CN207882564U - 基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统，属于光学技术领域，针对目前无波前探测自适应光学技术存在的问题，待校正波前像差经过变形镜补偿后的残余波前入射到分光棱镜上，经分光棱镜分为两束光线，分别由两个成像透镜将其会聚至对应的两个CCD相机上，得到焦面和离焦面模糊像斑；将图像信息作为已知输入量，利用线性相位差异算法模块直接求得对应的驱动控制电压，通过波前校正器驱动控制电路模块施加到变形镜上，使变形镜产生去除波前畸变的补偿量，然后再利用成像系统采集校正后系统对应的焦面及离焦面图像，再次计算此时对应的校正电压，如此反复迭代，直至波前误差得到完全校正；便于在自适应光学闭环系统上应用。

Description

基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种新型的自适应光学系统，尤其涉及一种基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统。

背景技术

自适应光学理论的建立发展首先源于天文学，其在天文学观测上的应用一直是该技术的主要应用方向。自适应光学系统通常采用波前传感器探测畸变波前相位信息，用波前校正器校正畸变波前，如图1所示。由于夏克-哈特曼型波前传感器速度快、精度高，在实时性要求较高的自适应光学系统中得到广泛应用。但随着自适应光学技术应用领域的拓展，如自由空间光通讯、扩展目标成像、激光腔内像差校正及非相干光束成像等，以夏克-哈特曼型波前传感器为代表的常规自适应光学技术的应用逐渐有限，无波前探测自适应光学系统逐步成为研究的热点。如图2所示，无波前探测自适应光学系统无需进行波前测量，把波前校正器所需控制信号作为优化参数，以成像清晰度、接收光能量等应用系统所关心的系统性能指标作为控制算法的目标函数，优化得到接近理想的校正效果。与常规自适应光学技术相比，具有系统结构简单、不受闪烁等畸变条件限制、对复杂环境适应能力强等优点。

目前无波前探测的自适应光学系统按照优化算法可分为无模型优化系统和有模型优化系统两大类。无模型优化系统不需要建立系统模型，直接采用各种盲优化算法作为系统控制算法，如随机并行梯度下降法(SPGD)、模拟退火算法、遗传算法、爬山法等，收敛速度慢是无模型优化自适应光学系统的最大缺陷。基于模型的无波前探测自适应光学系统，首先基于某种原理建立系统模型，如模式法、非线性优化方法或几何光学原理等，进而确定相应的系统控制算法。基于模型的无波前探测自适应光学系统有相对较快的收敛速度，但由于需要事先定义不同类型的基函数或建立表征系统输入输出模型的非线性方程，且在波前校正之前还需要清除系统像差，在实际应用时实现手段相对复杂。除以上两类系统外，还有科研工作者提出的基于事后图像处理算法的无波前探测自适应光学系统，参见中国专利号为“CN101013195A”，名称为“基于线性相位反演复原技术的自适应光学系统”，该系统通过测量有像差时的一幅远场图像与定标图像的差，利用线性矩阵相乘方法得到待测像差，但使用前需要用一个理想的参考平面波光源对成像传感器进行标定来获取基准图像。

实用新型内容

本实用新型针对目前无波前探测自适应光学技术收敛速度慢、无法满足实时性需求以及实现手段复杂的问题，提供一种基于实时相位差异技术的新型无波前探测自适应光学系统，具有结构简单、光能利用率高，收敛速度快、计算量小，无需事先定义基函数或定标、实现手段简单等优点。

本实用新型解决技术问题采用的技术方案：

基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统，其特征是，其由成像系统、线性相位差异算法模块、波前校正器驱动控制电路模块及变形镜构成；其中成像系统由分光棱镜、成像透镜一、成像透镜二、CCD相机一和CCD相机二构成；

