CN105044906A - 一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，首先测量波前校正器的各个驱动器的影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成像信息，进行切趾运算；再将波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应的扩展目标成像信息，完成切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当前迭代。本发明方法一方面克服常规自适应光学系统结构复杂、成本高且无法应用于扩展目标成像校正的问题；另一方面解决现有无波前探测自适应光学系统收敛速度慢问题，使之可以用于扩展目标成像的大气湍流动态校正。

Description

一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及到一种扩展目标光学成像校正方法，特别是一种不需要波前探测器的快速自适应光学校正方法。

背景技术

大气湍流的动态扰动不仅使望远镜观测到的扩展目标不断抖动，而且还严重影响扩展目标的成像质量。自适应光学技术是改善光学成像系统的分辨能力和激光系统的光束质量的有力手段。常规自适应光学系统由波前探测器、波前控制器和波前校正器三个部分组成，目前已成功应用于天文点目标成像等领域。但用于扩展目标成像时，常规自适应光学技术实现起来非常困难。因为对于观察者来说，很少有场景能够提供类似于点目标应用中那样的参考信息。如果没有这些信息，即使是通过一个非常薄的湍流相位屏也难以对扩展目标成像进行识别并除去波前分量中所包含的相位畸变。波前探测问题成为将常规自适应光学技术用于扩展目标成像校正的瓶颈。另外该类方法结构相对复杂，成本高昂。

公开号为CN101694545B的中国专利公开了一种用于改善扩展目标成像像质的波前校正方法和系统。该方法避开了波前探测环节，为扩展目标成像校正提供了一种可能，但使用的方法却是收敛速度非常缓慢的无模型优化方法-随机并行梯度下降(SPGD-StochasticParallelGradientDescent)，该方法仅能够校正静态或准静态变化的波前畸变(Optics&LaserTechnology,2011,43(3):630～635)。众所周知，大气湍流的变化是动态的，而且SPGD方法随着湍流的动态性增强，收敛速度更会大大变慢。授权号为CN102865931A的中国专利公开了一种用于运动扩展目标的波前检测方法，该方法依然基于复杂的常规自适应光学技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，访方法改善扩展目标成像质量的波前校正方法，不需要波前探测环节，可使系统收敛速度大大加快，收敛速度仅取决于系统中所使用的波前校正器的单元数，完全适用于动态波前畸变的校正。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特点是：首先测量波前校正器的各个驱动器的影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成像信息，进行切趾运算；再将波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应的扩展目标成像信息，完成切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当前迭代；当算法满足迭代结束条件时，畸变波前校正完成，从而实现基于图像信息的快速扩展目标成像校正。

本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方案是：该方法步骤如下：

(1)利用波前传感器，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵；

(2)采集待校正畸变波前对应的扩展目标成像，对采集到的图像信息进行切趾运算；

(3)对波前校正器各个驱动器逐个施加单位控制信号，变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；逐个采集调制后的畸变波前对应的扩展目标成像信息，并逐个撤销所添加的控制信号；

(4)对采集到的等于波前校正器单元数的扩展目标成像信息，逐个进行切趾运算；

(5)利用步聚(2)和(4)中得到的图像信息计算待校正波前对应的波前校正器驱动信号，并同时施加到变形镜各驱动器，使之变形，完成一次迭代；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件。

本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方案是：步骤(1)中，所述的波前传感器为哈特曼波前传感器或者干涉仪。

本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方案是：步骤(6)中，所述的预先设定的终止条件为一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方案是：其具体步骤如下：

(1)利用波前测量设备，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，其具体步骤如下：

A.给每一个驱动施加单位电压，用哈特曼或干涉仪测量其影响函数，记为E_i(x,y)，即第i个驱动器的影响函数，如果变形镜有N个单元，则i的最大值为N；

B.计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，记为S，S为一个N×N对称矩阵，依据下式(1)：

