CN111736337A - 一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法 - Google Patents

一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，包括：(1)利用远场探测器采集轴上和轴外视场的欠采样成像光斑；(2)对轴上和轴外各个视场的成像光斑进行目标提取和视场匹配；(3)计算初始失调状态下各个视场欠采样成像光斑的像清晰度函数；(4)利用优化算法计算新的次镜位置，并通过六自由度驱动器改变次镜位置；(5)再次采集各个视场的远场欠采样成像光斑，并进行目标提取和视场匹配，计算各个视场光斑的像清晰度函数；(6)判断校正结果是否满足终止条件，若满足，则校正过程结束，否则，重复步骤(4)‑(6)。本发明可以直接基于远场欠采样成像光斑的像清晰度函数，利用优化算法即可实现对大口径、大视场望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正过程。

Description

一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法
技术领域
本发明涉及望远镜系统的集成装调领域，具体涉及一种基于远场欠采样成像光斑像清晰度函数的大口径、大视场望远镜失调误差校正方法。该方法适用于成像光斑为欠采样的望远镜光学系统的在线装调。
背景技术
为了探测更远、更暗的目标，望远镜口径和视场不断增大。但望远镜在工作过程中，受到重力、风载、振动、温度变化等因素的影响，其各个光学镜面的相对位置会发生变化，在系统中引入失调误差，使得成像质量无法满足使用需求。目前，大口径、大视场望远镜系统失调误差的在线校正技术成为国内学者研究的重要课题之一。望远镜口径和视场的增大，还会带来图像欠采样问题。由于探测器的像元尺寸有限及应用场合的限制，在成像光斑的离散采样过程中无法满足Nyquist采样定理，导致欠采样成像，使得频谱混叠，部分图像信息丢失，光斑无法准确地反映光学系统的像差特性，从而导致失调误差的校正精度降低。目前，国内外对欠采样图像的处理主要采用图像重建的方法，通过多帧欠采样成像重建一帧高分辨率成像。由于实现过程繁琐且算法复杂，欠采样图像重建技术无法直接应用于望远镜失调误差的在线、闭环校正过程中。目前，大口径、大视场望远镜的失调误差校正技术主要采用直接波前探测法或基于图像的波前探测法如相位差法(Phase Diversity,PD)、相位恢复法(Phase Retrieval,PR)等，但是需要在光学系统中加入波前探测器件，增加了系统的复杂性，且需要进行波前测量与重构，导致计算过程复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于远场欠采样成像光斑像清晰度函数的大口径、大视场望远镜失调误差校正方法。该方法直接基于望远镜系统的欠采样成像光斑，利用优化算法对像清晰度函数进行寻优，实现望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正过程。该方法无需进行波前测量与重构，简化了测量系统和计算过程；无需进行欠采样图像重建，降低算法的复杂性，可以实现大视场望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正。此外，该方法不仅可以对特定视场的像差进行校正，还可以同时对轴上和多个轴外视场像差进行校正。本发明的显著特点是系统结构简洁，方法简便易行，适用范围广，不仅适用于反射系统，也适用于折反射系统；不仅适用于同轴系统，也适用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜，也适用于天基望远镜；不仅可以实现单个视场的像差校正，也可以用于多个视场像差的同时校正，且该方法可实现望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正过程。
本发明采用的技术方案为：一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，包括以下步骤：
步骤(1)、利用远场探测器采集轴上和轴外视场的欠采样成像光斑；
步骤(2)、对轴上和轴外各个视场的成像光斑进行目标提取和视场匹配；
步骤(3)、计算初始失调状态下各个视场欠采样成像光斑的像清晰度函数；
步骤(4)、利用优化算法计算新的次镜位置，并通过六自由度驱动器改变次镜位置；
步骤(5)、再次采集各个视场的远场欠采样成像光斑，并进行目标提取和视场匹配，计算各个视场光斑的像清晰度函数；
步骤(6)、判断校正结果是否满足终止条件，若满足，则校正过程结束，否则，重复步骤(4)-步骤(6)。
其中所述步骤(1)中，欠采样成像光斑是由于探测器像元尺寸有限，在图像离散采样过程中无法满足Nyquist采样定理，导致光斑部分信息丢失，频谱混叠，无法准确地反映光学系统的像差特性，从而会导致光学系统失调误差校正精度降低。光斑的欠采样水平可以采用欠采样倍率因子Q进行衡量，
Figure BDA0002581470180000021
其中，dFWHM表示成像光斑的半高全宽。当dFWHM＝2pixels时，恰好满足Nyquist采样定理，此时欠采样倍率因子Q＝1。随着欠采样水平的提高，欠采样倍率因子Q的取值会增大。
其中所述步骤(2)中，在同一探测器靶面同时采集轴上和多个轴外视场成像，由于校正过程中，需要计算各个视场成像光斑的像清晰度函数，因此需要对各视场光斑进行目标提取与视场匹配。目标提取可以采用阈值分割法(如最大类间方差法、最小类内方差法、最大熵法、最大相关法等)、边缘检测法、区域提取法等进行图像分割，以峰值光强为中心的进行聚类的方法。视场匹配根据各光斑质心在探测器靶面的位置进行确定。图像提取结果评价指标采用区域间对比度和区域内一致性进行衡量。
其中所述步骤(3)中，光斑的像清晰度函数主要包括斯特列尔比(strehl ratio)、环围能量(encircled energy)、光斑均方根半径(RMS)、光斑80％能量半径等，定义公式分别如下：
Figure BDA0002581470180000033
S2＝∫∫RI(x,y)dxdy
Figure BDA0002581470180000031
Figure BDA0002581470180000032
