【摘要】：哈特曼波前探測器作為一種波前位相測量器件,憑借其優(yōu)越的性能,被廣泛的應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、主動(dòng)光學(xué)、圖像復(fù)原等領(lǐng)域。而1998年相關(guān)哈特曼波前探測器的提出及成功應(yīng)用使太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)走向?qū)嵱没?并推動(dòng)了對(duì)地面景物或空間擴(kuò)展目標(biāo)的波前探測工作的開展。而對(duì)基于擴(kuò)展目標(biāo)的畸變波前探測,擴(kuò)展目標(biāo)本身的對(duì)比度,內(nèi)容分布位置等因素均會(huì)影響相關(guān)哈特曼波前探測器的探測精度。為了提高相關(guān)哈特曼波前探測器在基于擴(kuò)展目標(biāo)的波前探測工作中的性能,本文開展了如下研究,并取得一系列研究成果。相關(guān)哈特曼波前探測器通過計(jì)算子孔徑圖像與參考圖像的互相關(guān)函數(shù)的峰值來估計(jì)子孔徑圖像的偏移,當(dāng)擴(kuò)展目標(biāo)的對(duì)比度較低時(shí),基于子孔徑圖像間灰度值乘積之和的互相關(guān)函數(shù)值將不再能精確地反映圖像間的相似性,用其來估計(jì)子孔徑圖像偏移量誤差較大。針對(duì)這個(gè)問題,提出了對(duì)參考子孔徑圖像進(jìn)行伽馬變換處理的子孔徑偏移量探測算法。在仿真分析中,說明了針對(duì)目標(biāo)特點(diǎn)應(yīng)用合適伽馬值的伽馬變換相關(guān)算法,能大幅提升子孔徑偏移量探測精度,對(duì)于RMS=6.86的太陽黑子類低對(duì)比度擴(kuò)展目標(biāo),應(yīng)用γ1的伽馬變換相關(guān)算法最高可以使子孔徑偏移量探測誤差降低88.12%;而最佳伽馬值的選擇會(huì)受到子孔徑分辨率的影響,隨著子孔徑分辨率的降低,通過改變伽馬值提升算法偏移量探測精度的效果越有限;伽馬變換相關(guān)算法抗噪能力較弱,對(duì)于PSNR=43dB的中等信噪比子孔徑圖像,應(yīng)用其會(huì)使得偏移量探測誤差增加,而此時(shí)利用高信噪比圖像作為參考圖像可使算法的波前探測結(jié)果達(dá)到與高信噪比時(shí)相同的精度。在波前重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中,對(duì)特征部分最亮背景部分較暗的子孔徑圖像應(yīng)用γ=1.5的伽馬變換相關(guān)算法,使重構(gòu)誤差減小22.86%,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了針對(duì)目標(biāo)特點(diǎn),選擇合適伽馬值的伽馬變換相關(guān)算法能提升偏移量探測精度。利用FFT來實(shí)現(xiàn)子孔徑圖像間互相關(guān)的計(jì)算是目前普遍應(yīng)用的方法,但其需要將有限圖像周期延拓成無限圖像,使得其相關(guān)值反映的實(shí)際上是參考圖像和周期延拓的待測子孔徑圖像間的相似度,當(dāng)擴(kuò)展目標(biāo)的特征接壤視場邊緣時(shí),偏移量探測誤差會(huì)非常大。針對(duì)這個(gè)問題,提出了利用梯度圖像進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的子孔徑偏移量探測算法,通過單個(gè)子孔徑圖像偏移量探測和畸變波前重構(gòu)仿真,說明了應(yīng)用梯度互相關(guān)算法可以使偏移量探測精度達(dá)到較高的水平,并能消除由邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的波前重構(gòu)誤差項(xiàng);在波前探測實(shí)驗(yàn)中,驗(yàn)證了梯度互相關(guān)算法能提升對(duì)特征接壤視場邊緣的擴(kuò)展目標(biāo)的波前探測精度,平均可以使波前重構(gòu)殘差減少28.1%;通過液晶自適應(yīng)光學(xué)校正成像實(shí)驗(yàn),說明了梯度互相關(guān)算法的應(yīng)用可以提升系統(tǒng)的成像分辨率。本研究得到的成果提升了相關(guān)哈特曼波前探測器的探測能力,使相關(guān)哈特曼波前探測器用于多種擴(kuò)展目標(biāo)的波前探測均有優(yōu)良表現(xiàn),拓寬了基于擴(kuò)展的相關(guān)哈特曼波前探測器的應(yīng)用范圍。
【圖文】：