待校正波前像差经过变形镜补偿后的残余波前入射到分光棱镜上，经分光棱镜分为两束光线，分别由成像透镜一和成像透镜二将其会聚至对应的CCD相机一和CCD相机二上，得到焦面和离焦面模糊像斑；将采集的图像信息作为已知输入量，利用线性相位差异算法模块直接求得对应的驱动控制电压，通过波前校正器驱动控制电路模块施加到变形镜上，使变形镜产生去除波前畸变的补偿量，然后再利用成像系统采集校正后系统对应的焦面及离焦面图像，再次计算此时对应的校正电压并驱动变形镜实时校正波前，如此反复迭代，直至波前误差得到完全校正，获得理想的成像效果。

基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统的波前像差校正方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一，基于变形镜的影响函数，构建波前像差与施加电压的关系模型，即有：

ΔΦ＝S·Δu

其中，Δu表示驱动电压矩阵，S表示变形镜的驱动影响函数矩阵，ΔΦ表示像差变化矩阵；

步骤二，将变形镜的初始驱动校正电压矩阵u₀＝{u₁,u₂,...u_n}设置为0，由其工作原理可知，此时对应初始像差也为0；

步骤三，依据泰勒展开原理，将系统点扩散函数进行线性展开，即有：

psf(α)＝psf₀+psf₁·α+O||α||²

其中，O||α||²二阶拉格朗日余项；再分别求出焦面处及离焦面处的点扩散函数在驱动电压矩阵为0时的对应值psf_1,0|_u＝0、psf_2,0|_u＝0及其一阶导数值psf_1,1|_u＝0、psf_2,1|_u＝0，作为已知矩阵保存；

步骤四，由成像系统的焦面CCD相机一及离焦面CCD相机二实时采集经过大气湍流后的畸变像斑i₁和i₂；

步骤五，利用实际采集光斑与步骤三中线性近似后的光斑之间的差异构建评价函数：

其中，i₁、i₂分别为采集到的焦面及离焦面光斑图像，psf₁、psf₂为线性近似后的光斑图像，为引入的Tikhonov正则化参数项；

通过求目标函数最小值，基于最小二乘原理，并结合步骤一中变形镜的波前像差与施加电压的关系模型，可直接求出当次变形镜对应的驱动控制电压：

其中，为成像系统实时采集的光斑图像，D为线性相位差异算法模块构建的图像-电压矩阵，Δu即为求解的驱动校正电压；

步骤六，根据求出的校正电压值驱动变形镜产生补偿波前u(r)对原始波前进行实时校正，校正后的残余波前为再重复步骤四，即通过成像系统实时采集此次校正后的焦面及离焦面光斑图像，作为新的远场图像，重复步骤五，求出新的校正电压驱动变形镜反复进行像差校正，直至求出的驱动电压趋近于零，表示此时像差已实现完全闭环校正，取得理想的成像效果。

本实用新型所依据的核心技术为：构建远场畸变图像和变形镜驱动电压的线性关系模型的实时相位差异技术。算法的基本原理如下：

1、波前校正器模块

根据波前校正器的工作原理，变形镜的面形变化可用变形镜各个驱动器影响函数的线性组合表示：

其中，φ(r)表示变形镜的面形变化，S_j(r)表示变形镜的第j个驱动器的影响函数，u_j为第j个驱动器所加电压。将(1)式写为矩阵形式有：

ΔΦ＝S·Δu (2)

其中，Δu表示驱动电压矩阵，S表示变形镜的影响函数矩阵，ΔΦ表示像差变化矩阵。

2、线性相位差异算法模块

由傅里叶光学中的成像公式有：

i(u,v)＝o*psf(u,v)+n(u,v) (3)

其中，i(u,v)表示远场成像焦平面上获取的图像，o表示原始观测目标，psf(u，v)为系统焦平面通道对应的点扩散函数，n(u,v)表示系统噪声，*表示卷积。当观测目标为点源等非扩展目标时，远场成像平面上获取的图像可简化为系统的点扩散函数。

由傅里叶光学普适应原理可知，系统点扩散函数与入射波前相位有如下关系：

其中，φ(r)表示入射光束相位，A表示光瞳形状函数，表示傅里叶变换。由此可见，入射光束相位的改变将会引起焦平面上远场成像光斑形状的变化，采集的远场光斑中必然包含着波前像差信息。

