CN1971222B - 一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，包括缩束系统、透镜阵列、匹配透镜组、探测器件和算法优选模块，由探测器件采集的电信号首先进入算法优选模块进行处理，然后进入后级处理系统，所述的算法优选模块为各种固化了快速质心算法和相关算法的数字硬件模块，并能根据背景强度进行算法优先选择，以信噪比为判据进行算法的选择，在信噪比低于设定判据值时，选用相关算法，否则选用质心算法，分别实现自适应光学系统的弱、强背景观测。本发明消除了强探测背景对探测精度的影响，且具有结构简单、工作性能稳定，加工工艺成熟的优点，使传感器的生产、安装和调节简单化，利于实现批量生产。

Description

一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及一种夏克-哈特曼波前传感器，特别是一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器。

背景技术

夏克-哈特曼波前传感器已经广泛应用于自适应光学系统中。利用阵列透镜对探测波前进行分割，分割的波前被聚焦到CCD光电探测器上，计算各个子孔径的斜率，经复原计算得到探测波前的相位分布。夏克-哈特曼波前传感器除了应用于各种用途的自适应适应光学系统中外，还用于各种静态相差的测量，比如光学检测、系统标定和医学中的人眼像差测量等。这类传统的夏克-哈特曼波前传感器可以参见“哈特曼波前传感器的应用”，姜文汉，鲜浩等，量子电子学报Vol.15，April，1998，2，P228-235；“夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差”，沈锋，姜文汉，光学学报，Vol.20，No.5，May 2000，P666-671；“Combined shearing interferometer and Hartmann wavefront sensor”，USpatent No.518854，Hutchin etc.，June 17，1982。针对适合于白天自适应光学观测的夏克-哈特曼波前传感器的研究已有成果。中国科学院光电技术研究所李超宏的专利“基于分光棱镜的视场偏移哈特曼波前传感器”描述了一种利用视场偏移消除白天观测中强背景的方法。其系统至少包括两套相同的缩束系统、阵列透镜、CCD探测器件和处理机。

上述各种夏克-哈特曼波前传感器用于强背景条件下自适应观测时存在不足：在信噪比很低时，信号被噪声淹没，光电探测器所获得图像不经处理则不能够得到精确的斜率数据，在采用了像增强器的夏克-哈特曼波前传感器中，信号得到增强的同时，但同时噪声也被放大，因此不能有效提高信噪比。利用视场偏移法特别研制的夏克-哈特曼波前传感器有效的抑制了背景对探测的影响，但其系统复杂度却增加了研究成本。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服了现有技术的不足，提出一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，这种传感器可以有效地适应不同探测环境实现自适应光学观测，且结构简单、工作性能稳定，适合批量生产。

本发明的技术解决方案是：一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，包括缩束系统、透镜阵列、匹配透镜组、探测器件，缩束系统使前级系统产生的光束口径与透镜阵列匹配，之后的匹配透镜组则将由透镜阵列分割的子波前成像在探测器件上，其特征在于：在所述的探测器件后接有根据背景强度进行质心算法或相关算法优选的算法优选模块，由探测器件采集的电信号首先进入算法优选模块进行处理，然后进入后级处理系统，所述的算法优选模块为各种固化了快速质心算法和相关算法的数字硬件模块，并能根据背景强度进行算法优先选择，以信噪比为判据进行算法的选择，在信噪比低于设定判据值(通常为6.0)时，选用相关算法，否则选用质心算法，分别实现自适应光学系统的弱、强背景观测。

所述的相关算法：①选择信号峰值附近一定区域为相关运算核，其区域可以限定在较小的范围内，以减小计算量并能保证计算的精度；②按照一定的步长进行相关运算核和信号图像的运算，相关系数最大点所对应的运算核偏移量即为光斑斜率值。

所述的质心算法步骤如下：

①计算整个探测区域内所有像素信号能量值的总和V；

②在探测区域内建立坐标系，其单位为像素个数，然后沿一个方向(x或者y)将信号能量与其对应坐标的乘积求和，得到能量的位置加权值U；

③相应方向的信号质心位置由U/V得到；

④针对同一探测区域的另一个方向做此运算，得到相应方向的信号质心位置。

本发明中的透镜阵列可以采用微光学技术，或采用二元光学技术加工而得；缩束透镜后的探测器为一组或一组以上各种光电探测器，如CCD等。

本发明相对于现有技术具有如下优点：本发明通过其特有的相关算法处理模块实现了强背景自适应光学探测，弥补了现有的夏克-哈特曼波前传感器只适用于较高信噪比的不足，即在较弱背景探测条件下，仍然选择质心算法进行处理；同时，也克服了已有的针对强背景条件下自适应观测的夏克-哈特曼波前传感器的结构复杂的缺陷。此外，本发明还具备结构简单、工作性能稳定，加工工艺成熟的特征，使传感器的生产、安装和调节简单化，利于实现批量生产，可以用于针对低信噪比的各种高精度的波前探测场合。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图；