$S(l,k)=D^{-1}\∫{\∫}_D\frac{\∂E_l}{\∂x}\frac{\∂E_k}{\∂x}+\frac{\∂E_l}{\∂y}\frac{\∂E_k}{\∂y}dxdy---\left(1\right)$

计算矩阵S的每一个元素，其中l＝1...N，k＝1...N，D为积分区域；

C.根据得到的矩阵S，将其对角矩阵向量记为S_m，并计算其逆矩阵，记为S^-1；

(2)采集待校正波前对应的扩展目标成像，记为I₀'(u,v)；为克服图像边缘像素点的影响，使用Tukey窗函数对图像进行切趾运算I₀'(u,v).*H(u,v)，得到I₀(u,v)，其中H(u,v)为Tukey窗函数，.*为矩阵的点乘运算；依据下式(2)

计算掩模后的成像信息；I₀(u,v)对应的M记为M₀；

(3)将变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；采集调制后的畸变波前对应的图像信息；N个驱动器逐个施加单位信号，采集卡逐个采集，可得到N个图像，分别记为I'₁,...,I'_N；

(4)使用Tukey窗函数分别对图像I'₁,...,I'_N进行切趾运算得到I₁,...,I_N；再依据式子2计算掩模后的成像信息，得到M₁,...,M_N；

(5)将M₁,...,M_N与M₀做差运算，得到一N维向量Q；利用下式(3)：

$V=\frac{S^{-1}*Q}{2c_0}-\frac{S^{-1}{S}_m}{2}---\left(3\right)$

计算待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前，其中c₀为一小的常数，称之为调整系数；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件，如一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

本发明的原理是：光学原理中扩展目标成像信息与待校正波前畸变有一定的物理关系。记待校正波前为φ(x,y)，则这种物理关系在数学上可表现为波前畸变的平均梯度平方值 $G=D^{-1}\∫{\∫}_D{\left(\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂y}\right)}^{2}dxdy$ 与掩模后的成像信息呈线性关系，即M-M_p＝cG，其中M_p对应平面波，即无像差时扩展目标成像信息对应的M值，D和为各自积分区域，c为一常数，这里的掩模指的是|u²+v²|，可用计算机软件实现。

本发明与现有技术相比，有如下优点：

(1)常规自适应光学系统由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。本发明的波前校正方法不需要波前传感器测量波前，而是直接使用扩展目标成像信息，使得整个系统的复杂性和成本大大降低；

(2)本发明直接从像平面图像计算控制信号，避免了通常自适应光学系统中波前传感器和成像系统相互独立分光、浪费入射光能量的缺点，提高了光能利用率；

(3)现有的无波前探测自适应光学系统波前校正方法收敛速度缓慢，本发明和现有技术相比收敛速度大大提高，一次迭代就可使系统收敛。对于N个单元的变形镜一次迭代仅需N+1个扩展目标图像信息的采集，且系统收敛速度不会随着湍流的增加而改变，系统的收敛速度仅与变形镜的单元数有关。

附图说明

图1本发明改善扩展目标成像质量的快速波前校正方法示意图；

图2本发明快速扩展目标成像波前校正方法应用于自适应光学系统的示意图。

图3-5为本发明快速扩展目标成像校正方法的校正速度和校正效果示例图，其中，图3为待校正波前的均方根值RMS变化曲线，图4为校正之前成像，图5为校正后成像。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明。

实施例1，参照图1，一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，首先测量波前校正器的各个驱动器的影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成像信息，进行切趾运算；再将波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应的扩展目标成像信息，完成切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当前迭代；当算法满足迭代结束条件时，畸变波前校正完成，从而实现基于图像信息的快速扩展目标成像校正。

实施例2，实施例1所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其步骤如下：

(1)利用波前传感器，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵；

(2)采集待校正畸变波前对应的扩展目标成像，对采集到的图像信息进行切趾运算；

(3)对波前校正器各个驱动器逐个施加单位控制信号，变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；逐个采集调制后的畸变波前对应的扩展目标成像信息，并逐个撤销所添加的控制信号；