式中，I(x0,y0)表示实际测量的峰值光强，I0(x0,y0)表示设计状态下的峰值光强，I(x,y)为实际系统中测量得到的光强分布函数，(x′,y′)表示远场光斑的质心位置。
其中所述步骤(4)中，采用的优化算法有很多种，包括遗传算法(GA)、模拟退火法(SA)、爬山法、随机并行梯度下降算法(SPGD)、神经网络算法等。
其中所述步骤(5)中，大视场成像系统的像质评价函数可以采用各个视场像质评价函数的均值，也可以根据应用场合，以各个视场像质评价函数的加权平均值作为判据。
其中所述步骤(6)中，终止条件可以设置光学系统像清晰度函数的阈值，也可以设置为优化算法的最大迭代次数。
本发明的优点在于：
(1)本发明直接基于远场欠采样成像光斑的像清晰度函数，利用优化算法实现对大口径、大视场望远镜失调误差的校正。该方法无需进行欠采样成像重建，无需进行波前测量与重构，可以有效地降低算法复杂性，简化测量系统。
(2)该方法可以实现大口径、大视场望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正；
(3)该方法适用范围广，不仅适用于同轴望远镜光学系统的失调误差校正，也可应用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜的失调误差校正，同样适用于天基望远镜；不仅可以实现望远镜系统单个视场的像差校正，还可实现轴上和轴外多个视场像差的同时校正。
综上所述，本发明解决了欠采样成像的大口径、大视场望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正问题，为望远镜系统的集成装调提供了技术支撑。
附图说明
图1是第一实施实例：一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法流程图；
图2是第一实施实例校正过程中选取的视场；
图3是第一实施实例理想状态下的欠采样成像光斑；
图4是第一实施实例初始失调状态下的欠采样成像光斑；
图5是第一实施实例校正过程中的收敛曲线变化；
图6是第一实施实例失调误差校正后各个视场的成像光斑。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实例一：
采用通光口径4m，F#＝3的RC光学系统进行仿真分析，系统参数如表1所示，所选取的视场如图2所示。
表1望远镜系统部分参数
系统参数 Radius Semi-diameter Conic
PM -12000 2000 -1.004
SM -2125 330 -1.626
取中心波长为0.55μm，则光学系统对应的艾里斑的半高全宽为：
Figure BDA0002581470180000041
假设所选取的探测器像元尺寸为15μm，取欠采样倍率因子Q：
Figure BDA0002581470180000042
由以上结果可知，该光学系统在探测器上得到的欠采样图像其欠采样倍率因为Q＝18，为严重欠采样成像。该光学系统理想成像状态下的欠采样成像光斑形态如图3所示。对于大口径、大视场光学系统，由于主镜尺寸较大，通常以主镜为参考，对次镜位置进行校正。主次镜相对位置变化包含六个自由度，分别为沿x、y、z轴的偏心误差decenterx，decentery，decenterz和绕x、y、z轴的倾斜误差tiltx、tilty、tiltz，其中，z轴为光轴方向。对于轴对称光学系统，由于次镜绕z轴方向的倾斜误差对像质影响较小，因此不予考虑。根据实际应用情况，初始失调误差设置为decenterx＝0.1mm，decentery＝-0.2mm，decenterz＝-0.3mm，tiltx＝0.1°，tilty＝0.2°，则该光学系统初始失调状态想的成像光斑如图4所示。采用随机并行梯度下降算法，以光斑80％环围能量半径为像清晰度函数进行失调误差校正。校正过程中，算法收敛曲线如图5所示，校正后各视场欠采样成像光斑如图6所示。由校正结果可知，直接根据欠采样成像光斑利用优化算法对失调误差校正后，各视场成像光斑与理想状态下光斑形态及能量分布相符，成像质量满足使用需求。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤(1)、利用远场探测器采集轴上和轴外视场的欠采样成像光斑；
步骤(2)、对轴上和轴外各个视场的成像光斑进行目标提取和视场匹配；
步骤(3)、计算初始失调状态下各个视场欠采样成像光斑的像清晰度函数；
步骤(4)、利用优化算法计算新的次镜位置，并通过六自由度驱动器改变次镜位置；
步骤(5)、再次采集各个视场的远场欠采样成像光斑，并进行目标提取和视场匹配，计算各个视场光斑的像清晰度函数；
步骤(6)、判断校正结果是否满足终止条件，若满足，则校正过程结束，否则，重复步骤(4)-步骤(6)。
2.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：该校正方法适用范围广，不仅适用于反射系统，也适用于折反射系统；不仅适用于同轴系统，也适用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜，也适用于天基望远镜；不仅可以实现对单个特定视场像差的校正，也适用于多个视场像差的同时校正。
3.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中，欠采样成像光斑是由于探测器像元尺寸有限，在图像离散采样过程中无法满足Nyquist采样定理，导致光斑部分信息丢失，频谱混叠，无法准确地反映光学系统的像差特性，从而会使得光学系统失调误差校正精度降低；光斑的欠采样水平可以采用欠采样倍率因子Q进行衡量，
Figure FDA0002581470170000011
其中，dFWHM表示成像光斑的半高全宽，当dFWHM＝2pixels时，恰好满足Nyquist采样定理，此时欠采样倍率因子Q＝1；随着欠采样水平的提高，欠采样倍率因子Q的取值会增大。
4.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在同一探测器靶面同时采集轴上和多个轴外视场成像，由于校正过程中，需要计算各个视场成像光斑的像清晰度函数，因此需要对各视场光斑进行目标提取与视场匹配，目标提取可以采用阈值分割法、边缘检测法、区域提取法进行图像分割，以峰值光强为中心进行聚类，视场匹配根据各光斑质心在探测器靶面的位置进行确定，图像提取结果评价指标采用区域间对比度和区域内一致性进行衡量。
