CN102865931A - 基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其步骤为：(1)选取或创造高空扩展信标；(2)获取高空扩展信标的四维光场分布：在大气相干时间内，获取高空扩展信标的四维光场分布I(u，v，x，y)；(3)提取多视角波前斜率信息：使用窗口裁减高空扩展信标的光场数据，每个窗口对应一个视角，每组窗口数据解算出两个波前斜率矩阵S_x，S_y；(4)复原大气扰动造成的相位畸变：将上述步骤(3)得到的波前斜率矩阵代入波前复原算法，复原出全视场不同视角上的相位畸变的分布

完成波前畸变探测。本发明具有原理简单、适用范围广、不受信标扩展性和亮度的影响并用于制造大范围扩展信标等优点。

Description

基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法

技术领域

本发明主要涉及到图像处理方法领域，特指一种用于自适应光学和图像处理领域的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法。

背景技术

“高空运动扩展目标”一直都是光学关注的焦点，然而受大气湍流影响，传统光学系统无法对高空目标清晰成像。从系统发出的高质量光束传输到高空目标上也会变得支离破碎，必须应用自适应光学系统对波前畸变进行实时补偿才能解决这一问题。而“波前探测”正是该技术的关键环节之一。为了探测光路上大气湍流对波前的扰动，需要一个位于目标附近的信标；当信标光到达探测系统的光瞳时，所产生的波前相位误差反映了这一扰动。由于很难直接测量该数值，因此通常采用波前传感器检测光瞳面上的波前斜率，再利用波前复原算法解算出相位信息。

目前，常用的波前传感器主要包括哈特曼传感器和四棱锥传感器。哈特曼传感器采用微透镜阵列对瞳面上的波前进行分割采样，子透镜焦点的横向偏移量代表了采样区域的平均斜率；其缺点是：探测灵敏度取决于子透镜尺寸，动态范围较小，同时为了减少噪声而放置的视场光阑使得光能利用率较低，对暗目标的探测精度不高。四棱锥探测器采用四棱锥镜将光学系统的出瞳成像为四个光斑，波前畸变导致与入瞳面上同一点共轭的四个出瞳像点出现明暗差异，通过比较这四个出瞳像的强度分布就可以获得波前斜率信息。它具有较高的动态范围和灵敏度，但是对四棱锥镜的加工精度要求较高，并且需要四棱锥镜的顶点与系统焦点严格重合，装配难度大，还需要一个高频旋转的平面镜来调制采集信号，造成系统整体结构相当复杂。

经过多年的技术发展，当信标为高空的点光源(如恒星)时，二者都能获得精度相当高的数据，但是对于高空扩展目标则存在很大的问题。

一、很难找到合适的信标光源。现有技术中，高空扩展目标的波前探测信标一般有3种获取方式：1、选取目标本身一小块高亮度区域作为信标光源，例如：尾焰；2、使用激光主动照明，在目标上制造高亮度光斑；3、如果目标位于大气层之上，还可以利用激光钠导星作为信标源。前两种方式所产生的都不是规则的点光源，这种扩展信标会使得哈特曼子透镜的焦斑发生形变，难于确定质心，使得探测误差迅速增加。而第三种方式的光源强度偏弱，很难满足传感器的要求，这一直是该技术的瓶颈。

二、无法满足大视场的需求。上述两种波前探测器都是小视场器件，它们获取的相位信息只对信标附近很小一个范围内有效，该范围称为等晕角，在可见波段只有几个角秒；而高空扩展目标的张角一般都远大于这个范围，因此很难保证信标恰好位于所需要的位置上。即便做到了这一点，还会出现校正了目标头部就无法校正目标尾部的情况。为了扩大视场，目前常采用多点探测技术或多层共轭探测技术：即在扩展目标附近的不同位置上或者沿光路的不同高度上制造多个信标点光源，使用多波前探测传感器一起工作，同时获取这些信标所带有的波前斜率信息，以此重构出视场内所有视角的相位分布。这种方法只是将现有器件进行叠加，要求所有传感器同步工作，造成系统整体结构和算法都比较复杂，成本也较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、适用范围广、可以不受信标扩展性和亮度的影响并用于制造大范围扩展信标的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其步骤为：