图2为本发明的强背景及信号分布图；

图3本发明的利用质心法求解斜率示意图；

图4为本发明的利用相关算法示意图；

图5为本发明的夏克-哈特曼波前传感器的一个子孔径以及其相关窗口的选择示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明缩束系统2、透镜阵列3、匹配透镜组4、CCD光电探测器5和算法优选模块6组成，缩束系统2使前级系统产生的光束口径与透镜阵列3匹配，之后的匹配透镜组4则将由透镜阵列3分割的子波前成像在CCD光电探测器5上，由CCD光电探测器5采集的电信号后首先进入算法优选模块6进行处理，然后进入后级处理系统。

算法优选模块6根据电信号的信噪比为判据进行算法的选择。在信噪比低于设定判据值(通常为6.0)时，选用相关算法，在信噪比高于设定判据值时，则选用质心算法，分别实现自适应光学系统的弱、强背景观测。

下面对本发明的中质心算法和相关算法如下。

(1)质心算法

在利用夏克-哈特曼波前传感器对电源目标进行探测时，通常采用质心算法得到子孔径斜率：

$x_c=\frac{\∫I\left(x\right)\mathrm{xdx}}{\∫I\left(x\right)\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

其中I(x)为探测光能分布函数。对于子孔径内x方向空间分辨率为N的夏克-哈特曼波前传感器，质心计算式为：

${\stackrel{\‾}{x}}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}---\left(2\right)$

在有背景条件下进行探测时，探测光能含有背景噪声：

I_i＝S_i+n_i    (3)

其中S_i为信号能量，n_i为噪声(背景)。在探测背景强度较大时，背景对质心探测的影响不能被忽略，质心表达式为：

${\stackrel{\‾}{x}}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}+\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}---\left(4\right)$

在如图2所示的探测背景和斜率为x₀的信号分布情况下，利用质心算法得到的信号斜率为

如图3所示，由于背景噪声引入了误差。因此，质心运算法适用于信噪比大于一定值(通常选择为6.0)时采用。在信噪比低于此判据值时，质心算法的精度下降，这时应当采用相关算法。

(2)相关算法

取值恒为正的实函数f(t)，g(t)的相关系数定义为：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(t\right)g(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

对于子孔径内x方向空间分辨率为N的夏克-哈特曼波前传感器，其探测能量分布式为：

$f\left(i\right)=\begin{array}{cc}{S}_i+n_i& i\∈[1,N]\\ 0& \mathrm{Otherwise}\end{array}---\left(6\right)$

选取f₀为相关运算核：

$f_0\left(i\right)=\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{S}_{0i}+n_{0i}& i\∈[1,N]\\ 0& \mathrm{Otherwise}\end{array}---\left(7\right)\end{array}$

因此，相关运算系数为：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\Δx}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_0\left(i\right)f(i+\mathrm{\Λx})}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_0\left(i\right)f\left(i\right)}---\left(8\right)$

系数ρ(Δx)只有在Δx为0时取最大值，此时f与所选择相关运算核相关程度“最大”，即为其信号质心位置。

在相关运算核的选择过程中，可以将其限制在较小的尺度范围(M)内。这是由于点源目标本身尺度较小，而且由此选择的运算核能有效的减小计算量，提高工作效率，并能更加有效的抑制背景噪声的影响。较小尺度范围内的相关运算核被称为相关窗口，如图4所示。

图4表示了利用相关窗口进行斜率计算的结果。从图中可见，在

点，相关系数值较小，因此其值较斜率真值x₀有较大差异。而利用相关窗口则在x₀点得到了最大相关值点。

图5所示为夏克-哈特曼波前传感器一个子孔径图像实例。将此相关窗口按照图4所描述方法运用于探测器各个子孔径估算得到斜率矩阵。

Claims (4)

1.一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，包括缩束系统、透镜阵列、匹配透镜组、探测器，缩束系统使前级系统产生的光束口径与透镜阵列匹配，之后的匹配透镜组则将由透镜阵列分割的子波前成像在探测器上，其特征在于：在所述的探测器后接有根据背景强度进行质心算法或相关算法优选的算法优选模块，由探测器采集的电信号首先进入算法优选模块进行处理，然后进入后级处理系统，所述的算法优选模块为各种固化了快速质心算法和相关算法的数字硬件模块，并能根据背景强度进行算法优先选择，以信噪比为判据值进行算法的选择，在信噪比低于设定判据值时，选用相关算法，否则选用质心算法，分别实现自适应光学系统的弱、强背景观测；

所述的相关算法步骤如下：

①选择信号峰值附近一定区域为相关运算核，其区域可以限定在较小的范围内，以减小计算量并能保证计算的精度；

②按照一定的步长进行相关运算核和信号图像的运算，相关系数最大点所对应的运算核偏移量即为光斑斜率值；

所述的质心算法步骤如下：

①计算整个探测区域内所有像素信号能量值的总和V；

②在探测区域内建立坐标系，其单位为像素个数，然后沿一个方向，即x或者y将信号能量与其对应坐标的乘积求和，得到能量的位置加权值U；

③相应方向的信号质心位置由U/V得到；

④针对同一探测区域的另一个方向做此运算，得到相应方向的信号质心位置。

2.根据权利要求1所述的适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的判据值为6。

3.根据权利要求1所述的适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的探测器为各种光电探测器。

4.根据权利要求1所述的适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的透镜阵列采用微光学技术，或采用二元光学技术加工而得。

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