CN117451192B - 旋转光瞳成像系统波前信息检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间天文望远镜技术领域，尤其涉及一种旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，首先根据旋转光瞳成像系统本身的参数，得到旋转光瞳成像系统的光瞳函数结合相位函数得到旋转光瞳成像系统在不同角度上存在的瞳函数关系；根据根据旋转光瞳成像系统拍摄到的不同角度下的图像，光瞳函数以及瞳函数关系，构建用于衡量重构图像和实际采集图像之间的相似程度的评价函数；通过优化算法进行迭代寻优，得到使评价函数取得最小值的二维多项式系数，二维多项式系数即为旋转光瞳成像系统的波前信息。本方法利用其光瞳在不同角度上对目标所成的图像求解波前信息，不需要增加任何额外设备，使成像系统更加简单，没有离焦误差和非共路误差。

Description

旋转光瞳成像系统波前信息检测方法
技术领域
本发明涉及空间天文望远镜技术领域，尤其涉及一种旋转光瞳成像系统波前信息检测方法。
背景技术
为了观测距离更远、亮度更暗的目标，天文望远镜的口径不断增大。空间望远镜处在地球大气层之外，其分辨率和成像质量优于地基望远镜，但受运载能力、技术水平和研制成本限制，传统单体空间望远镜的主镜口径一般不超过4m，最大不超过8m。为此，一些采用新型材料生产、制造出的主镜和各种等效大口径的新型成像技术应运而生。其中，旋转光瞳成像技术采用长宽比较大的矩形反射镜作为主镜，在成像过程中使主镜围绕中心旋转，获取观测目标不同方向上的高分辨率影像，通过超分辨率处理等手段，最终得到以矩形长边为等效口径的高分辨率图像。
大长宽比矩形主镜的镜面面形易受到复杂空间环境的影响。如果能探测出波前像差，就可以通过主动光学技术对主镜面形进行矫正。相位函数差法(Phase Diversity，PD)是一种成熟的基于图像的波前检测技术，现有PD方法通常通过人为离焦的方式引入像差，获得具有已知波前信息差距的两幅或多幅图像。这也导致在成像系统中需增加离焦机构，使成像系统更加复杂，并且会因离焦不准等因素带来新的误差。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，主要针对旋转光瞳成像系统，利用其光瞳在不同角度上对目标所成的图像求解波前信息，不需要增加任何额外设备，使成像系统更加简单，没有离焦误差和非共路误差。
本发明提供的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法具体包括以下步骤：
S1、利用Zernike多项式进行拟合得到极坐标下的相位函数，并将相位函数转换为直角坐标下的相位函数/>；
S2、根据旋转光瞳成像系统的成像原理和相位函数，得到旋转光瞳成像系统的光瞳函数/>；
S3、将光瞳函数转换为极坐标下的光瞳函数/>，并结合相位函数/>，根据两个不同角度的角度差得到旋转光瞳成像系统在不同角度上存在的瞳函数关系；
S4、利用旋转光瞳成像系统以步骤S3中的两个拍摄角度采集两幅图像，根据图像/>和/>、光瞳函数/>以及瞳函数关系，构建用于衡量重构图像和实际采集图像之间的相似程度的评价函数；
S5、利用优化算法对相位函数中的多项式系数进行迭代寻优，得到使评价函数取得最小值的多项式系数，此时的多项式系数即为旋转光瞳成像系统的波前信息。
进一步的，相位函数为：
；
其中，表示Zernike多项式的项数，/>表示Zernike多项式，/>表示拟合的Zernike多项式系数。
进一步的，光瞳函数为：
；
其中，表示虚部，/>表示旋转光瞳成像系统的模函数，具体为：
其中，a，b表示旋转光瞳成像系统的光瞳的边长。
进一步的，瞳函数关系为：
；
其中，和/>分别表示图像/>和/>在极坐标下对应的光瞳函数，表示角度差。
进一步的，对光瞳函数进行自相关运算，得到旋转光瞳成像系统的点扩散函数/>的频域函数/>：
；
其中，表示自相关运算；
根据下式得到二维观测目标的光强分布函数对应的频域函数/>：
；
其中，表示图像/>对应的频域函数。
进一步的，评价函数为：
其中，和/>分别表示图像/>和/>对应的光强分布函数/>和点扩散函数/>；
根据Parseval原理得到：
其中，和/>分别表示图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；/>和/>分别表示图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；
令，得到评价函数为：
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1）本方法不需要增加任何额外设备，使成像系统更加简单；
2）利用其光瞳在不同角度上对目标所成的图像求解波前信息，避免现有方法中通过人为离焦的方式引入的离焦误差和非共路误差等其他误差，进而提高精度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法的流程图；
图2是根据本发明实施例提供的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供了的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，主要针对旋转光瞳成像系统，利用其光瞳在不同角度上对目标所成的图像求解波前信息，不需要增加任何额外设备，使成像系统更加简单，没有离焦误差和非共路误差。