(1)选取或创造高空扩展信标；

(2)获取高空扩展信标的四维光场分布：在大气相干时间内，获取高空扩展信标的四维光场分布I(u，v，x，y)；

(3)提取多视角波前斜率信息：使用窗口裁减高空扩展信标的光场数据，每个窗口对应一个视角，每组窗口数据解算出两个波前斜率矩阵S_x，S_y；

(4)复原大气扰动造成的相位畸变：将上述步骤(3)得到的波前斜率矩阵代入波前复原算法，复原出全视场不同视角上的相位畸变的分布

完成波前畸变探测。

作为本发明进一步改进，所述步骤(1)中直接使用运动扩展目标本身作为高空扩展信标；如果运动扩展目标的亮度不足，则使用激光主动照明。

作为本发明进一步改进，所述使用激光主动照明指用一束激光将运动扩展目标整体照亮，或者用多束激光在运动扩展目标上制造出光斑点阵。

作为本发明进一步改进，所述步骤(3)的具体流程如下：

(3.1)对步骤(2)中获取的光场分布I(u，v，x，y)进行积分运算，得到观察镜(如，望远镜)焦面上的信标原始成像L(u，v)，其中L(u，v)＝∫∫I(u，v，x，y)dxdy；

(3.2)在信标原始成像L(u，v)上选择若干关心部位(u_i，v_i)，或者根据给定的视角

计算出关心部位(u_i，v_i)；以(u_i，v_i)为中心，设置窗口u∈(u_i-M，u_i+M)，v∈(v_i-N，v_i+N)对光场数据进行裁减，得到四维矩阵

其中M，N为整数，其数值根据目标在视场内所占的像素数决定；下标θ_i代表该组数据用于解算视角

上的波前；

(3.3)通过对四维矩阵

进行运算以获取给定的视角

上的两组波前斜率矩阵S_x，S_y；

(3.4)重复步骤(3.1)～(3.3)的流程，得到所有视角上的波前斜率矩阵S_x，S_y。

作为本发明进一步改进，所述步骤(3.3)的具体流程为：

(3.3.1)当目标特征不够明显时，使用广义四棱锥算法，通过计算光瞳像在x方向和v方向的质心来得到斜率信息：

$S_x=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{vd}-v_{0}d-{\mathrm{\δ}}_v)I_{\mathrm{\θ}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

$S_y=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{ud}-u_{0}d-{\mathrm{\δ}}_u)I_{\mathrm{\θ}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

其中，δ_u，δ_v为用来对瞳面成像的微透镜阵列中心和成像器件中心之间的偏移量，d为微透镜阵列2中的微透镜间距；

(3.3.2)当目标特征比较明显时，使用以下算法：首先对窗口数据进行重组，固定坐标(x，y)，得到子光瞳对目标的一幅子成像I_x，y(u，v)；重复这一过程，生成目标在这一视角上的成像阵列；然后，对子成像和参考图象之间作互相关运算，得到经过平移的相关峰，其偏移量就是该视角上的波前斜率。

作为本发明进一步改进，所述步骤(2)中采用高速大口径光场成像器件获取高空扩展信标的四维光场分布；所述高速大口径光场成像器件包括主望远镜、微透镜阵列和高帧频感光器件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过对信标的阵列成像进行相关运算来获取波前信息，由于处理的是同一时刻子成像之间的相对位移，因此对信标本身的形状不做要求，其选择具有高度灵活性，可以直接将目标本身作为信标；同时，目标光强的均匀性、形状和目标飞行期间的状态变化(例如起火、姿态变化和形变)均不影响系统的正常工作。

