CN113891011B - 基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法 - Google Patents

基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其调节过程为自适应光学(AO)系统中的夏克‑哈特曼探测器实时获得待测波前的斜率值，计算得到波前的均方根值(RMS)，再根据波前RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系，计算得到畸变波前下远场观测相机的最大光强值，最后通过光强值与曝光时间之间对应关系，完成远场观测相机曝光时间的自动调节；本发明在于兼顾AO系统在开环和闭环状态下远场观测相机的信息采集需求，防止相机出现过曝光和欠曝光引起的测量误差增大甚至测量结果错误，确保远场光斑信息的准确测量与评估，同时避免人为重复调整曝光时间，提升了远场图像信息采集与测量的有效性。

Description

基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法
技术领域
本发明属于自适应光学控制领域，尤其涉及一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法。
背景技术
自适应光学(Adaptive Optics,AO)是一类以成像畸变波前为控制目标的波前控制技术，通过对成像光束波前像差的探测来反馈控制波前校正器件产生与波前像差相共轭的面形，能实时补偿由系统光学误差、大气湍流等各种因素引入的波前畸变，使得光学系统能够自动克服外界因素引入的静态或动态像差，从而保持系统良好的成像性能。
传统的AO系统通常包含用于波前测量和远场成像观测的两部相机。在使用AO系统对波前像差进行校正之前，一般会先给夏克-哈特曼传感器相机和远场观测相机设置合理的曝光时间，以利于波前信息和远场光斑的测量，但是当使用AO系统对波前像差进行校正后，远场光斑能量汇聚，在相同的曝光时间下，远场观测相机图像会出现过曝光的现象，影响远场观测相机对闭环效果的准确判断。如果为了保证闭环时不出现过曝光现象而人为降低开环状态下的曝光时间，又无法保证开环状态下的远场光斑的有效采集。在AO系统开闭环状态下采用相同的曝光时间显然无法满足系统的实际需求。
目前，已有的解决方法主要通过在AO系统闭环阶段实时测量远场观测相机的最大光强值来反馈调节相机的曝光时间，但是当光束近场不均匀或是相机曝光时间很短时，就会导致远场光斑出现显著的闪烁，给测量以及曝光时间的调节都带来较大难度。为了兼顾AO系统开闭环状态下远场观测相机的信息采集需求，同时避免人为重复调整曝光时间，需要一种能够根据波像像差畸变程度来自适应调节远场观测相机曝光时间的方法。
因此，本发明提出一种基于波前均方根值的相机自动曝光设置方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了兼顾AO系统在开闭环状态下远场观测相机的信息采集需求，同时降低由光斑闪烁给远场观测相机曝光时间调节引入的误差，避免人为重复调整曝光时间，为实现所述目的，本发明采用对光束近场不均匀性不敏感的波像斜率信息为曝光时间自动调节依据，公开一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，直接基于畸变波前的RMS值信息，近似计算得到合理的曝光时间，具有实时、稳定、高效的优势。
本发明采用的技术方案是：一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，包括如下步骤：
步骤(1)：采用平行光标定远场观测相机的曝光时间Exptime0，使得远场光斑的最大光强值Iclose等于远场观测相机可显示的最大光强值Imax；
步骤(2)：波前传感器采集到波前斜率信息后，通过波前复原矩阵，复原出表征波前像差的泽尼克多项式系数向量a，由系数向量a计算得到波前的均方根误差值(RMS)；
步骤(3)：通过波前RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系，以及标定的远场光斑的最大光强值Iclose，计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen；
步骤(4)：通过远场观测相机光强值与曝光时间之间的近似线性关系，以及标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，实现远场观测相机曝光时间Exptime1随波前像差变化的自动调节过程。
进一步地，所述步骤(1)中，远场观测相机可显示的最大光强值Imax由相机本身采样位深Pixel Format决定，采样位深与最大光强值的关系为：Imax＝2Pixel Format-1。
进一步地，所述步骤(2)中，波前传感器特指为自适应光学系统常用的夏克-哈特曼波前传感器。
进一步地，所述步骤(2)中的斜率计算方法为：先引入平行光照射夏克-哈特曼传感器进行子孔径光斑质心位置标定，再测量畸变波前入射后子孔径质心位置的偏移量，质心坐标 (Xm,Ym)的计算公式为：
Figure BDA0003290030700000021
Figure BDA0003290030700000022
其中，(Ym,Ym)为质心坐标，(Xp,Yp)是第n个像素的坐标，Ip为像素p处的光强值，S为微透镜阵列子孔径面积，λ为光波长，f为微透镜焦距，(Gx,Gy)为波前平均斜率，Φ(x,y)为波前相位。
进一步地，所述步骤(2)中的波前复原计算采用的是泽尼克模式波前复原算法，其算法原理为：离线仿真前65阶泽尼克像差模式构建的波前像差，依次通过夏克-哈特曼波前传感器进行仿真波前的采集与斜率计算，获得由波前斜率到泽尼克像差模式系数的波前复原矩阵 M，随后根据实测的畸变波前斜率值，乘以波前复原矩阵M，获得畸变波前的泽尼克像差模式系数向量a。
进一步地，所述步骤(2)中波前均方根误差值(RMS)由系数向量a计算得到，其计算公式为：
Figure BDA0003290030700000031
