一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学成像领域，涉及到一种扩展目标光学成像校正方法，特别是一种 不需要波前探测器的快速自适应光学校正方法。
【背景技术】
[0002] 大气湍流的动态扰动不仅使望远镜观测到的扩展目标不断抖动，而且还严重影响 扩展目标的成像质量。自适应光学技术是改善光学成像系统的分辨能力和激光系统的光束 质量的有力手段。常规自适应光学系统由波前探测器、波前控制器和波前校正器三个部分 组成，目前已成功应用于天文点目标成像等领域。但用于扩展目标成像时，常规自适应光学 技术实现起来非常困难。因为对于观察者来说，很少有场景能够提供类似于点目标应用中 那样的参考信息。如果没有这些信息，即使是通过一个非常薄的湍流相位屏也难以对扩展 目标成像进行识别并除去波前分量中所包含的相位畸变。波前探测问题成为将常规自适应 光学技术用于扩展目标成像校正的瓶颈。另外该类方法结构相对复杂，成本高昂。
[0003]
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的基于图像信息 的快速扩展目标成像校正方法，访方法改善扩展目标成像质量的波前校正方法，不需要波 前探测环节，可使系统收敛速度大大加快，收敛速度仅取决于系统中所使用的波前校正器 的单元数，完全适用于动态波前畸变的校正。
[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于 图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其特点是：首先测量波前校正器的各个驱动器的 影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成像信息，进行切趾运算；再将 波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应的扩展目标成像信息，完成 切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动信号放大施加到变形镜各驱 动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当前迭代；当算法满足迭代结 束条件时，畸变波前校正完成，从而实现基于图像信息的快速扩展目标成像校正。
[0006] 本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方 案是：该方法步骤如下：
[0007] (1)利用波前传感器，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计 算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵；
[0008] (2)采集待校正畸变波前对应的扩展目标成像，对采集到的图像信息进行切趾运 算；
[0009] (3)对波前校正器各个驱动器逐个施加单位控制信号，变形镜生成的影响函数面 形叠加到待校正畸变波前；逐个采集调制后的畸变波前对应的扩展目标成像信息，并逐个 撤销所添加的控制信号；
[0010] (4)对采集到的等于波前校正器单元数的扩展目标成像信息，逐个进行切趾运 算；
[0011] (5)利用步聚（2)和⑷中得到的图像信息计算待校正波前对应的波前校正器驱 动信号，并同时施加到变形镜各驱动器，使之变形，完成一次迭代；
[0012] (6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤（2)-(5)直到算法满足预 先设定的终止条件。
[0013] 本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方 案是：步骤（1)中，所述的波前传感器为哈特曼波前传感器或者干涉仪。
[0014] 本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方 案是：步骤（6)中，所述的预先设定的终止条件为一定的迭代次数或残余波前对应的远场 光斑光强之和大于一个阈值。
[0015] 本发明所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，进一步优选的技术方 案是：其具体步骤如下：
[0016] (1)利用波前测量设备，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数， 计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，其具体步骤如下：
[0017] A.给每一个驱动施加单位电压，用哈特曼或干涉仪测量其影响函数，记为 E1 (X，y)，即第i个驱动器的影响函数，如果变形镜有N个单元，则i的最大值为N ;
[0018] B.计算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵，记为S，S为一个NXN对称矩阵，依 据下式（1):
[0020] 计算矩阵S的每一个元素，其中I = I. . . N，k = I. . . N，D为积分区域；
[0021] C.根据得到的矩阵S，将其对角矩阵向量记为Sni，并计算其逆矩阵，记为S S