2、本发明的探测方法中，信标的光场信息包含了所有视角的相位分布；本发明通过一套光学系统、一个传感器、一次曝光来获取信标的光场信息，一次性得到了多视角对应的波前畸变，具有结构简单、视场大的优点，同时绕开了多传感器采样时同步性和均匀性的问题。

3、本发明所采用的光学系统没有运动部件、没有视场光阑，探测灵敏度取决于整个孔径，提高了光能的利用率，可以将弱目标直接作为探测信标，对于暗目标则可以采用主动照明方案。

附图说明

图1是本发明波前畸变探测方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的具体流程示意图。

图3是本发明在具体应用实例中波前探测系统的示意图。

图4是本发明在具体应用实例中目标不同部位之间存在非等晕性的示意图。

图5是本发明在具体应用实例中微透镜对主望远镜瞳面成像的示意图。

图6是本发明在具体应用实例中传感器所获取的四维光强分布I(u，v，x，y)的示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，是通过获取扩展目标的光场信息来实现的；它的具体步骤为：

(1)选取或创造高空扩展信标。

本发明可以直接使用运动扩展目标本身作为高空扩展信标。如果运动扩展目标的亮度不足，则使用激光主动照明。在具体应用时，根据实际需要既可以用一束激光将运动扩展目标整体照亮，也可以用多束激光在运动扩展目标上制造出光斑点阵；同时，激光的波长和脉冲频率也都可以根据需要进行选择。还可以进一步用运动扩展目标的运动轨迹来制造更大范围的高空扩展信标。

当运动扩展目标位于深层空间时，高空扩展信标也可以使用视场内位于大气层以上的飞行物。在大气相干时间以内，该飞行物的运动轨迹可以作为更大范围的高空扩展信标。

(2)获取高空扩展信标的四维光场分布。

在大气相干时间内，采用高速大口径光场成像器件获取高空扩展信标的四维光场分布I(u，v，x，y)，从四维光场分布中可以解算出波前信息。对于地面测量者来说，高空扩展信标近似为平面，从而解算出的波前信息正是由大气湍流的扰动所造成的波前畸变。

除上述方式外，在其他实施例中还可以采用多个望远镜组成合成孔径成像系统来获取四维光场分布。

(3)提取多视角波前斜率信息。

使用窗口裁减高空扩展信标的光场数据，每个窗口对应一个视角，每组窗口数据解算出两个波前斜率矩阵S_x，S_y。

(4)复原大气扰动造成的相位畸变。

将上述步骤(3)得到的波前斜率矩阵代入波前复原算法，复原出全视场不同视角上的相位畸变的分布

完成波前畸变探测。

“波前复原算法”是自适应光学领域内的常用技术手段，其常用的方法主要有区域法、模式法、直接斜率法、FFT算法等，其中采用不同算法时对波前复原精度的影响比较大，可以根据效果进行实际选择，在此就不再赘述。

本实施例中，步骤(3)的具体流程如下：

(3.1)对步骤(2)中获取的光场分布I(u，v，x，y)进行积分运算，得到位于主望远镜1焦面上的信标原始成像L(u，v)，其中L(u，v)＝∫∫I(u，v，x，y)dxdy。

(3.2)在信标原始成像L(u，v)上选择若干关心部位(u_i，v_i)；或者根据给定的视角

计算出关心部位(u_i，v_i)。以(u_i，v_i)为中心，设置窗口u∈(u_i-M，u_i+M)，v∈(v_i-N，v_i+N)对光场数据进行裁减，得到四维矩阵