(4)对采集到的等于波前校正器单元数的扩展目标成像信息，逐个进行切趾运算；

(5)利用步聚(2)和(4)中得到的图像信息计算待校正波前对应的波前校正器驱动信号，并同时施加到变形镜各驱动器，使之变形，完成一次迭代；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件。

实施例3，实施例2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法的步骤(1)中，所述的波前传感器为哈特曼波前传感器或者干涉仪。

实施例4，实施例2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法的步骤(6)中，所述的预先设定的终止条件为一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

实施例5，实施例2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其具体步骤如下：

(1)利用波前测量设备，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，其具体步骤如下：

A.给每一个驱动施加单位电压，用哈特曼或干涉仪测量其影响函数，记为E_i(x,y)，即第i个驱动器的影响函数，如果变形镜有N个单元，则i的最大值为N；

B.计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，记为S，S为一个N×N对称矩阵，依据下式(1)：

$S(l,k)=D^{-1}\∫{\∫}_D\frac{\∂E_l}{\∂x}\frac{\∂E_k}{\∂x}+\frac{\∂E_l}{\∂y}\frac{\∂E_k}{\∂y}dxdy---\left(1\right)$

计算矩阵S的每一个元素，其中l＝1...N，k＝1...N，D为积分区域；

C.根据得到的矩阵S，将其对角矩阵向量记为S_m，并计算其逆矩阵，记为S^-1；

(2)采集待校正波前对应的扩展目标成像，记为I₀'(u,v)；为克服图像边缘像素点的影响，使用Tukey窗函数对图像进行切趾运算I₀'(u,v).*H(u,v)，得到I₀(u,v)，其中H(u,v)为Tukey窗函数，.*为矩阵的点乘运算；依据下式(2)

计算掩模后的成像信息；I₀(u,v)对应的M记为M₀；

(3)将变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；采集调制后的畸变波前对应的图像信息；N个驱动器逐个施加单位信号，采集卡逐个采集，可得到N个图像，分别记为I'₁,...,I'_N；

(4)使用Tukey窗函数分别对图像I'₁,...,I'_N进行切趾运算得到I₁,...,I_N；再依据式子2计算掩模后的成像信息，得到M₁,...,M_N；

(5)将M₁,...,M_N与M₀做差运算，得到一N维向量Q；利用下式(3)：

$V=\frac{S^{-1}*Q}{2c_0}-\frac{S^{-1}{S}_m}{2}---\left(3\right)$

计算待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前，其中c₀为一小的常数，称之为调整系数；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件，如一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

图2是一种基于图像信息的用于扩展目标成像快速校正的无波前探测自适应光学系统，主要包括反射变形镜、聚焦透镜、光电成像相机(CCD或CMOS)、图像采集卡、主控计算机、数模转换器、高压放大器。从扩展目标来的光波经反射变形镜反射，被聚焦透镜聚焦并入射到放置在透镜焦平面的光电成像相机上。主控计算机通过图像采集卡采集图像信息，并利用系统控制方法进行运算。主控计算机再把运算得到的变形镜的控制信号通过数模转换器转换成模拟信号并输出到高压放大器。该模拟信号经放大器放大后施加到变形镜的各个驱动器使之变形，产生与待测波前方向相反的变形量，最终校正入射光束波前的各种像差。

具体工作过程如下：系统进行初始化，主控计算机对反射变形镜的各个驱动器的控制电压置零，接下来主控计算机执行波前校正方法。每次迭代过程如下：主控计算机通过图像采集卡采集畸变后的扩展目标成像信息并完成切趾运算，利用式子2计算得到M₀；主控计算机通过高压放大器对变形镜各驱动器逐个施加单位电压，变形镜产生影响函数面形，该面形叠加到待测波前上；主控计算机通过图像采集卡采集调制后的波前对应的扩展目标成像，并完成切趾运算，利用式子2计算得到M₁,...,M_N；主控计算机撤销各驱动器控制信号，并将M₁,...,M_N与M₀做差运算，得到一N维向量Q，然后利用式子3计算待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，本次迭代结束。

