一種基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，涉及到一種擴(kuò)展目標(biāo)光學(xué)成像校正方法，特別是一種 不需要波前探測(cè)器的快速自適應(yīng)光學(xué)校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣湍流的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)不僅使望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的擴(kuò)展目標(biāo)不斷抖動(dòng)，而且還嚴(yán)重影響 擴(kuò)展目標(biāo)的成像質(zhì)量。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是改善光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨能力和激光系統(tǒng)的光束 質(zhì)量的有力手段。常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前探測(cè)器、波前控制器和波前校正器三個(gè)部分 組成，目前已成功應(yīng)用于天文點(diǎn)目標(biāo)成像等領(lǐng)域。但用于擴(kuò)展目標(biāo)成像時(shí)，常規(guī)自適應(yīng)光學(xué) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。因?yàn)閷?duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，很少有場(chǎng)景能夠提供類(lèi)似于點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)用中 那樣的參考信息。如果沒(méi)有這些信息，即使是通過(guò)一個(gè)非常薄的湍流相位屏也難以對(duì)擴(kuò)展 目標(biāo)成像進(jìn)行識(shí)別并除去波前分量中所包含的相位畸變。波前探測(cè)問(wèn)題成為將常規(guī)自適應(yīng) 光學(xué)技術(shù)用于擴(kuò)展目標(biāo)成像校正的瓶頸。另外該類(lèi)方法結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本高昂。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的基于圖像信息 的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，訪方法改善擴(kuò)展目標(biāo)成像質(zhì)量的波前校正方法，不需要波 前探測(cè)環(huán)節(jié)，可使系統(tǒng)收斂速度大大加快，收斂速度僅取決于系統(tǒng)中所使用的波前校正器 的單元數(shù)，完全適用于動(dòng)態(tài)波前畸變的校正。
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一種基于 圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，其特點(diǎn)是：首先測(cè)量波前校正器的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 影響函數(shù)；每一次迭代中，先采集待測(cè)波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，進(jìn)行切趾運(yùn)算；再將 波前校正器的影響函數(shù)面形逐個(gè)疊加待校正波前，并采集對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，完成 切趾運(yùn)算；計(jì)算得到當(dāng)前迭代次數(shù)的變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大施加到變形鏡各驅(qū) 動(dòng)器，改變變形鏡的表面形狀，產(chǎn)生相應(yīng)的相位補(bǔ)償量，完成當(dāng)前迭代；當(dāng)算法滿足迭代結(jié) 束條件時(shí)，畸變波前校正完成，從而實(shí)現(xiàn)基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正。
[0006] 本發(fā)明所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方 案是：該方法步驟如下：
[0007] (1)利用波前傳感器，測(cè)量變形鏡各個(gè)驅(qū)動(dòng)器影響函數(shù)，依據(jù)測(cè)得的影響函數(shù)，計(jì) 算變形鏡影響函數(shù)的平均梯度平方矩陣；
[0008] (2)采集待校正畸變波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像，對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行切趾運(yùn) 算；
[0009] (3)對(duì)波前校正器各個(gè)驅(qū)動(dòng)器逐個(gè)施加單位控制信號(hào)，變形鏡生成的影響函數(shù)面 形疊加到待校正畸變波前；逐個(gè)采集調(diào)制后的畸變波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，并逐個(gè) 撤銷(xiāo)所添加的控制信號(hào)；
