【摘要】：望遠(yuǎn)鏡在工作過程中,受到重力、風(fēng)載、振動、溫度變化等因素的影響,其各個光學(xué)鏡面的相對位置會發(fā)生變化,導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量降低,無法滿足使用需求。目前,大口徑望遠(yuǎn)鏡失調(diào)誤差的在線校正技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題之一。本文為降低失調(diào)誤差校正系統(tǒng)的復(fù)雜性,簡化計算過程,以像清晰度函數(shù)作為評價指標(biāo),利用隨機(jī)并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法對兩鏡共軸望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)誤差進(jìn)行校正。但對于大口徑大視場望遠(yuǎn)鏡,由于探測器像元尺寸有限及應(yīng)用場合的限制等因素,導(dǎo)致成像光斑為欠采樣,使得頻譜混疊,部分圖像信息丟失,成像光斑無法準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的像差特性,從而降低失調(diào)誤差的校正精度。因此,本論文研究了基于不同采樣倍率下遠(yuǎn)場成像光斑像清晰度函數(shù)的失調(diào)誤差校正技術(shù)。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:首先,利用矢量波像差理論,研究了共軸兩反望遠(yuǎn)鏡設(shè)計成像狀態(tài)下和主次鏡存在相對位置失調(diào)誤差時的像差分布特性,分析了各維度失調(diào)誤差與像差的對應(yīng)關(guān)系。然后,介紹了像清晰度函數(shù)與SPGD算法的失調(diào)誤差校正流程,并對影響算法收斂性和收斂速度的因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明,為保證程序快速穩(wěn)定地收斂,必須合理地設(shè)置參數(shù)值,并給出了仿真光學(xué)系統(tǒng)校正程序的合理參數(shù)范圍。最后,分別以欠采樣成像和正常采樣成像的像清晰度函數(shù)作為評價指標(biāo),利用SPGD算法對失調(diào)誤差的校正進(jìn)行了仿真和實(shí)驗研究。在校正過程中,采用了三種像質(zhì)評價函數(shù),分別為光斑的均方根半徑(RMS)、光斑均方根半徑絕對誤差(RMS error)和光斑均方根半徑相對誤差(relative RMS error)。結(jié)果表明,相比于其他兩種像質(zhì)評價函數(shù),光斑均方根半徑相對誤差(relative RMS error)作為評價函數(shù)可以有效地提高失調(diào)誤差的校正精度。在仿真中,為保證大口徑大視場望遠(yuǎn)鏡全視場范圍內(nèi)的成像質(zhì)量,采用了軸上視場校正和多視場校正的兩步校正方法。對于多視場校正過程,需要將軸上和多個軸外視場光斑成像至同一探測器靶面,為研究各個視場成像光斑的像差特性,必須進(jìn)行目標(biāo)提取與視場匹配。本文提出了一種兩步圖像分割方法用于避免算法陷入局部極值。結(jié)果表明,該算法可以快速地完成圖像分割,經(jīng)分割后,圖像的區(qū)域間對比度(Gray-level Contrast,GC)和區(qū)域內(nèi)一致性(Uniformity Measure,UM)均優(yōu)于0.9,分割后的成像光斑較為完整地保留了圖像的強(qiáng)度分布及形態(tài)信息。在圖像分割的基礎(chǔ)上,以各圖像子塊的峰值光強(qiáng)為中心對連通區(qū)域進(jìn)行聚類,實(shí)現(xiàn)各視場成像光斑的目標(biāo)提取,根據(jù)提取目標(biāo)的質(zhì)心位置完成視場匹配,利用無噪聲圖像和噪聲圖像驗證了算法的有效性和抗噪性。結(jié)果表明,無論是無噪聲圖像還是噪聲圖像,其提取目標(biāo)與理論目標(biāo)的歸一化互相關(guān)系數(shù)(Normalized Cross Correlation,NCC)優(yōu)于0.9,說明各視場成像光斑可以較為完整地提取,且準(zhǔn)確地完成視場匹配。根據(jù)仿真分析搭建實(shí)驗系統(tǒng),對基于不同采樣倍率下光斑像清晰度函數(shù)的望遠(yuǎn)鏡失調(diào)誤差校正方法進(jìn)行實(shí)驗驗證。實(shí)驗結(jié)果表明,對于滿足Nyquist采樣定理的成像,即光斑的半高全寬為2pixels時,校正后各視場的平均波前誤差為0.0548λ,對于嚴(yán)重欠采樣成像,即光斑的半高全寬為0.25pixels時,校正后各視場的平均波前誤差為0.0726A。雖然對于嚴(yán)重欠采樣成像,校正精度略有下降,但依然滿足校正后波前誤差小于λ/10的像質(zhì)要求。
【圖文】：

