的结果，图7(b)和图8(b)分别为该地面演示系统在共相控制的情况下对半导体激光器和白光点光源成像的结果[16]。从图7(a)和图7(b)中可以看出，由于半导体激光器具有一定的时间相干性，因此无论是在非共相控制还是共相控制的情况下，总可以观测到不同独立望远镜所成的像之间的干涉，只是干涉图案不同而已，这通常用于共相子系统光学延迟线的初步调节。由于白光点光源的时间相干性非常差，因此在非共相控制的情况下，观测到的是不同独立望远镜各自所成像的强度叠加(如图8(a)所示)，而在共相控制的情况下，观测到的是不同独立望远镜各自所成像的复振幅叠加(如图8(b)所示)，显然可以认为共相子系统可以实现不同独立望远镜之间的共相。

图7 演示系统对半导体激光器成像Fig.7 Image of a laser diode obtained by the breadboard for the SOLARNET

图8 演示系统对白光点光源成像Fig.8 Image of a white-light point source obtained by the breadboard for the SOLARNET

3 总 结

法国高层大气所的空间综合孔径项目经过近二十年的研究和发展，不仅整个系统的概念设计的非常完善，而且位于Meudon天文台的地面演示系统也已经基本建立，并取得了初步的共相成像实验结果。当然该地面演示系统也存在着可以进一步优化的地方，如采用四象限探测器来提高太阳跟踪系统的跟踪精度，以消除指向子系统中的系统偏差以及调整望远子系统中角放大率为-1的无焦系统的位置使得独立透射式望远镜组入瞳的像精确地落在倾斜镜上以提高该演示系统的指向精度等，相信在不久的将来这些问题会逐步改善。但尽管如此，他们开展的这方面的探索工作对我国进行的综合孔径成像实验研究仍具有一定的借鉴意义。

致谢：工作得到了法国高层大气所DAME博士等人的支持和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。

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