1.1 基于擴(kuò)展目標(biāo)的相關(guān)哈特曼波前探測器的研究意義哈特曼波前探測技術(shù)最早在 1900 年由德國天體物理學(xué)家 Johannes FraHartmann 提出，用于檢測光學(xué)元件的表面面型。利用一個(gè)規(guī)則排列的小孔陣列在待測物鏡前將光束分割成許多細(xì)光束，通過測量該物鏡焦面前后垂直光軸截上各細(xì)光束形成光斑的中心坐標(biāo)，即可進(jìn)一步求得待測物鏡上的像差，但該方的測量精度較低，且光能損失大。在 1971 年，Roland Shack 對(duì)其進(jìn)行了十分效的改進(jìn)，將小孔陣列換成了微透鏡陣列，使得該技術(shù)的探測精度和光能利用均得到了大幅的提升[1-3]。隨后，人們根據(jù)該改進(jìn)后的波前探測技術(shù)制成了波傳感器，稱為夏克-哈特曼波前探測器，，通常簡稱為哈特曼波前探測器[4-11]。哈特曼波前探測器通常由兩個(gè)部分組成：微透鏡陣列和位于其焦面上的相如圖 1.1 所示。微透鏡陣列將進(jìn)入哈特曼的光波前分割成一系列子波前，每個(gè)波前通過對(duì)應(yīng)的微透鏡成像在相機(jī)上，形成圖像陣列。

圖 1.2 哈特曼背部相機(jī)點(diǎn)目標(biāo)圖像陣列Figure 1.2 Spot image array of a Shark-Hartmann senso常通過計(jì)算其質(zhì)心得出[16]，如(1.1)式所示：, ,,,,, ,,,,i j i ji jci ji ji j i ji jci ji jx IXIy IYI = = 即為計(jì)算得出的光斑質(zhì)心位置， (xi,j,yi,j)為第 i 行標(biāo)，Ii,j為第 i 行第 j 列像素的灰度值。如式（1.2質(zhì)心位置(Xc, Yc)減去參考位置(Xc0, Yc0)即為子0 0x Xc Xc = =
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;O572.212

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 宣麗;李大禹;劉永剛;;液晶自適應(yīng)光學(xué)在天文學(xué)研究中的應(yīng)用展望[J];液晶與顯示;2015年01期

2 劉敏時(shí);王曉曼;景文博;王斌;;用于激光光束檢測的夏克-哈特曼傳感器參量設(shè)計(jì)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年03期

3 張金平;張學(xué)軍;張忠玉;鄭立功;;Shack-Hartmann波前傳感器檢測大口徑圓對(duì)稱非球面反射鏡[J];光學(xué)精密工程;2012年03期

4 程少園;曹召良;胡立發(fā);穆全全;李鵬飛;宣麗;;用夏克-哈特曼探測器測量人眼波前像差[J];光學(xué)精密工程;2010年05期

5 劉超;孔寧寧;胡立發(fā);宣麗;;液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中控制矩陣的精確測量[J];光學(xué)精密工程;2009年12期

6 童桂;廖文和;梁春;;哈特曼-夏克波前傳感器的最優(yōu)模式復(fù)原[J];激光技術(shù);2008年04期

7 胡新奇;俞信;趙達(dá)尊;;相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感器波前重構(gòu)新方法[J];光學(xué)技術(shù);2007年05期

8 胡新奇;俞信;趙達(dá)尊;;目標(biāo)圖像結(jié)構(gòu)和噪聲對(duì)相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感精度的影響[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2007年08期

9 彭國福;林正浩;;LCD Gamma校正的硬件實(shí)現(xiàn)[J];桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào);2006年01期

10 魏永毅;李海峰;劉旭;;液晶投影機(jī)自動(dòng)Gamma校正系統(tǒng)[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2005年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張?zhí)m強(qiáng);太陽高分辨力成像多層共軛自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 李飛;基于波前測量的白光點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)方法[D];北京理工大學(xué);2016年

2 沈婷婷;基于互相關(guān)因子算法的太陽自適應(yīng)光學(xué)波前實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2015年

3 馬向?qū)?使用液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)激光束整形[D];大連理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2635058