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｅａｒｌｙ邋ｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ，邋（ａ）邋Ｇａｌｉｌｅｏ邋ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，邋（ｂ）邋Ｎｅｗｔｏｎ邋ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ．逡逑１６０９年，意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家伽利略（Ｇａｌｉｌｅｏ）發(fā)明了世界ｌｌ第一合逡逑折射式望遠(yuǎn)鏡，如圖１．１（ａ）所示。利用伽利略望遠(yuǎn)鏡，人們認(rèn)識到月球表面是凹逡逑凸不平的，并不是想象中的完美球形；后來，夭文學(xué)家利用該望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了其他逡逑行星，為“日心說”提供了強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。由于伽利略望遠(yuǎn)鏡由玻璃透鏡組逡逑成，受到色差的影響較大，１６６３年，英r>數(shù)學(xué)家格里高荊（Ｇｒｅｇｏｒｙ）提出了反逡逑射式望遠(yuǎn)鏡的想法以解決色差問題，由于受到：Ｃ藝的限制，這種方法并沒有被應(yīng)逡逑用。１６６８年，英國物＿學(xué)家、數(shù)學(xué)家牛頓（Ｎｅｗｔｏｎ）利用拋物面反射鏡取代透逡逑鏡，發(fā)明了世界上第一臺可實(shí)際應(yīng)用的反射式天文望遠(yuǎn)鏡，如圖１．１（ｂ）。但由于逡逑鏡面加工和鍍膜工藝水平有限，鏡面的反射率較低，相比于折射式堇遠(yuǎn)鏡并沒有逡逑明顯的優(yōu)勢。１７８９年＊英國天文學(xué)家赫歇爾（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ）研制了邋Ｐ徑１．２２ｍ、當(dāng)逡逑時世界上最

鏡（Ｖｅｒｙ邋Ｌａｒｇｅ邋Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，ＶＬＴ〉［１８］，，由邋４邋臺通光口徑為邋８．２ｍ邋的邋ＲＣ邋（Ｒｉｔｃｈｅｙ－逡逑Ｃｈｒｅｔｉｅｎ）光學(xué)望，遠(yuǎn)鏡組成，該望，遠(yuǎn)鏡由歐洲南方天文臺建造，采用了主動光學(xué)逡逑技術(shù)，其等效口徑可達(dá)１６ｍ，如圖１．２（ａ）所示；１９９６年建成的Ｋｅｃｋ望遠(yuǎn)鏡［１９］，逡逑由兩個通光０徑為１邋0ｍ的Ｋｅｃｋ邋／和Ｋｅｃｋ邋／／組成，如圖１．２（ｂ）所示，其魚鏡是由逡逑３６塊對角線長為１．８ｍ的六邊形子鏡拼接而成，該望遠(yuǎn)鏡同樣采用了主動光學(xué)技逡逑術(shù)：；２００１年建成的雙乎桯遠(yuǎn)鏡．．（Ｇｅｍｉｎｉ）邋［２０］，采用卡塞格林（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）光學(xué)逡逑系統(tǒng)，由兩臺通光口徑８ｍ的ｆ望遠(yuǎn)鏡組成，該望遠(yuǎn)鏡主鏡采用生動光學(xué)技術(shù)，逡逑并加入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使其在紅外波段的光學(xué)分辨率接近于衍射極限［２１］；于逡逑２００６年ＪＥ式投入使用的大雙筒墨遠(yuǎn)鏡．（Ｌａｒｇｅ邋Ｂｉｎｏｃｕｌａｒ邋Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，ＬＢＴ）邋［２２］由逡逑兩合主鏡Ｂ徑為８．４ｍ的望遠(yuǎn)鏡組成，其等效口徑達(dá)１１．８ｍ，如圖１．２（ｃ）。幾合更逡逑大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡仍在籌建當(dāng)中
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TH743

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