[0022] (2)采集待校正波前对应的扩展目标成像，记为I。'（u，v);为克服图像边缘像素 点的影响，使用Tukey窗函数对图像进行切趾运算I。'（u, V). *H(u, V)，得到IQ(u, V)，其中 H(u, V)为Tukey窗函数，.*为矩阵的点乘运算；依据下式（2)
[0023]
[0024] 计算掩模后的成像信息；1。(1!，V)对应的M记为M。；
[0025] (3)将变形镜生成的影响函数面形叠加到待校正畸变波前；采集调制后的畸变波 前对应的图像信息；N个驱动器逐个施加单位信号，采集卡逐个采集，可得到N个图像，分别 记为I' i，…，I' N;
[0026] (4)使用Tukey窗函数分别对图像Γ i，. . .，Γ N进行切趾运算得到I i，...，。再 依据式子2计算掩模后的成像信息，得到M1, ...，Mn;
[0027] (5)将M1，…，Mg M。做差运算，得到一 N维向量Q ;利用下式⑶：
[0029] 计算待校正波前对应的变形镜各控制器驱动信号，该驱动信号经高压放大器放大 施加到变形镜各驱动器，生成与待测波前方向相反的变形量，叠加到待校正波前，其中c。为 一小的常数，称之为调整系数；
[0030] (6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤（2)-(5)直到算法满足预 先设定的终止条件，如一定的迭代次数或残余波前对应的远场光斑光强之和大于一个阈 值。
[0031] 本发明的原理是：光学原理中扩展目标成像信息与待校正波前畸变有一定 的物理关系。记待校正波前为Φ(χ，7)，则这种物理关系在数学上可表现为波前畸 变的平均梯度平方值
与掩模后的成像信息
呈线性关系，即M-Mp= cG，其中Mp对应平面波，即无像差时扩展 目标成像信息对应的M值，D和讽为各自积分区域，c为一常数，这里的掩模指的是I u2+v21， 可用计算机软件实现。
[0032] 本发明与现有技术相比，有如下优点：
[0033] (1)常规自适应光学系统由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成。 本发明的波前校正方法不需要波前传感器测量波前，而是直接使用扩展目标成像信息，使 得整个系统的复杂性和成本大大降低；
[0034] (2)本发明直接从像平面图像计算控制信号，避免了通常自适应光学系统中波前 传感器和成像系统相互独立分光、浪费入射光能量的缺点，提高了光能利用率；
[0035] (3)现有的无波前探测自适应光学系统波前校正方法收敛速度缓慢，本发明和现 有技术相比收敛速度大大提高，一次迭代就可使系统收敛。对于N个单元的变形镜一次迭 代仅需N+1个扩展目标图像信息的采集，且系统收敛速度不会随着湍流的增加而改变，系 统的收敛速度仅与变形镜的单元数有关。
【附图说明】
[0036] 图1本发明改善扩展目标成像质量的快速波前校正方法示意图；
[0037] 图2本发明快速扩展目标成像波前校正方法应用于自适应光学系统的示意图。
[0038] 图3-5为本发明快速扩展目标成像校正方法的校正速度和校正效果示例图，其 中，图3为待校正波前的均方根值RMS变化曲线，图4为校正之前成像，图5为校正后成像。
【具体实施方式】
[0039] 以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进 一步地理解本发明。
[0040] 实施例1，参照图1，一种基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，首先测量 波前校正器的各个驱动器的影响函数；每一次迭代中，先采集待测波前对应的扩展目标成 像信息，进行切趾运算；再将波前校正器的影响函数面形逐个叠加待校正波前，并采集对应 的扩展目标成像信息，完成切趾运算；计算得到当前迭代次数的变形镜驱动信号；将驱动 信号放大施加到变形镜各驱动器，改变变形镜的表面形状，产生相应的相位补偿量，完成当 前迭代；当算法满足迭代结束条件时，畸变波前校正完成，从而实现基于图像信息的快速扩 展目标成像校正。
[0041] 实施例2,实施例1所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法，其步骤如 下：
[0042] (1)利用波前传感器，测量变形镜各个驱动器影响函数，依据测得的影响函数，计 算变形镜影响函数的平均梯度平方矩阵；
[0043] (2)采集待校正畸变波前对应的扩展目标成像，对采集到的图像信息进行切趾运 算；
[0044] (3)对波前校正器各个驱动器逐个施加单位控制信号，变形镜生成的影响函数面 形叠加到待校正畸变波前；逐个采集调制后的畸变波前对应的扩展目标成像信息，并逐个 撤销所添加的控制信号；
[0045] (4)对采集到的等于波前校正器单元数的扩展目标成像信息，逐个进行切趾运 算；
[0046] (5)利用步聚⑵和（4)中得到的图像信息计算待校正波前对应的波前校正器驱 动信号，并同时施加到变形镜各驱动器，使之变形，完成一次迭代；
[0047] (6)将校正之后的残余波前作为待校正波前，重复步骤（2)-(5)直到算法满足预 先设定的终止条件。
[0048] 实施例3,实施例2所述的基于图像信息的快速扩展目标成像校正方法的步骤（1) 中，所述的波前传感器为哈特曼波前传感器或者干涉仪。
[0049] 实施例4,实施例2所