图1和图2示出了根据本发明实施例提供的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法的流程。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法具体包括以下步骤：
S1、利用Zernike多项式进行拟合得到极坐标下的相位函数为：
；
其中，表示Zernike多项式的项数，/>表示Zernike多项式，/>表示拟合的Zernike多项式系数。并将相位函数/>转换为直角坐标下的相位函数/>。
S2、根据旋转光瞳成像系统的成像原理和相位函数，得到旋转光瞳成像系统的光瞳函数/>为：
；
其中，表示虚部，/>表示旋转光瞳成像系统的模函数，当采用的旋转光瞳为清澈的矩形光瞳时，具体为：
其中，a，b表示旋转光瞳成像系统的光瞳的边长。
S3、将光瞳函数转换为极坐标下的光瞳函数/>，并结合相位函数/>，根据两个不同角度的角度差得到旋转光瞳成像系统在不同角度上存在的瞳函数关系为：
；
其中，和/>分别表示图像/>和/>在极坐标下对应的光瞳函数，表示角度差。
S4、利用旋转光瞳成像系统以步骤S3中的两个拍摄角度采集两幅图像，根据图像/>和/>、光瞳函数/>以及瞳函数关系，构建用于衡量重构图像和实际采集图像之间的相似程度的评价函数。
其中，对光瞳函数进行自相关运算，得到旋转光瞳成像系统的点扩散函数的频域函数/>：
；
其中，表示自相关运算；
根据下式得到二维观测目标的光强分布函数对应的频域函数/>：
；
其中，表示图像/>对应的频域函数。
进一步的，评价函数为：
其中，和/>分别表示图像/>和/>对应的光强分布函数/>和点扩散函数/>；
根据Parseval原理得到：
其中，和/>分别表示图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；/>和/>分别表示图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；
为了消除光强分布函数的影响，令/>，得到评价函数为：
S5、通过优化算法对相位函数中的多项式系数进行迭代寻优，得到使评价函数取得最小值的多项式系数，此时的多项式系数即为旋转光瞳成像系统的波前信息。
优化算法通常通过调节模型参数，进行迭代运算，使目标函数的值最小。常见的优化算法包括粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法、遗传算法等。
本具体实施例中采用遗传算法：
A1、将相位函数中的/>作为待求解的模型参数输入到遗传算法中；
A2、遗传算法将进行编码，生成一个初始种群（数值不同的多个个体）；
A3、计算重构图像与真实图像的评价函数值；
A4、根据评价函数值决定哪些个体的特征可以被遗传，产生新一代种群；
A5、进行多次迭代，得到最佳个体，其对应的参数值即为所求的波前拟合系数，可用来表达计算出的波前信息。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、利用Zernike多项式进行拟合得到极坐标下的相位函数，并将所述相位函数转换为直角坐标下的相位函数/>；
S2、根据旋转光瞳成像系统的成像原理和所述相位函数，得到所述旋转光瞳成像系统的光瞳函数/>；
S3、将所述光瞳函数转换为极坐标下的光瞳函数/>，并结合所述相位函数，根据两个不同拍摄角度的角度差得到所述旋转光瞳成像系统在不同角度上存在的瞳函数关系；
S4、利用旋转光瞳成像系统以所述步骤S3中的两个拍摄角度采集两幅图像，根据所述图像/>和/>、所述光瞳函数/>以及所述瞳函数关系，构建用于衡量重构图像和实际采集图像之间的相似程度的评价函数；
S5、利用优化算法对所述相位函数中的多项式系数进行迭代寻优，得到使所述评价函数取得最小值的多项式系数，此时的多项式系数即为所述旋转光瞳成像系统的波前信息。
2.根据权利要求1所述的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，所述相位函数为：
；
其中，表示所述Zernike多项式的项数，/>表示所述Zernike多项式，/>表示拟合的Zernike多项式系数。
3.根据权利要求1所述的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，所述光瞳函数为：
；
其中，表示虚部，/>表示所述旋转光瞳成像系统的模函数，具体为：
其中，a，b表示所述旋转光瞳成像系统的光瞳的边长。
4.根据权利要求1所述的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，所述瞳函数关系为：
；
其中，和/>分别表示所述图像/>和/>在极坐标下对应的光瞳函数，表示所述角度差。
5.根据权利要求1所述的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，对所述光瞳函数进行自相关运算，得到所述旋转光瞳成像系统的点扩散函数/>的频域函数/>：
；
其中，表示自相关运算；
根据下式得到二维观测目标的光强分布函数对应的频域函数/>：
；
其中，表示图像/>对应的频域函数。
6.根据权利要求1所述的旋转光瞳成像系统波前信息检测方法，其特征在于，所述评价函数为：
其中，和/>分别表示所述图像/>和/>对应的光强分布函数/>和点扩散函数/>；
根据Parseval原理得到：
其中，和/>分别表示所述图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；/>和/>分别表示所述图像/>，光强分布函数/>和点扩散函数/>的频域函数；
令，得到所述评价函数为：
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