式中，n表示复原出的泽尼克像差模式阶数，这里取前65阶泽尼克多项式表征畸变波前。
进一步地，所述步骤(3)中RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系为：
Figure BDA0003290030700000032
根据标定的远场光斑的最大光强值Iclose，结合上述公式，可以计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen。
进一步地，所述步骤(4)中远场观测相机光强值与曝光时间之间近似线性关系是指：在未超过相机可显示的最大光强值Imax时，相机的曝光时间与显示的光强值近似满足线性关系。
进一步地，所述步骤(4)中远场观测相机自动调节过程为：根据畸变波前RMS计算的到的理论最大光强值Iopen，结合平行光标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，根据以下近似公式：
Figure BDA0003290030700000033
通过上式可以求得任意畸变波前时刻下远场观测相机合理的曝光时间，防止相机出现过曝光和欠曝光，确保远场光斑信息的准确测量与评估，同时避免人为重复调整曝光时间。
本发明还提供一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，具体实现步骤如下：
步骤(1)：首先将平行光导入AO系统，其中AO系统包括：波前传感器、波校正器、波前控制器，远场观测相机等，涉及到的波前传感器为常用的夏克-哈特曼传感器，通过微透镜阵列探测畸变波前的斜率信息，远场观测相机用于测量光束的远场光斑信息，平行光标引入后，调节远场观测相机合适的曝光时间Exptime0，使得远场光斑的最大光强值Iclose略小于远场观测相机可显示的最大光强值Imax，并以Exptime0为远场观测相机标定的零点值。
步骤(2)：夏克-哈特曼传感器采集图像后，进行波前斜率的计算，并通过波前复原矩阵M，复原出表征波前像差的泽尼克多项式系数向量a。
步骤(3)：由系数向量a计算得到波前的均方根误差值(RMS)，其计算公式为：
Figure BDA0003290030700000041
式中，n表示复原出的泽尼克像差模式阶数，这里取前65阶泽尼克多项式表征畸变波前。
步骤(4)：通过波前RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系：
Figure BDA0003290030700000042
根据标定的远场光斑的最大光强值Iclose，结合上述公式，可以计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen。
步骤(5)：通过远场观测相机光强值与曝光时间之间的近似线性关系，以及标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，实现远场观测相机曝光时间Exptime1随波前像差变化的自动调节过程。
所述步骤(5)中远场观测相机光强值与曝光时间之间近似线性关系是指：在未超过相机可显示的最大光强值Imax时，相机的曝光时间与显示的光强值近似满足线性关系。
所述步骤(5)中远场观测相机自动调节过程为：根据畸变波前RMS计算的到的理论最大光强值Iopen，结合平行光标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，根据以下近似公式：
Figure BDA0003290030700000043
/>
通过上式可以求得任意畸变波前时刻下远场观测相机合理的曝光时间。
根据实际系统的需求，可以设置远场观测相机曝光时间的调节时机，比如开环或闭环状态下调节；调节频率，比如每两百帧波前斜率求解的曝光时间求平均等。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)利用对光束近场不均匀性不敏感的波像斜率信息为曝光时间自动调节依据，可以有效降低远场光斑闪烁带来的测量误差；
(2)只需一次标定，就可以全程自动调节远场观测相机的曝光时间，兼顾了AO系统在开环或闭环状态下远场观测相机的信息采集需求；
(3)避免了人为重复调整曝光时间，提升了AO系统自动化程度。
附图说明
图1为本发明的远场观测相机曝光时间自动调节方法示意图，其中，1为光源，2为波前校正器，3为波前控制器，4为分光镜，5为夏克-哈特曼波前传感器相机，6为远场观测相机；
图2为波前RMS值与远场最大光强值之间的理论与仿真结果(Pixel Format＝12)。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例子，参照附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，实例系统1由传统的自适应光学系统构成，包括包括光源1、波前校正器 2、波前控制器3、分光镜4、夏克-哈特曼波前传感器相机5、远场观测相机6等。
系统上电并配置完毕参数后，首先引入一束平行光，对夏克-哈特曼波前传感器相机和远场观测相机进行曝光时间调节，假设此时远场观测相机的曝光时间为Exptime0，使得采集的最大光强值Iclose略小于相机可显示的最大光强Imax，然后对夏克-哈特曼波前传感器进行光斑质心标定。标定的质心坐标(X0,Y0)的计算公式为：
Figure BDA0003290030700000051
Figure BDA0003290030700000052
其中，(Xp,Yp)是第n个像素的坐标，Ip为像素p处的光强值，S为微透镜阵列子孔径面积，λ为光波长，f为微透镜焦距，(Gx,Gy)为波前平均斜率，Φ(x,y)为波前相位。
随后，通过相差板或动态湍流发生器模拟外部因素引入的波前像差，采用夏克-哈特曼波前传感器实时获取畸变波前斜率信息，斜率计算方法为：根据标定的质心位置，再测量畸变波前入射后子孔径质心位置(X1,Y1)，根据质心位置偏移量计算畸变波前斜率。
Figure BDA0003290030700000053