5.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(3)中，光斑的像清晰度函数包括斯特列尔比(strehl ratio)、环围能量(encircled energy)、光斑均方根半径(RMS)、光斑80％能量半径，定义公式分别如下：
Figure FDA0002581470170000021
S2＝∫∫RI(x,y)dxdy
Figure FDA0002581470170000022
Figure FDA0002581470170000023
其中，I(x0,y0)表示实际测量的峰值光强，I0(x0,y0)表示设计状态下的峰值光强，I(x,y)为实际系统中测量得到的光强分布函数，(x′,y′)表示远场光斑的质心位置。
6.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用的优化算法有很多种，包括遗传算法(GA)、模拟退火法(SA)、爬山法、随机并行梯度下降算法(SPGD)、神经网络算法。
7.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(5)中，大视场成像系统的像质评价函数可以采用各个视场像质评价函数的均值，也可以根据应用场合，以各个视场像质评价函数的加权平均值作为判据。
8.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：所述步骤(6)中，终止条件可以设置光学系统像清晰度函数的阈值，也可以设置为优化算法的最大迭代次数。
9.根据权利要求1所述的一种大口径、大视场望远镜失调误差校正方法，其特征在于：直接基于望远镜系统的欠采样成像光斑，利用优化算法对像清晰度函数进行寻优，实现望远镜失调误差的在线、闭环、高精度校正过程，该方法无需进行波前测量与重构，简化了测量系统和计算过程；无需进行欠采样图像重建，降低算法的复杂性，此外，该方法不仅可以对特定视场的像差进行校正，还可以同时对轴上和轴外多个视场的像差进行校正。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112260751A (zh) * 2020-10-21 2021-01-22 苏州科技大学 一种用于水平空间激光通信的spgd性能指标控制方法
CN113359871A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国科学院光电技术研究所 一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法
CN114757987A (zh) * 2022-04-13 2022-07-15 中国科学院光电技术研究所 一种基于边缘检测和目标跟踪的多个子光斑质心提取方法
CN117130172A (zh) * 2023-10-25 2023-11-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种拼接式空间望远镜全局装调方法、装置、设备及介质
CN117451318A (zh) * 2023-11-03 2024-01-26 无锡中科光电技术有限公司 一种快速检测望远镜视场角的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007093385A1 (de) * 2006-02-18 2007-08-23 Carl Mahr Holding Gmbh Optischer flächensensor
CN109031222A (zh) * 2018-07-09 2018-12-18 中国科学院电子学研究所 重航过阵列合成孔径雷达三维成像运动误差补偿方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007093385A1 (de) * 2006-02-18 2007-08-23 Carl Mahr Holding Gmbh Optischer flächensensor
CN109031222A (zh) * 2018-07-09 2018-12-18 中国科学院电子学研究所 重航过阵列合成孔径雷达三维成像运动误差补偿方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李敏: "大口径望远镜主镜径向偏心误差检测技术", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112260751A (zh) * 2020-10-21 2021-01-22 苏州科技大学 一种用于水平空间激光通信的spgd性能指标控制方法
CN113359871A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国科学院光电技术研究所 一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法
CN113359871B (zh) * 2021-06-29 2022-08-23 中国科学院光电技术研究所 一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法
CN114757987A (zh) * 2022-04-13 2022-07-15 中国科学院光电技术研究所 一种基于边缘检测和目标跟踪的多个子光斑质心提取方法
CN117130172A (zh) * 2023-10-25 2023-11-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种拼接式空间望远镜全局装调方法、装置、设备及介质
CN117130172B (zh) * 2023-10-25 2024-01-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种拼接式空间望远镜全局装调方法、装置、设备及介质
CN117451318A (zh) * 2023-11-03 2024-01-26 无锡中科光电技术有限公司 一种快速检测望远镜视场角的方法
CN117451318B (zh) * 2023-11-03 2024-05-10 无锡中科光电技术有限公司 一种快速检测望远镜视场角的方法

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