基于一阶泰勒展开式将系统点扩散函数对波前像差进行线性展开，则有：

psf(α)＝psf₀+psf₁·α+O||α||² (5)

其中， O||α||²二阶拉格朗日余项。当像差较小时，可忽略二阶余项。设获得焦面处的光斑为i₁,获得离焦面处的光斑为i₂,由公式(5)可知，线性化后的光斑图像可分别记为：

其中，psf_1,0、psf_1,1分别为焦面点扩散函数在像差α₀的函数值及一阶级导数值，psf_2,0、psf_2,1分别为离焦面点扩散函数在像差α₀的函数值及一阶级导数值。

利用实际采集光斑与线性近似后的光斑之间的差异构建评价函数，引入Tikhonov正则化模型对目标函数进行优化，以降低相机噪声对评价函数的影响，则有：

其中，i₁、i₂分别为采集到的焦面及离焦面光斑图像，psf₁、psf₂为线性近似后的光斑图像，为引入的Tikhonov正则化参数项，用来抑制相机噪声对求解波像差的影响。

为求评价函数的最小值，可令评价函数对像差的偏导数等于零，即有：

利用最小二乘法求解式(8)，即可得到系统的波前像差，则有：

其中，U₁＝psf_1,1，U₂＝psf_2,1，W₁＝i₁-psf_1,0，W₂＝i₂-psf_2,0。将上式简记为矩阵形式：

其中，H即为图像-像差矩阵。

由(10)式可知，焦平面上及已知离焦面上的光斑图像与波前像差存在线性关系。由(2)式可知，波前像差与波前校正器的驱动电压亦存在线性关系，由此可直接得到远场光斑图像和变形镜驱动电压的线性关系模型：

其中，表示对矩阵求伪逆。

记则上式可最终记为：

其中，D即为构建的图像-电压矩阵。

由此可知，通过系统采集的焦面和离焦面像斑，基于构建的远场图像和变形镜校正电压的解析关系模型，可直接求得对应的控制电压，通过驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生去除波前畸变的补偿量，从而实现对畸变波前的实时补偿。以上即是本实用新型的核心技术，也是本系统的理论基础。

本实用新型的有益效果是：

(1)相比于传统基于波前传感器的自适应光学系统，本实用新型不需要波前传感器件，仅利用成像器件就可以完成自适应光学系统的像差校正，降低了系统复杂度，提高了系统光能利用率，适用于常规自适应光学技术受限的领域。

(2)相比于目前无模型优化的无波前探测自适应光学系统，本实用新型通过直接构建远场光斑图像和波前校正器驱动电压的线性关系模型，突破了无模型优化收敛速度慢的技术缺陷，能实现波前像差的实时校正。

(3)相比于目前基于模型优化的无波前探测自适应光学系统，本实用新型通过远场光斑的图像信息来校正像差，不需要事先定义不同类型的基函数或建立表征系统输入输出模型的非线性方程，便于实际应用。

(4)与基于线性相位反演复原技术的自适应光学系统相比，本实用新型通过采集焦面及离焦面图像来求解波前像差，不需要用一个理想的参考平面波光源对成像传感器进行标定获取基准图像，实现手段较简单。

总之，本实用新型所述的自适应光学系统既能用于常规自适应光学技术受限的领域，又能规避当前无波前探测自适应光学系统收敛速度慢、实现手段复杂的缺点。具有结构简单、光能利用率高，收敛速度快、计算量小，非常适合用DSP