其中M，N为整数，其数值根据目标在视场内所占的像素数决定；一般取M＝N＝5，下标θ_i代表该组数据用于解算视角上的波前。

(3.3)通过对四维矩阵

进行运算以获取给定的视角

上的两组波前斜率矩阵S_x，S_y；然后重复步骤(3)的流程，得到所有视角上的波前斜率矩阵S_x，S_y。

本实施例在上述步骤(3.3)的流程中，根据窗口内目标的特征是否明显，具体有两种方式：

(3.3.1)当目标特征不够明显时，使用广义四棱锥算法，通过计算光瞳像在x方向和v方向的质心来得到斜率信息：

$S_x=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{vd}-v_{0}d-{\mathrm{\δ}}_v)I_{\mathrm{\θ}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

$S_y=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{ud}-u_{0}d-{\mathrm{\δ}}_u)I_{\mathrm{\θ}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

其中，δ_u，δ_v为用来对瞳面成像的微透镜阵列中心和成像器件中心之间的偏移量，d为微透镜阵列2中的微透镜间距。

(3.3.2)当目标特征比较明显时，使用图像相关算法：首先对窗口数据进行重组，固定坐标(x，y)，得到子光瞳对目标的一幅子成像I_x，y(u，v)；重复这一过程，生成目标在这一视角上的成像阵列；然后，对子成像和参考图象之间作互相关运算，得到经过平移的相关峰，其偏移量就是该视角上的波前斜率。简单起见，可以取中心图像I_0，0(u，v)作为参考图像。

即，具体流程如下：

(3.3.2.1)对参考图像和待测图像做傅里叶变换：

i_0，0(ξ，η)＝FFT[I_0，0(u，v)]

i_x，y(ξ，η)＝FFT[I_x，y(u，v)]

其中(ξ，η)是与(u，v)对应的空间频率坐标，待测图像I_x，y(u，v)与参考图像I_0，0(u，v)之间的差异在于子光瞳处波前的平均斜率带来的平移：

I_x，y(u，v)＝I_0，0(u-S_x，v-S_y)

(3.3.2.2)对待测图像与参考图像做互相关运算，其结果为经过平移的相关峰，对其做最大值的寻址运算即可得到偏移量S_x，S_y：

$\frac{I_{0,0}(u,v)\⊗I_{x,y}(u,v)}{{\left|i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\μ})\right|}^2}$

$=\frac{i_{\mathrm{0,0}}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})e^{-i2\mathrm{\π}(S_x\mathrm{\ξ}+S_y\mathrm{\η})}}{{\left|i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\μ})\right|}^2}$

$=e^{-i2\mathrm{\π}(S_x\mathrm{\ξ}+S_y\mathrm{\η})}\stackrel{\mathrm{IFFT}}{\→}\mathrm{\δ}(u-S_x,v-S_y)$

参见图3所示，为一个具体应用实例，高空运动扩展目标为一飞行物4。本实施例中，步骤(2)中的高速大口径光场成像器件包括主望远镜1(大口径望远镜)、微透镜阵列2和高帧频感光器件3；图中还包括了大气湍流5的示意，其中F-T为主望远镜1的焦距，F-c为微透镜阵列焦距。图中u₁为目标的某一部位，其视角为图中的

为受大气湍流影响，目标光场沿视角

到达系统瞳面时产生的波前畸变。将主望远镜1对焦至飞行物4，再将微透镜阵列2置于主望远镜1的焦面上(二者具有相同的相对孔径以确保成像器件的像素得到最大限度的利用)；然后将微透镜阵列2的焦面成像到高帧频感光器件3上，每块微透镜在成像器件上都占有一块独立的成像区域I_u，v(x，y)，该区域是主望远镜1光瞳的完整像，针对视角

其成像区域为在此结构下，高帧频感光器件3获得高空扩展信标的光场分布I(u，v，x，y)，其中u，v为子光瞳像的坐标，x，y为子光瞳像内部的坐标。

飞行物4为一个飞机，由于飞机的不同部位之间存在非等晕性，必须同步获取所有视角的波前信息才能满足补偿畸变的要求。如图4所示，L为需要校正的湍流高度，

是这一高度范围内的大气湍流在视角

上的投影。

在该具体应用实例中，本发明的具体应用流程为：

第一步、以飞机本身作为高空扩展信标，将其拉入主望远镜1的视场内。通常情况下，日光对飞机的反光就足以满足探测灵敏度；如果是夜间，则可以采用激光束将飞机整体照明，激光的波段和脉冲频率可以根据效果进行调整。

