一种高对比度成像波前检测及校正方法及系统

本发明属于高对比度成像领域，具体涉及一种基于混合编程架构的高对比度成像波前检测及校正方法及系统。

背景技术：

1、太阳系外行星探测是当今天文学研究的重点之一，随着天文技术的不断发展，人类对于系外行星的观测能力得到了显著提升，从而使我们能够获取更多关于行星质量、大小、组成成分等方面的信息，尤其是直接成像法的引入，令对系外行星进行光谱分析成为可能。系外行星直接成像的关键在于实现高对比度，为了在可见光波段围绕类太阳光谱型恒星宜居带内的类地行星进行探测，成像对比度需要达到10-10，为了实现这一高对比度，需要使用星冕仪来有效抑制主星的衍射光，以获得超高对比度成像区域，而波前检测及校正技术是实现高对比度成像的关键。

2、地基自适应光学通常基于纯cpu运算设计的算法成熟稳定，可以实现高性能的波前处理，但受限于航天用cpu的性能，空间波前检测算法需要采用fpga作为波前检测计算的主要单元。因此需要一种基于fpga和cpu混合编程架构的高对比度成像波前检测及校正方法。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种高对比度成像波前检测及校正方法及系统，可以针对空间星冕仪实现高对比度成像波前检测及校正，解决航天用cpu性能不足的问题，进而实现对高对比度成像暗区的锁定，用于系外行星的直接成像探测。

2、技术方案：

3、一种高对比度成像波前检测及校正方法，使用fpga和cpu混合编程架构实现高精度的高对比度成像波前检测及校正，在闭环校正中实现对高对比度成像暗区的锁定，其中，在fpga中完成高精度的波前斜率计算，在cpu中实现子孔径图像划分和波前复原计算，并输出电压控制可变形镜校正波前像差。

4、进一步的，所述高对比度成像波前检测及校正方法包括如下步骤：

5、第一步，波前传感器在波前处理的过程中作为数据源，将图像发送到计算机中，进行波前定标；

6、第二步，根据波前定标结果，获得参考子孔径坐标、质心数据以及波前复原矩阵；

7、第三步，使用波前传感器采集实时波前图像；

8、第四步，在cpu中根据波前定标获得的子孔径坐标划分子孔径图像，cpu和fpga进行数据交换，传输划分后的波前图像数据；

9、第五步，在fpga中实时计算当前的子孔径质心，读取初始化过程中已存入到存储器当中的参考子孔径质心数据，进行波前斜率计算，波前斜率计算结果传回cpu；

10、第六步，进行波前复原计算，即在cpu中将第五步获得的波前斜率和第二步获得的波前复原矩阵相乘获得波前校正电压数据；

11、第七步，将驱动电压控制量打包并连接可变形镜控制箱，发送电压数据到可变形镜，驱动可变形镜的促动器校正波前误差，完成自适应光学系统校正的一次迭代；

12、第八步，根据观测需求判断是否需要继续对高对比度成像暗区进行锁定观测，如果需要继续观测，重复第三步到第七步持续校正波前像差，直至观测结束。

13、进一步的，所述波前斜率计算表示如下：

14、

15、

16、式中：ii,j是子孔径内坐标为(xi,yj)处的像素灰度值，(xspot,yspot)是波前像差还未校正时的实际质心坐标，(xref,yref)是理想波前质心坐标；由实际质心坐标与理想波前质心坐标的偏差，得到二维波前斜率信息(δxi,δyj)。

17、进一步的，所述波前复原计算表示如下：

18、

19、该式可简化为：

20、e＝d·g#

21、其中：d是波前复原矩阵，g是斜率向量，e是复原电压向量，n为自适应光学系统的有效子孔径数，m为可变形镜的驱动单元数。

22、进一步的，所述高精度由fpga质心计算时定点数的小数步长决定。

23、一种高对比度成像波前检测及校正系统，包括依次分布的激光光源、第一准直镜、ttm镜、可变形镜、分束镜，光束由分束镜透射进入科学成像光路，光束由分束镜反射进入波前检测光路，所述波前检测光路用于完成权利要求1所述的高对比度成像波前检测及校正方法。

24、进一步的，所述波前检测光路包括依次分布的第二成像透镜、第三成像透镜、微透镜阵列、波前传感器。

25、进一步的，所述科学成像光路包括依次分布的光瞳透过率调制器、第四成像透镜、焦面掩模板、第五成像透镜、成像相机。

26、有益效果：本发明采用混合编程架构进行高对比度成像波前检测及校正，实现高精度的波前检测及校正，解决航天用cpu性能不足的问题。进而实现空间星冕仪高对比度成像暗区的锁定，用于系外行星的直接成像探测。波前检测及校正后，可以保证高对比度成像暗区的能量稳定，完成暗区锁定。

技术特征：

1.一种高对比度成像波前检测及校正方法，其特征在于，使用fpga和cpu混合编程架构实现高精度的高对比度成像波前检测及校正，在闭环校正中实现对高对比度成像暗区的锁定，其中，在fpga中完成高精度的波前斜率计算，在cpu中实现子孔径图像划分和波前复原计算，并输出电压控制可变形镜校正波前像差。

2.根据权利要求1所述的一种高对比度成像波前检测及校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的一种高对比度成像波前检测及校正方法，其特征在于，所述波前斜率计算表示如下：

4.根据权利要求1或2所述的一种高对比度成像波前检测及校正方法，其特征在于，所述波前复原计算表示如下：

5.根据权利要求1所述的一种高对比度成像波前检测及校正方法，其特征在于，所述高精度由fpga质心计算时定点数的小数步长决定。

6.一种高对比度成像波前检测及校正系统，其特征在于，包括依次分布的激光光源、第一准直镜、ttm镜、可变形镜、分束镜、科学成像光路、波前检测光路，光束由分束镜透射进入科学成像光路，光束由分束镜反射进入波前检测光路，所述波前检测光路用于完成权利要求1所述的高对比度成像波前检测及校正方法。

7.根据权利要求6所述的一种高对比度成像波前检测及校正系统，其特征在于，所述波前检测光路包括依次分布的第二成像透镜、第三成像透镜、微透镜阵列、波前传感器。

8.根据权利要求6所述的一种高对比度成像波前检测及校正系统，其特征在于，所述科学成像光路包括依次分布的光瞳透过率调制器、第四成像透镜、焦面掩模板、第五成像透镜、成像相机。

技术总结
本发明公开了一种高对比度成像波前检测及校正方法及系统，该方法使用FPGA和CPU混合编程架构实现高精度的高对比度成像波前检测及校正，在闭环校正中实现对高对比度成像暗区的锁定，其中，在FPGA中完成高精度的波前斜率计算，在CPU中实现子孔径图像划分和波前复原计算，并输出电压控制可变形镜校正波前像差。本发明采用混合编程架构进行高对比度成像波前检测及校正，实现高精度的波前检测及校正，解决航天用CPU性能不足的问题，进而实现空间星冕仪高对比度成像暗区的锁定，用于系外行星的直接成像探测。波前检测及校正后，可以保证高对比度成像暗区的能量稳定，完成暗区锁定。

技术研发人员：张熙,陈曌瑜,王钢
受保护的技术使用者：中国科学院南京天文光学技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19