技术等快速实现，实时性好，便于在自适应光学闭环系统上应用。

附图说明

图1为基于波前传感器的传统自适应光学系统的结构示意图。

图2为新型的无波前探测器的自适应光学系统的结构示意图。

图3为本实用新型的基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统的结构示意图。

图4为本实用新型的基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统的波前像差校正方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图3所示，基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统由成像系统1、线性相位差异算法模块2、波前校正器驱动控制电路模块3及变形镜4构成，其中成像系统1由分光棱镜5、成像透镜一6、成像透镜二7、CCD相机一8和CCD相机二9构成，分别对光斑进行合焦及离焦曝光。在该自适应光学系统工作时，待校正波前像差经过变形镜4补偿后的残余波前入射到分光棱镜5上，经分光棱镜5分为两束光线，分别由成像透镜一6、成像透镜二7将其汇聚在对应的CCD相机一8和CCD相机二9上，从而得到焦面和离焦面模糊像斑；将采集的图像信息作为已知输入量，利用线性相位差异算法模块2，直接求得对应的控制电压，通过波前校正器驱动控制电路模块3施加到变形镜4上，使变形镜4产生去除波前畸变的补偿量，然后再利用成像系统1采集校正后系统对应的焦面及离焦面图像，再次计算此时对应的校正电压并驱动变形镜实时校正波前，如此反复迭代，直至波前误差得到完全校正，获得理想的成像效果。

如图4所示，本实用新型的基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统波前像差校正方法，该方法的条件和步骤如下：

步骤一：基于变形镜4的影响函数，构建波前像差与施加电压的关系模型，即有：

ΔΦ＝S·Δu (2)

其中，Δu表示驱动电压矩阵，S表示变形镜的驱动影响函数矩阵，ΔΦ表示像差变化矩阵。

步骤二：将变形镜4的初始驱动校正电压矩阵u₀＝{u₁,u₂,...u_n}设置为0，由其工作原理可知，此时对应初始像差也为0。

步骤三：依据泰勒展开原理，将系统点扩散函数进行线性展开，即有：

psf(α)＝psf₀+psf₁·α+O||α||² (5)

其中，O||α||²二阶拉格朗日余项。再分别求出焦面处及离焦面处的点扩散函数在驱动电压矩阵为0时的对应值及其一阶导数值作为已知矩阵保存；

步骤四：由成像系统1的焦面CCD相机一8及离焦面CCD相机二9实时采集经过大气湍流后的畸变像斑i₁和i₂。

步骤五：利用实际采集光斑与步骤三中线性近似后的光斑之间的差异构建评价函数：

其中，i₁、i₂分别为采集到的焦面及离焦面光斑图像，psf₁、psf₂为线性近似后的光斑，为引入的Tikhonov正则化参数项；

通过求目标函数最小值，基于最小二乘原理，并结合步骤一中的公式(2)，可直接求出当次变形镜4对应的驱动控制电压：

其中，为成像系统1实时采集的光斑图像，D为线性相位差异算法模块2构建的图像-电压矩阵，Δu即为求解的驱动校正电压；

步骤六：根据求出的校正电压值驱动变形镜4产生补偿波前u(r)对原始波前进行实时校正，校正后的残余波前为再重复步骤四，即通过成像系统1实时采集此次校正后的焦面及离焦面光斑图像，作为新的远场图像，重复步骤五，求出新的校正电压驱动变形镜4反复进行像差校正，直至求出的驱动电压趋近于零，表示此时像差已实现完全闭环校正，取得理想的成像效果。

Claims (1)

1.基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统，其特征是，其由成像系统(1)、线性相位差异算法模块(2)、波前校正器驱动控制电路模块(3)及变形镜(4)构成；其中成像系统(1)由分光棱镜(5)、成像透镜一(6)、成像透镜二(7)、CCD相机一(8)和CCD相机二(9)构成；

待校正波前像差经过变形镜(4)补偿后的残余波前入射到分光棱镜(5)上，经分光棱镜(5)分为两束光线，分别由成像透镜一(6)和成像透镜二(7)将其会聚至对应的CCD相机一(8)和CCD相机二(9)上，得到焦面和离焦面模糊像斑；

将采集的上述图像信息作为已知输入量，传输给线性相位差异算法模块(2)直接求得对应的驱动控制电压；

线性相位差异算法模块(2)与波前校正器驱动控制电路模块(3)连接，波前校正器驱动控制电路模块(3)将驱动控制电压施加到变形镜(4)上，使变形镜(4)产生去除波前畸变的补偿量。