[0010] (4)對(duì)采集到的等于波前校正器單元數(shù)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，逐個(gè)進(jìn)行切趾運(yùn) 算；
[0011] (5)利用步聚（2)和⑷中得到的圖像信息計(jì)算待校正波前對(duì)應(yīng)的波前校正器驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)施加到變形鏡各驅(qū)動(dòng)器，使之變形，完成一次迭代；
[0012] (6)將校正之后的殘余波前作為待校正波前，重復(fù)步驟（2)-(5)直到算法滿足預(yù) 先設(shè)定的終止條件。
[0013] 本發(fā)明所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方 案是：步驟（1)中，所述的波前傳感器為哈特曼波前傳感器或者干涉儀。
[0014] 本發(fā)明所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方 案是：步驟（6)中，所述的預(yù)先設(shè)定的終止條件為一定的迭代次數(shù)或殘余波前對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng) 光斑光強(qiáng)之和大于一個(gè)閾值。
[0015] 本發(fā)明所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方 案是：其具體步驟如下：
[0016] (1)利用波前測(cè)量設(shè)備，測(cè)量變形鏡各個(gè)驅(qū)動(dòng)器影響函數(shù)，依據(jù)測(cè)得的影響函數(shù)， 計(jì)算變形鏡影響函數(shù)的平均梯度平方矩陣，其具體步驟如下：
[0017] A.給每一個(gè)驅(qū)動(dòng)施加單位電壓，用哈特曼或干涉儀測(cè)量其影響函數(shù)，記為 E1 (X，y)，即第i個(gè)驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)，如果變形鏡有N個(gè)單元，則i的最大值為N ;
[0018] B.計(jì)算變形鏡影響函數(shù)的平均梯度平方矩陣，記為S，S為一個(gè)NXN對(duì)稱(chēng)矩陣，依 據(jù)下式（1):
[0020] 計(jì)算矩陣S的每一個(gè)元素，其中I = I. . . N，k = I. . . N，D為積分區(qū)域；
[0021] C.根據(jù)得到的矩陣S，將其對(duì)角矩陣向量記為Sni，并計(jì)算其逆矩陣，記為S S
[0022] (2)采集待校正波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像，記為I。'（u，v);為克服圖像邊緣像素 點(diǎn)的影響，使用Tukey窗函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行切趾運(yùn)算I。'（u, V). *H(u, V)，得到IQ(u, V)，其中 H(u, V)為T(mén)ukey窗函數(shù)，.*為矩陣的點(diǎn)乘運(yùn)算；依據(jù)下式（2)
[0023]
[0024] 計(jì)算掩模后的成像信息；1。(1!，V)對(duì)應(yīng)的M記為M。；
[0025] (3)將變形鏡生成的影響函數(shù)面形疊加到待校正畸變波前；采集調(diào)制后的畸變波 前對(duì)應(yīng)的圖像信息；N個(gè)驅(qū)動(dòng)器逐個(gè)施加單位信號(hào)，采集卡逐個(gè)采集，可得到N個(gè)圖像，分別 記為I' i，…，I' N;
[0026] (4)使用Tukey窗函數(shù)分別對(duì)圖像Γ i，. . .，Γ N進(jìn)行切趾運(yùn)算得到I i，...，。再 依據(jù)式子2計(jì)算掩模后的成像信息，得到M1, ...，Mn;
[0027] (5)將M1，…，Mg M。做差運(yùn)算，得到一 N維向量Q ;利用下式⑶：
[0029] 計(jì)算待校正波前對(duì)應(yīng)的變形鏡各控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大 施加到變形鏡各驅(qū)動(dòng)器，生成與待測(cè)波前方向相反的變形量，疊加到待校正波前，其中c。為 一小的常數(shù)，稱(chēng)之為調(diào)整系數(shù)；
[0030] (6)將校正之后的殘余波前作為待校正波前，重復(fù)步驟（2)-(5)直到算法滿足預(yù) 先設(shè)定的終止條件，如一定的迭代次數(shù)或殘余波前對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑光強(qiáng)之和大于一個(gè)閾 值。
[0031] 本發(fā)明的原理是：光學(xué)原理中擴(kuò)展目標(biāo)成像信息與待校正波前畸變有一定 的物理關(guān)系。記待校正波前為Φ(χ，7)，則這種物理關(guān)系在數(shù)學(xué)上可表現(xiàn)為波前畸 變的平均梯度平方值
與掩模后的成像信息
呈線性關(guān)系，即M-Mp= cG，其中Mp對(duì)應(yīng)平面波，即無(wú)像差時(shí)擴(kuò)展 目標(biāo)成像信息對(duì)應(yīng)的M值，D和諷為各自積分區(qū)域，c為一常數(shù)，這里的掩模指的是I u2+v21， 可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] (1)常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前傳感器、波前控制器和波前校正器三個(gè)部分組成。 本發(fā)明的波前校正方法不需要波前傳感器測(cè)量波前，而是直接使用擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，使 得整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本大大降低；