将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复迭代过程直到算法满足预先设定的终止条件，完成扩展目标成像校正，一般情况下，本发明中的波前校正方法一次迭代即可完成扩展目标成像的校正。

图3-5为本发明快速扩展目标成像校正方法的校正速度和校正效果示例图，以61单元压电变形镜作为波前校正器实施例。图3中指标变化曲线表明一次迭代后，自适应光学系统即可达到收敛，实现了快速校正，图5表明校正之后的扩展目标成像接近61单元压电变形镜的理想校正能力，实现了扩展目标的高清晰成像。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。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的前提下，还可做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特征在于：首先测量波前校正器的各个驱动器的影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成像信息，进行切趾运算；再将波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应的扩展目标成像信息，完成切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当前迭代；当算法满足迭代结束条件时，畸变波前校正完成，从而实现基于图像信息的快速扩展目标成像校正。

2.根据权利要求1所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特征在于：其步骤如下：

(1)利用波前传感器，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵；

(2)采集待校正畸变波前对应的扩展目标成像，对采集到的图像信息进行切趾运算；

(3)对波前校正器各个驱动器逐个施加单位控制信号，变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；逐个采集调制后的畸变波前对应的扩展目标成像信息，并逐个撤销所添加的控制信号；

(4)对采集到的等于波前校正器单元数的扩展目标成像信息，逐个进行切趾运算；

(5)利用步聚(2)和(4)中得到的图像信息计算待校正波前对应的波前校正器驱动信号，并同时施加到变形镜各驱动器，使之变形，完成一次迭代；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件。

3.根据权利要求2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的波前传感器为哈特曼波前传感器或者干涉仪。

4.根据权利要求2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特征在于：步骤(6)中，所述的预先设定的终止条件为一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。

5.根据权利要求2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特征在于：其具体步骤如下：

(1)利用波前测量设备，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，其具体步骤如下：

A.给每一个驱动施加单位电压，用哈特曼或干涉仪测量其影响函数，记为E_i(x,y)，即第i个驱动器的影响函数，如果变形镜有N个单元，则i的最大值为N；

B.计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，记为S，S为一个N×N对称矩阵，依据下式(1)：

$S(l,k)=D^{-1}\∫{\∫}_D\frac{\∂E_l}{\∂x}\frac{\∂E_k}{\∂x}+\frac{\∂E_l}{\∂y}\frac{\∂E_k}{\∂y}dxdy---\left(1\right)$

计算矩阵S的每一个元素，其中l＝1...N，k＝1...N，D为积分区域；

C.根据得到的矩阵S，将其对角矩阵向量记为S_m，并计算其逆矩阵，记为S^-1；

(2)采集待校正波前对应的扩展目标成像，记为I₀'(u,v)；为克服图像边缘像素点的影响，使用Tukey窗函数对图像进行切趾运算I₀'(u,v).*H(u,v)，得到I₀(u,v)，其中H(u,v)为Tukey窗函数，.*为矩阵的点乘运算；依据下式(2)

计算掩模后的成像信息；I₀(u,v)对应的M记为M₀；

(3)将变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；采集调制后的畸变波前对应的图像信息；N个驱动器逐个施加单位信号，采集卡逐个采集，可得到N个图像，分别记为I'₁,...,I'_N；

(4)使用Tukey窗函数分别对图像I'₁,...,I'_N进行切趾运算得到I₁,...,I_N；再依据式子2计算掩模后的成像信息，得到M₁,...,M_N；

(5)将M₁,...,M_N与M₀做差运算，得到一N维向量Q；利用下式(3)：

$V=\frac{S^{-1}*Q}{2c_0}-\frac{S^{-1}{S}_m}{2}---\left(3\right)$

计算待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前，其中c₀为一小的常数，称之为调整系数；

(6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤(2)-(5)直到算法满足预先设定的终止条件，如一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈值。