提高哈特曼波前探测器动态性能的研究

发布时间：2018-05-16 21:49

  本文选题：哈特曼波前探测器 + EMCCD　； 参考：《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》2017年博士论文

【摘要】：哈特曼波前探测器是一种高效的波前位相检测器件,被广泛应用于光学检测,自适应光学成像领域中。不同的应用场合对哈特曼波前探测器提出不同的要求,尤其是在人造卫星的自适应光学跟踪成像或地面附近扩展目标的高分辨率成像系统中需要实时探测大气湍流干扰而产生的波前畸变,而前者目标亮度会剧烈变化或者大气相干长度小于哈特曼波前探测器的子孔径使探测出错,后者目标会超过波前探测所限定的等晕角而难以重构波前。为了提高哈特曼波前探测器的动态性能,以满足上述应用要求开展了如下研究内容。1)针对亮度变化剧烈的弱目标的哈特曼波前探测技术研究。首先选用电子倍增CCD(EMCCD)应用于哈特曼波前探测器,通过设置适宜的电子倍增增益,增强信号,抑制读出噪声,提高探测灵敏度及信噪比。但是当目标亮度发生快速且大幅度变化时,设置固定增益已不再能满足要求,因此设计了EMCCD电子倍增增益的自动控制方法。由于大气湍流及光子噪声的影响,哈特曼波前探测器输出点斑阵列的亮度剧烈抖动,寻找稳定的监测信号成为增益自动控制的关键问题。实验中发现点斑阵列中每个点斑的最大亮度值相对于阵列的平均值是个足够稳定的量,可以准确反映目标的亮度变化。同时一帧点斑最大亮度的平均值满足CCD曝光方程,与目标亮度和增益均呈线性关系。实验还确定了增益控制的亮度目标值,利用亮度目标值与当前帧点斑最大亮度的平均值计算下一帧所需的增益值。实验结果表明,自动增益控制方法简单高效,使得波前探测信噪比保持在对应目标亮度的最高值,同时确保观测过程中不会出现饱和亮度保护而使增益回归为1的光斑骤减问题。2)增加哈特曼探测器子孔径内探测信息的方法研究。传统哈特曼波前探测器的子孔径光束均能近似为以不同倾角入射的平行光束,光束通过微透镜阵列后聚焦在ccd上,经过解算聚焦光斑的质心位置重构出整体波前。因此无论望远镜的口径多大,哈特曼波前探测器的子孔径应小于或等于大气相干长度r0~10cm,导致每个子孔径内收集的光能量很低,限制了探测灵敏度及探测极限星等。为提高哈特曼探测器的极限探测星等,将子孔径大小设计为15cm,大于一般观测站址的r0,子孔径内产生前5阶模式;为求出子孔径内波前的前5阶模式,将ccd相机置于微透镜阵列的离焦平面,子窗口设置4×4或6×6个ccd像素,利用phasediversity(pd)算法求解子孔径畸变波前,求解z2,z3的波前rms值的线性范围为3.0rad,z4,z5和z6为2.0rad,子孔径畸变波前求解误差小于0.01rad2,精度足够高。相对传统哈特曼探测器,整体波前重构所用模式数增加,重构精度提高,所需子孔径数减少为原来的一半,ccd信号处理时间减少。3)针对扩展目标的哈特曼波前探测方法研究。其关键问题是求解子孔径内扩展目标图像的偏移量,图像偏移量确定后波前重构的方法与传统方法相同。选用相关算法求取每个子孔径内图像与所选参考图像的相关函数,利用相关最大值对应的像素作为子孔径内图像的核心,再以核心像素为原点,取其x轴和y轴上相邻两像素的相关函数值分别进行抛物线插值,计算x,y两方向的极大值坐标即为该扩展目标的质心。优化参数,将子孔径窗口设置为32×32个像素、微透镜的爱里斑占2×2个像素,使用快速傅里叶变换(fft)进行相关运算,使得探测精度及处理速度满足要求。同时使用了亮度变换方法,降低图像细节变化对质心计算精度的影响。4)相关算法求解质心的方法在低信噪比点目标条件下的应用。对于低信噪比的暗弱点目标,在湍流干扰较强时难以在哈特曼波前探测器中呈现对称性良好的光斑,造成传统算法的质心计算误差,此时采用相关算法求解子孔径质心仍能保持较高的波前重构精度。实验中采用相关算法对5.5星等的弱光目标进行自适应光学校正成像,获得了优于质心算法的校正成像效果,同时编写了多cpu并行计算程序,满足了实时探测要求。综上,针对亮度剧烈变化的空间轨道目标提出了增益自动控制的高信噪比波前探测方法、针对传统哈特曼探测器子孔径受限于r0提出了子孔径内多项模式的求解算法、针对扩展目标探测使用了相关算法求解质心,使得哈特曼波前探测器的动态性能得以提高,拓展了哈特曼波前探测器的应用范围。
[Abstract]:In order to improve the dynamic performance of hartman wave front detector , it is found that the maximum brightness value of the wavefront detector is less than or equal to the average value of the target brightness . In this paper , the relative function values of two adjacent pixels in the sub - aperture are solved by using the correlation algorithm .
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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本文编号：1898560