第二步、获取飞机的光场信息。

将主望远镜1对焦至飞机，微透镜阵列2置于主望远镜1的焦面上，再使用高帧频感光器件3获取微透镜阵列2的焦面信息，实际操作中，为方便装配一般通过高分辨率的双远心镜头将微透镜焦面无畸变地成像到高帧频感光器件3。

图5为微透镜阵列2对主望远镜1瞳面成像的示意图，成像器件的每个像素都是主望远镜1光瞳上一小块矩形区域对微透镜的成像；可以认为，如果在瞳面上增加一个这样的矩形光阑，目标的像可由这些离散的像素阵列重构而成。其中，A_e(x₀，y₀)为光瞳面上坐标为(x₀，y₀)的等效子光瞳，

为微透镜阵列2对子光瞳A_e(x₀，y₀)的成像，是具有相同间隔d的像素阵列。

主望远镜1的口径D_T和目标最小特征尺寸l应满足关系：其中λ为工作波长，d为微透镜阵列2的子孔径间距，L为目标到地面的距离，D_pix为高帧频感光器件3的像素尺寸。

将曝光时间调节到小于大气相干时间，例如大约5毫秒左右。在这种结构下，成像器件将获取大量独立的瞳面像，它们的排列方式与微透镜阵列2一致，相邻的像之间存在等间隔的视差。单个像素的强度可以表示为I(u，v，x，y)，如图6所示，其中u，v为微透镜单元的坐标，x，v为瞳面像内部的坐标，与瞳面坐标一一对应。

可以认为，这是一种广义的四棱锥传感器，它以不同的视角获取了

个瞳面像，固定u，v坐标，则得到单个瞳面像的强度分布

当u₀＝m，m+1；v₀＝n，n+1时 $(-\frac{N_{\mathrm{lens}}}{2}\≤m,n\≤\frac{N_{\mathrm{lens}}}{2}-1),$ 系统蜕化为视角 ${\mathrm{\θ}}_u=\frac{(u_0+\frac{1}{2})d}{f_T},{\mathrm{\θ}}_v=\frac{(v_0+\frac{1}{2})d}{f_T}$ 上的四棱锥波前传感器。其中，f_T为主望远镜焦距，d为微透镜间距，m，n为整数，

为微透镜阵列2的子孔径像的总数量。

另一方面，每个像素都与光瞳面上的一小块矩形区域共轭，通过该区域的光场将到达所有瞳面像中同一位置的像素。也就是说，如果在瞳面的(x₀，y₀)位置加一个矩形子光阑，主望远镜1对目标的子成像可以表示为(如图5所示)。由于子光瞳比较小，可以认为受波前畸变影响，这一区域上只存在倾斜量，与哈特曼波前传感器类似，对应的子图像将发生平移，同时非等晕性将导致子图像不同部位的平移量各不相同。

第三步、计算多视角波前畸变信息。

(1)计算位于主望远镜焦面上的信标原始成像L(u，v)：

L(u，v)＝∫∫I(u，v，x，y)dxdy               (1)

实际上就是将微透镜阵列2的每个子孔径像积分作为一个像素点。该图像分辨率取决于微透镜阵列2的子透镜数目。在本实施例中，微透镜阵列2的规模为100X100，从而图像分辨率为100X100个像素，通常飞机占据50个像素。

(2)选取若干特征点，如机头、尾翼、侧翼尖端、机舱腹部、信号灯等，坐标为(u_i，v_i)；也可以根据指定的视角

计算u_i，v_i：

$u_i\&le;\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{u_i}{f}_T}{d}<u_i+1$

