低信噪比下点源目标哈特曼传感器的子光斑定位算法研究

发布时间：2020-06-02 09:02

【摘要】：随着地基天文望远镜系统的发展,采用自适应光学原理主动校正大气湍流带来的影响,已经成为提高望远镜分辨率的必要手段。自适应光学系统通过实时探测畸变的波前相位,并对其施加一定的补偿来提高成像质量。哈特曼传感器作为波前探测领域应用最为广泛的传感器,采用微透镜阵列对波面进行采样,计算局部波前斜率,从而实现波面重建,达到波前探测的目的。光斑定位(偏移量的估计)是斜率计算的首要步骤,其性能直接影响着波前探测的准确性。然而,探测器件的随机噪声和离散采样,不可避免地会对光斑偏移估计带来误差,降低斜率测量的准确度。例如基于钠信标的波前探测情况下,图像的信噪比极低,带来极大技术挑战。因此,本文的研究目的就是寻求适合低信噪比下点源目标哈特曼传感器的子光斑定位算法。本文首先从探测器件入手,分析了哈特曼传感器光斑的噪声模型和信号模型,为算法的性能仿真提供了必要条件。由于偏移量估计误差会随着信号的减弱或噪声的增大而增大,为了便于描述估计误差与信噪比的关系,本文建立了一套子孔径内点源目标的信噪比估计理论,并从理论信噪比和实际估计信噪比两方面进行了阐述。其次,本文对现有的多种光斑定位算法进行了较为全面的梳理,从原理上将算法分为三大类,分别为:基于传统质心法的改进算法、基于泰勒微分展开的算法和基于配准的算法。并且逐一进行了原理性介绍和性能分析,包括稳定性、线性度和动态范围等。分析了阈值选取对于传统质心法的影响,提出了在低信噪比下阈值应取得相对保守的观点。并提出了一种基于子孔径的局部自适应阈值分割方法,能够消除子孔径间差异,从而更加有效地分割出光斑。接着,本文重点开展了对空域配准算法的研究。首先,从参考选取的角度,对比分析了参考光斑的幅度和等效高斯宽度对四种主流准则函数(包括绝对差分函数、绝对差分平方函数、最小均方误差函数和互相关函数)性能的影响。发现,互相关函数对于点源目标来说是性能最优的准则函数,其稳定性和抗噪性均较好,更加适合用于低信噪比下的子光斑定位。其次,本文对比了几种亚像素插值方法在不同信噪比下的表现,包括等角线插值、抛物线插值和高斯插值。发现,不同的准则函数有各自适合的亚像素插值方法。对于互相关函数来说,高斯插值法对高信噪比的光斑定位精度有较大改善,而在低信噪比下,高斯插值法的优势并不明显,抛物线插值是更好的选择。鉴于互相关函数较好的单峰特性,本文还提出了结合快速搜索的互相关函数法,可以有效降低传统互相关函数法的运算量。诸如三步搜索、二维对数搜索、交叉搜索和正交搜索等快速搜索策略,通过事先设计的搜索步骤,可以将求取像素级偏移量的运算量降低80%以上。本文还通过仿真实验,验证了极低信噪比下快速搜索策略的有效性。最后,本文设计了一套哈特曼传感器相差测量实验,用于算法性能的验证。实验中通过调节光源的光功率、相机的曝光时间和在光路中添加衰减片三种途径调节哈特曼传感器采集到的光斑强度,同时获得了高信噪比、中等信噪比和低信噪比下的光斑图。通过对实验数据的分析,本文首先验证了靶面上的噪声分布情况及噪声统计特性,接着本文验证了局部自适应阈值选取方法的效果。综合实时性、抗噪性及动态范围,本文选取灰度加权质心法和互相关算法进行低信噪比下的点源光斑定位,在实验中进行了性能验证。实验结果表明,灰度加权质心法比传统质心法的精度有所改善。然而随着信噪比的降低,光斑与噪声的界限逐渐模糊,最佳阈值的选取也得变得更加困难,而基于质心法改进的算法对最佳阈值的选取较为敏感。相比之下,互相关函数法对均匀背景较不敏感,对阈值的要求不严格,在低信噪比下表现较好。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH751;TP212

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