本發(fā)明屬于大氣波前傳感，具體涉及基于非線性波前曲率傳感原理的波前感知方法。

背景技術(shù)：

1、在大氣波前傳感技術(shù)領(lǐng)域，傳感系統(tǒng)對穿過大氣湍流的光波波前的感知靈敏度和動態(tài)范圍是其主要性能指標(biāo)。在一些極端應(yīng)用領(lǐng)域，比如對系外行星的光學(xué)觀測中，通常借助大靶面和高子孔徑密度的夏克-哈特曼波前傳感器。由于大靶面和高子孔徑密度的夏克-哈特曼波前傳感器的制造成本和難度極大，人們提出了利用四個離瞳強度圖反演波前相位的設(shè)想，由此發(fā)展處非線性波前曲率傳感技術(shù)。

2、根據(jù)衍射理論，光波的相位信息可體現(xiàn)在離焦的強度分布中，利用離焦強度信息感知光波相位的技術(shù)種類繁多。非線性波前曲率傳感技術(shù)則是利用四個兩兩對稱離瞳的強度圖，通過迭代算法恢復(fù)波前相位。然而同時獲取四個離瞳平面處的光強度分布增加了離瞳圖像采集系統(tǒng)的復(fù)雜性，此外由于迭代計算較為耗時且易陷入局部最優(yōu)狀態(tài)，傳統(tǒng)的非線性波前曲率傳感方法對實際波前的傳感效率較低。

3、針對非線性波前曲率傳感的圖像采集問題，一些新型的光路方案可有效緩解這一現(xiàn)狀。比如，利用單相機借助電控變焦透鏡可以準實時地獲得四個離瞳圖像，但是電控變焦透鏡的工作頻率限制了整體系統(tǒng)的工作效率。另外一種利用四相機分路采集離瞳圖像的方案，雖然可嚴格意義上實時計算波前相位，但是在導(dǎo)星強度有限的場景中，由于各單路成像過程的光照較暗，導(dǎo)致各圖像的信噪比下降嚴重。針對傳統(tǒng)的迭代算法gs(gerchberg-saxton)所存在為問題，利用er(error?reduction)和hio(hybrid?input?and?output)等其他迭代算法可得到有效緩解。但是，迭代計算的效率本質(zhì)上依賴于初始值與真實值的偏差，故上方法仍存在易陷入局部最優(yōu)解的問題。

4、由此可見非線性波前曲率波前傳感方法存在以下缺點。在光路方面：1、電控變焦系統(tǒng)的工作頻率有限；2、分路離焦系統(tǒng)對導(dǎo)星強度要求嚴格。在算法方面：1、迭代計算速度慢；2、迭代計算易陷入局部最優(yōu)解。針對以上問題，有必要找到一種符合實際應(yīng)用場景和需求，且波前計算效率高的非線性波前曲率傳感方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，可以在提高波前傳感效率的前提下簡化離瞳圖像采集光路的復(fù)雜性。利用任意的離瞳圖像采集光路獲得兩個不同離瞳距離下的光強圖像，作為雙平面gs算法的強度約束。將原有的四平面gs算法修改為雙平面方案，并利用前一幀已求解得到的相位作為當(dāng)前幀迭代的初始值。相較于傳統(tǒng)的離瞳圖像采集光路，本發(fā)明獲取離瞳圖像所需的光路結(jié)構(gòu)簡單，適用場景魯棒性好。相較于傳統(tǒng)的波前計算方法，本發(fā)明的波前收斂速度更快，有更低的殘余波前誤差，適用于在光束強度有限的場景下高效率地感知其波前相位。

2、本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

3、一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

4、s1.根據(jù)場景需要，選擇離瞳圖像采集光路1或光路2來獲得兩張分別位于短離瞳位置和長離瞳位置處的圖像；

5、s2.編寫雙平面gs算法，用于通過離瞳圖像計算得到瞳面處光波相位分布(以下簡稱瞳面相位)；

6、s3.保存各幀已求解得到的瞳面相位，用作下一幀迭代的初始值；

7、s4.以兩個離瞳矩陣作為gs循環(huán)主體中的振幅約束，判斷迭代至瞳面的相位是否滿足收斂條件，最終獲得收斂的瞳面相位；

8、s5.保存當(dāng)前幀已求解得到的瞳面相位，采集下一幀的離瞳圖像，重復(fù)s3和s4步驟，時序計算每一幀波前相位。

9、所述步驟s1的離瞳圖像采集光路包括，基于電控變焦透鏡實現(xiàn)的光路1，適用于光強有限但時間帶寬要求不高的場景?；诜致纺K實現(xiàn)的光路2，適用于光強足夠且時間帶寬要求高的場景。

10、所述步驟s1的離瞳圖像采集光路，由于僅需獲得兩個離瞳圖像，其結(jié)構(gòu)簡單更易實現(xiàn)。

11、所述步驟s2的雙平面gs迭代面序，依次為瞳面、短離瞳距離面、長離瞳距離面和瞳面。

12、所述步驟s3的兩幀時序相鄰的湍流瞳面相位，其特征在于具有空間分布的局部相關(guān)性。

13、所述步驟s4的迭代中止條件，設(shè)置為前后兩輪循環(huán)在瞳面處的相位差，以提高gs迭代的求解效率。

14、本發(fā)明的有益效果在于針對非線性波前曲率傳感的實際使用需求，提出了一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法。該方法所基于的離瞳圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，緩解了光強度和時間帶寬之間的約束情況。相比傳統(tǒng)的四離瞳平面方法，在相同迭代收斂條件下有更快的計算收斂速度，在相同迭代時間下有更低的殘余波前誤差。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于，所所述步驟s1的離瞳圖像采集光路包括，基于電控變焦透鏡實現(xiàn)的光路1，適用于光強有限但時間帶寬要求不高的場景?；诜致纺K實現(xiàn)的光路2，適用于光強足夠且時間帶寬要求高的場景。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于，所述步驟s1的離瞳圖像采集光路，由于僅需獲得兩個離瞳圖像，其結(jié)構(gòu)簡單更易實現(xiàn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于，所述步驟s2的雙平面gs迭代面序，依次為瞳面、短離瞳距離面、長離瞳距離面和瞳面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于，所述步驟s3的兩幀時序相鄰的湍流瞳面相位，其特征在于具有空間分布的局部相關(guān)性。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，其特征在于，所述步驟s4的迭代中止條件，設(shè)置為前后兩輪循環(huán)在瞳面處的相位差，以提高gs迭代的求解效率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雙離瞳平面的非線性波前曲率傳感方法，涉及針對大氣湍流場的波前傳感領(lǐng)域，其技術(shù)特征在于：針對非線性波前曲率傳感方法的離瞳圖像獲取和迭代計算效率低的問題，將歷史幀已求解的波前作為當(dāng)前幀迭代計算的初始值。利用湍流場波前信息存在時序變化的局部信息相關(guān)的特點，將歷史幀波前相位當(dāng)作當(dāng)前幀求解的約束，可有效提高傳統(tǒng)方法的波前傳感精度和速度。另外，探究了在光強有限場景下的應(yīng)用，即利用更少數(shù)量的離瞳面執(zhí)行非線性波前曲率傳感的效果。發(fā)現(xiàn)該方法可僅利用兩個離瞳面信息，即可獲得同傳統(tǒng)四離瞳面方法相當(dāng)?shù)牟ㄇ皞鞲芯群透斓牟ㄇ笆諗克俣取?br/>
技術(shù)研發(fā)人員：趙建林,劉慶輝,任振波,張蒙蒙,戴思清,張繼巍,邸江磊
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6