用于相关哈特曼-夏克波前传感器的在轨零位标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种用于相关哈特曼-夏克波前传感器 的在轨零位标定方法。
【背景技术】
[0002] 基于点目标的哈特曼-夏克波前传感器已经在天文自适应光学等领域得到了广泛 应用。它具有结构紧凑，性能稳定，光能利用率高，适于实时波前探测等优点。但在有些应用 场合，被观测目标不是点目标而是扩展目标，例如观测太阳的天文望远镜，对地面景物进行 观测的空间光学遥感器等，这时需要采用基于扩展目标的哈特曼夏克波前传感器测量波前 误差。
[0003] 无论扩展目标哈特曼-夏克波前传感器还是点目标哈特曼-夏克波前传感器，由于 各子透镜光轴位置不理想等原因，都需要用参考波前对其进行零位标定。对于点目标哈特 曼-夏克波前传感器，求取波前畸变引起的光斑偏移，需要知道在入射光波没有畸变时每个 光斑的准确位置。类似地，对于扩展目标哈特曼-夏克波前传感器，求取波前畸变引起的子 图像间的相对平移，需要知道在没有波前畸变时子图像间的相对位置差，该相对位置差需 要引入参考平面波进行测定。
[0004] -般获取参考平面波的方法是在光轴上放置一个被照明的针孔(微米级），由针孔 发出光可以近似为理想的球面波，球面波被透镜准直后即为参考平面波。对于扩展目标哈 特曼夏克波前传感器，在完成零位标定后需要将针孔移出光路并在原针孔位置处放入视场 光阑，视场光阑的中心也同样位于光轴上，即需要进行针孔和视场光阑之间的切换。切换机 构一般采用精密的步进电机实现针孔和视场光阑的准确定位。但切换机构的引入会增加系 统的成本和复杂性，降低系统的可靠性。空间光学遥感器对系统的体积、重量和功耗都有严 格限制，对可靠性也要求极高，因此不能采用传统基于切换机构的标定方法。
[0005] 图1为现有的切换装置，方形的视场光阑可以限制子孔径图像的大小，针孔用于标 定扩展目标哈特曼-夏克波前传感器的零位。该切换装置一般通过精密的步进电机实现针 孔或视场光阑的准确定位。标定时将针孔置于光轴上，针孔发出的光被准直后形成参考平 面波作为标定光束，标定光束在探测器上形成的图像即参考波前图像(光斑阵列）。在进行 波前传感时将针孔切换为方形视场光阑，光阑中心位于光轴上，对扩展目标进行观测时在 探测器上形成被测波前图像。由于被测波前图像中心与参考波前图像光斑质心之间的位置 偏移量直接反映了子孔径内波前斜率的大小，由此可以重构出全孔径内波前误差分布。
[0006] 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情 况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电 机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单。利用步进电机实现针孔和视场光阑的切换在地面实验装置中是可行 的，但步进电机包含有运动部件，在空间遥感器上使用时对卫星平台的稳定有不利影响，可 靠性也不满足要求。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种用于相关哈特曼-夏克波前传感器的在轨零位标定 方法，省去了传统零位标定过程中使用的切换机构，避免了切换过程可能引入的定位误差。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0009] -种用于相关哈特曼-夏克波前传感器的在轨零位标定方法，所述传感器沿光轴 方向依次包括视场光阑、中继透镜、阵列透镜以及成像探测器，其中的视场光阑位于基板的 几何中心，光轴通过视场光阑的中心;视场光阑附近的基板上设置有两个相对所述几何中 心对称分布的针孔;两个所述针孔上均设置有发光二极管，所述标定方法具体包括如下步 骤：
[0010]步骤1、打开其中一个发光二极管，照明所在的针孔，发光二极管（的光被针孔衍射 产生理想球面波，该球面波经过中继透镜后变为平面波，平面波经过阵列透镜在成像探测 器上成阵列光斑图像;记录并计算阵列光斑图像中的每一个像元光斑此时的质心位置；
[0011] 步骤2、打开另一个发光二极管，照明所在的针孔，在成像探测器上成阵列光斑图 像后，记录并计算每一个像元光斑此时的质心位置；
[0012] 步骤3、针对成像探测器上的任意像元光斑，根据步骤1得到的质心位置P1和步骤2 得到的质心位置P2,得到参考位置Ρ0:Ρ0=(Ρ1+Ρ2)/2;以此类推，得到所有像元光斑的参考 位置后，采用各像元光斑参考位置对各自的零位进行标定。
[0013] 所述针孔与视场光阑的中心越近越好。
[0014] 较佳的，像元光斑的质心位置(x，y)的计算方法为：
[0016]式中，i和j分别表示子图像的行和列标号，表示像元(i，j)的灰度。
[0017]较佳的，所述发光二极管(4)采用LED贴片。
[0018]本发明具有如下有益效果：
[0019] 本发明采用两个位于光轴外的针孔分别获得光斑质心偏差后，再获得相当于轴上 针孔的零位偏差，使用该零位偏差进行标定，该方法简单易行，还省去了传统零位标定过程 中使用的切换机构，避免了切换过程可能引入的定位误差，具有简单可靠的优点。
【附图说明】
[0020] 图1为现有的扩展目标哈特曼-夏克波前传感器的零位标的切换装置；
[0021] 图2为扩展目标哈特曼-夏克波前传感器原理图；
[0022] 图3为本发明的复合视场光阑的结构示意图的立体图；
[0023] 图4为本发明的复合视场光阑的结构示意图的侧视图。
[0024]其中，卜基板，2-视场光阑，3-针孔，4-发光二极管。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0026] 本发明提供一种用于扩展目标哈特曼-夏克波前传感器的零位标定方法。本发明 改进后的扩展目标哈特曼-