(2)

$v_i\&le;\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{v_i}{f}_T}{d}<v_i+1$

以(u_i，v_i)为中心，取M＝N＝5，裁剪四维光场，得到窗口数据：

$I_{{\mathrm{\&theta;}}_i}(u,v,x,y):u\&Element;(u_i-M,u_i+M),v\&Element;(v_i-N,v_i+N)$

其中，下标θ_i代表该组数据用于解算视角

上的波前。

(3)通过对四维矩阵

进行运算获取波前斜率矩阵S_x，S_y，根据目标的特征是否明显，有两种方式：

(3.1)当目标特征不够明显时，如机舱腹部，则使用广义四棱锥算法：

计算光瞳像在x方向和v方向的质心，就可以得到斜率信息：

$S_x=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{vd}-v_{0}d-{\mathrm{\&delta;}}_v)I_{\mathrm{\&theta;}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

(3)

$S_y=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{ud}-u_{0}d-{\mathrm{\&delta;}}_u)I_{\mathrm{\&theta;}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

其中，δ_u，δ_v为微透镜阵列中心和成像器件中心之间的偏移量，d为微透镜间距。

(3.2)当目标特征比较明显时，如尾翼，使用图像相关算法：

首先对裁剪后的光场数据进行重组，每固定一个坐标(x，y)，就得到子光瞳对目标的一幅成像I_x，y(u，v)；重复这一做法，生成目标在这一视角上的成像阵列，共

幅(见图6)。图6中I_u，v(x，y)为微透镜(u，v)对主望远镜瞳面的成像，共个像素；成像器件共有

个像素；形成个子矩阵，坐标为(u，v)。N_pixel＝N_lens×N_pupil对子图像之间作互相关运算，得到经过平移的相关峰，其偏移量就是该视角上的波前斜率。为简单起见，可以选取中心图像I_0，0(u，v)作为参考图像，对参考图像和待测图像做傅里叶变换：

i_0，0(ξ，η)＝FFT[I_0，0(u，v)]

                                                                (4)

i_x，y(ξ，η)＝FFT[I_x，y(u，v)]

可以认为：待测图像与参考图像之间的差异就是在这个子光瞳处波前的平均斜率带来的平移(参考步骤二中所述的原理)：

I_x，y(u，v)＝I_0，0(u-S_x，v-S_y)                                  (5)

因此待测图像与参考图像的相关运算结果为经过平移的相关峰：

$\frac{I_{0,0}(u,v)\&CircleTimes;I_{x,y}(u,v)}{{\left|i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&mu;})\right|}^2}$

$=\frac{i_{\mathrm{0,0}}^{*}(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;})i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;})e^{-i2\mathrm{\&pi;}(S_x\mathrm{\&xi;}+S_y\mathrm{\&eta;})}}{{\left|i_{\mathrm{0,0}}(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&mu;})\right|}^2}---\left(6\right)$

$=e^{-i2\mathrm{\&pi;}(S_x\mathrm{\&xi;}+S_y\mathrm{\&eta;})}\stackrel{\mathrm{IFFT}}{\&RightArrow;}\mathrm{\&delta;}(u-S_x,v-S_y)$

寻址最大值，即可得到偏移量S_x，S_y，由于偏移量是某个特征全部像素参与运算得到，该方法可以有效提高信噪比。

(3.3)重复(3.1)(3.2)，得到对应其他特征点视角的波前斜率。

第四步、将波前斜率数据代入FFT复原算法，得到各个视角上的相位分布

$a_{p,q}=\frac{\mathrm{pFFT}\left\{S_x(x,y)\right\}\stackrel{\&RightArrow;}{i}+\mathrm{qFFT}\left\{S_y(x,y)\right\}\stackrel{\&RightArrow;}{j}}{p^2+q^2}---\left(7\right)$