[0034] (2)本發(fā)明直接從像平面圖像計(jì)算控制信號(hào)，避免了通常自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前 傳感器和成像系統(tǒng)相互獨(dú)立分光、浪費(fèi)入射光能量的缺點(diǎn)，提高了光能利用率；
[0035] (3)現(xiàn)有的無(wú)波前探測(cè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前校正方法收斂速度緩慢，本發(fā)明和現(xiàn) 有技術(shù)相比收斂速度大大提高，一次迭代就可使系統(tǒng)收斂。對(duì)于N個(gè)單元的變形鏡一次迭 代僅需N+1個(gè)擴(kuò)展目標(biāo)圖像信息的采集，且系統(tǒng)收斂速度不會(huì)隨著湍流的增加而改變，系 統(tǒng)的收斂速度僅與變形鏡的單元數(shù)有關(guān)。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1本發(fā)明改善擴(kuò)展目標(biāo)成像質(zhì)量的快速波前校正方法示意圖；
[0037] 圖2本發(fā)明快速擴(kuò)展目標(biāo)成像波前校正方法應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
[0038] 圖3-5為本發(fā)明快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法的校正速度和校正效果示例圖，其 中，圖3為待校正波前的均方根值RMS變化曲線，圖4為校正之前成像，圖5為校正后成像。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 以下參照附圖，進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn) 一步地理解本發(fā)明。
[0040] 實(shí)施例1，參照?qǐng)D1，一種基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，首先測(cè)量 波前校正器的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)；每一次迭代中，先采集待測(cè)波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成 像信息，進(jìn)行切趾運(yùn)算；再將波前校正器的影響函數(shù)面形逐個(gè)疊加待校正波前，并采集對(duì)應(yīng) 的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，完成切趾運(yùn)算；計(jì)算得到當(dāng)前迭代次數(shù)的變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將驅(qū)動(dòng) 信號(hào)放大施加到變形鏡各驅(qū)動(dòng)器，改變變形鏡的表面形狀，產(chǎn)生相應(yīng)的相位補(bǔ)償量，完成當(dāng) 前迭代；當(dāng)算法滿足迭代結(jié)束條件時(shí)，畸變波前校正完成，從而實(shí)現(xiàn)基于圖像信息的快速擴(kuò) 展目標(biāo)成像校正。
[0041] 實(shí)施例2,實(shí)施例1所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法，其步驟如 下：
[0042] (1)利用波前傳感器，測(cè)量變形鏡各個(gè)驅(qū)動(dòng)器影響函數(shù)，依據(jù)測(cè)得的影響函數(shù)，計(jì) 算變形鏡影響函數(shù)的平均梯度平方矩陣；
[0043] (2)采集待校正畸變波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像，對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行切趾運(yùn) 算；
[0044] (3)對(duì)波前校正器各個(gè)驅(qū)動(dòng)器逐個(gè)施加單位控制信號(hào)，變形鏡生成的影響函數(shù)面 形疊加到待校正畸變波前；逐個(gè)采集調(diào)制后的畸變波前對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，并逐個(gè) 撤銷(xiāo)所添加的控制信號(hào)；
[0045] (4)對(duì)采集到的等于波前校正器單元數(shù)的擴(kuò)展目標(biāo)成像信息，逐個(gè)進(jìn)行切趾運(yùn) 算；
[0046] (5)利用步聚⑵和（4)中得到的圖像信息計(jì)算待校正波前對(duì)應(yīng)的波前校正器驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)施加到變形鏡各驅(qū)動(dòng)器，使之變形，完成一次迭代；
[0047] (6)將校正之后的殘余波前作為待校正波前，重復(fù)步驟（2)-(5)直到算法滿足預(yù) 先設(shè)定的終止條件。
[0048] 實(shí)施例3,實(shí)施例2所述的基于圖像信息的快速擴(kuò)展目標(biāo)成像校正方法的步驟（1) 中，所述的波前傳感器為哈特曼波前傳感器或者干涉儀。
[0049] 實(shí)施例4,實(shí)施例2所