Figure BDA0003290030700000054
/>
离线仿真前65阶泽尼克像差模式构建的波前像差，依次通过夏克-哈特曼波前传感器进行仿真波前的采集与斜率计算，获得由波前斜率到泽尼克像差模式系数的波前复原矩阵M，随后根据实测的畸变波前斜率值，乘以波前复原矩阵M，获得畸变波前的泽尼克像差模式系数向量a。由系数向量a计算得到波前的均方根误差值(RMS)，其计算公式为：
Figure BDA0003290030700000061
式中，n表示复原出的泽尼克像差模式阶数，这里取前65阶泽尼克多项式表征畸变波前。
其中RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系为：
Figure BDA0003290030700000062
根据标定的远场光斑的最大光强值Iclose，结合上述公式，可以计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen。
最后，根据畸变波前RMS计算的到的理论最大光强值Iopen，结合平行光标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，根据以下近似公式：
Figure BDA0003290030700000063
通过上式可以求得任意畸变波前时刻下远场观测相机合理的曝光时间，从而实现远场观测相机曝光时间随波前像差变化的自动调节过程。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：采用平行光标定远场观测相机的曝光时间Exptime0，使得远场光斑的最大光强值Iclose等于远场观测相机可显示的最大光强值Imax；
步骤(2)：波前传感器采集到波前斜率信息后，通过波前复原矩阵，复原出表征波前像差的泽尼克多项式系数向量a，由系数向量a计算得到波前的均方根误差值(RMS)；
步骤(3)：通过波前RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系，以及标定的远场光斑的最大光强值Iclose，计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen；
步骤(4)：通过远场观测相机光强值与曝光时间之间的近似线性关系，以及标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，实现远场观测相机曝光时间Exptime1随波前像差变化的自动调节过程。
2.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(1)中，远场观测相机可显示的最大光强值Imax由相机本身采样位深Pixel Format决定，采样位深与最大光强值的关系为：Imax＝2PixelFormat-1。
3.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(2)中，波前传感器特指为自适应光学系统常用的夏克-哈特曼波前传感器。
4.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(2)中的斜率计算方法为：先引入平行光照射夏克-哈特曼传感器进行子孔径光斑质心位置标定，再测量畸变波前入射后子孔径质心位置的偏移量，质心坐标(Xm,Ym)的计算公式为：
Figure FDA0003290030690000011
Figure FDA0003290030690000012
其中，(Xm,Ym)为质心坐标，(Xp,Yp)是第n个像素的坐标，Ip为像素p处的光强值，S为微透镜阵列子孔径面积，λ为光波长，f为微透镜焦距，(Gx,Gy)为波前平均斜率，Φ(x,y)为波前相位。
5.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(2)中的波前复原计算采用的是泽尼克模式波前复原算法，其算法原理为：离线仿真前65阶泽尼克像差模式构建的波前像差，依次通过夏克-哈特曼波前传感器进行仿真波前的采集与斜率计算，获得由波前斜率到泽尼克像差模式系数的波前复原矩阵M，随后根据实测的畸变波前斜率值，乘以波前复原矩阵M，获得畸变波前的泽尼克像差模式系数向量a。
6.根据权利要求4的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(2)中波前均方根误差值(RMS)由系数向量a计算得到，其计算公式为：
Figure FDA0003290030690000021
式中，n表示复原出的泽尼克像差模式阶数，这里取前65阶泽尼克多项式表征畸变波前。
7.根据权利要求6的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(3)中RMS值与系统点扩散函数的斯特列尔比值(SR)之间的数学关系为：
Figure FDA0003290030690000022
根据标定的远场光斑的最大光强值Iclose，结合上述公式，可以计算得到畸变波前下远场观测相机的理论最大光强值Iopen。
8.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(4)中远场观测相机光强值与曝光时间之间近似线性关系是指：在未超过相机可显示的最大光强值Imax时，相机的曝光时间与显示的光强值近似满足线性关系。
9.根据权利要求1的一种基于波前均方根值的远场观测相机曝光时间自动调节方法，其特征在于：所述步骤(4)中远场观测相机自动调节过程为：根据畸变波前RMS计算的到的理论最大光强值Iopen，结合平行光标定的远场观测相机曝光时间Exptime0，根据以下近似公式：
Figure FDA0003290030690000023
通过上式可以求得任意畸变波前时刻下远场观测相机合理的曝光时间，防止相机出现过曝光和欠曝光，确保远场光斑信息的准确测量与评估，同时避免人为重复调整曝光时间。
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