其中，a_p，q是

的空间频谱矩阵，FFT指傅立叶变换，IFFT指逆向傅里叶变换)

第五步、单一视角的相位分布

可以用于控制波前校正器，在这一角度上实现光束传输的自适应补偿；对所有的视角θ_i都进行上述计算，就获得了全视场的相位分布

利用这些数据在频域空间对相位畸变进行补偿，可以提高运动扩展目标成像的分辨率极限。

以上仪是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仪局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，步骤为：

(1)选取或创造高空扩展信标；

(2)获取高空扩展信标的四维光场分布：在大气相干时间内，获取高空扩展信标的四维光场分布I(u，v，x，y)；

(3)提取多视角波前斜率信息：使用窗口裁减高空扩展信标的光场数据，每个窗口对应一个视角，每组窗口数据解算出两个波前斜率矩阵S_x，S_y；

(4)复原大气扰动造成的相位畸变：将上述步骤(3)得到的波前斜率矩阵代入波前复原算法，复原出全视场不同视角上的相位畸变的分布

完成波前畸变探测。

2.根据权利要求1所述的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，所述步骤(1)中直接使用运动扩展目标本身作为高空扩展信标；如果运动扩展目标的亮度不足，则使用激光主动照明。

3.根据权利要求2所述的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，所述使用激光主动照明指用一束激光将运动扩展目标整体照亮，或者用多束激光在运动扩展目标上制造出光斑点阵。

4.根据权利要求1所述的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体流程如下：

(3.1)对步骤(2)中获取的光场分布I(u，v，x，y)进行积分运算，得到观察镜焦面上的信标原始成像L(u，v)，其中L(u，v)＝∫∫I(u，v，x，y)dxdy；

(3.2)在信标原始成像L(u，v)上选择若干关心部位(u_i，v_i)，或者根据给定的视角

计算出关心部位(u_i，v_i)；以(u_i，v_i)为中心，设置窗口u∈(u_i-M，u_i+M)，v∈(v_i-N，v_i+N)对光场数据进行裁减，得到四维矩阵

其中M，N为整数，其数值根据目标在视场内所占的像素数决定；下标θ_i代表该组数据用于解算视角

上的波前；

(3.3)通过对四维矩阵

进行运算以获取给定的视角

上的两组波前斜率矩阵S_x，S_y；

(3.4)重复步骤(3.1)～(3.3)的流程，得到所有视角上的波前斜率矩阵S_x，S_y。

5.根据权利要求4所述的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，所述步骤(3.3)的具体流程为：

(3.3.1)当目标特征不够明显时，使用广义四棱锥算法，通过计算光瞳像在x方向和y方向的质心来得到斜率信息：

$S_x=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{vd}-v_{0}d-{\mathrm{\&delta;}}_v)I_{\mathrm{\&theta;}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

$S_y=\frac{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{ud}-u_{0}d-{\mathrm{\&delta;}}_u)I_{\mathrm{\&theta;}}(u,v,x,y)}{\underset{u=u_0-M}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=v_0-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{u,v}(x,y)}$

其中，δ_u，δ_v为用来对瞳面成像的微透镜阵列中心和成像器件中心之间的偏移量，d为微透镜阵列中的微透镜间距；

(3.3.2)当目标特征比较明显时，使用以下算法：首先对窗口数据进行重组，固定坐标(x，y)，得到子光瞳对目标的一幅子成像I_x，y(u，v)；重复这一过程，生成目标在这一视角上的成像阵列；然后，对子成像和参考图象之间作互相关运算，得到经过平移的相关峰，其偏移量就是该视角上的波前斜率。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于运动扩展目标的大视场波前畸变探测方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用高速大口径光场成像器件获取高空扩展信标的四维光场分布；所述高速大口径光场成像器件包括主望远镜、微透镜阵列和高帧频感光器件。

Images