基于相位差算法的拼接镜共相误差探测与图像复原的研究

发布时间：2019-04-24 13:10

【摘要】：为追求更高的观测分辨能力,近年来望远镜向着长焦距、大口径的方向不断发展。目前大口径望远镜主要分为两类:单一主镜型望远镜和拼接主镜型望远镜。目前世界上已建成的直径大于4米的大口径望远镜约有30余台。而以现有的技术水平,建造口径达十米甚至几十米的单一主镜望远镜,无论从镜面材料制备、加工检测、支撑结构还是运输发射或造价方面,都存在极大挑战。拼接型望远镜的出现,极大地降低主镜质量、加工成本和制造周期,同时可以将各个子镜发射到指定轨道,进行在轨组装或展开,降低运输发射成本及难度。然而,采用多镜面拼接方法组成的大口径望远镜也面临一系列技术挑战,其中最为困难的是组成大口径主镜的各子镜之间共相误差校正问题。研究人员认为各拼接子镜镜面的共相位误差的RMS值需小于30nm,其拼接主镜才能达到等同口径单镜的光学性能。仅仅依靠传统的机械装调无法到达上述精度,有必要构建主动光学系统并应用到大口径拼接型望远镜的共相误差检测之中。本文根据拼接型大口径望远镜研制需求,围绕基于相位差(Phase Diversity)算法的共相误差探测及图像复原等关键问题展开研究,论文的主要研究工作如下:1.研究了拼接型大口径望远镜主动光学系统的主要任务,系统构成、波前传感流程及关键技术。为使拼接望远镜成像质量接近衍射极限水平,传统的机械装调已无法实现,必须建立主动光学系统。主动光学系统主要包括波前传感系统,位姿解算系统以及位姿调整系统。波前传感流程主要包括子镜粗共焦、子镜识别及搜索、粗共位相及精共位相。2.调研和对比了各种波前探测技术,最终确定使用相位差算法进行精共相误差的校正。为实现大范围、高精度的波前检测,波前传感系统采用分级检测、逐步收敛的策略。首先使用如shack-hartmann传感器、色散条纹仪等实现共相误差粗步校正。相位差算法具有精度高,同时适用于点源及扩展目标,既能测量连续像差,也能测量如共相误差类的不连续像差,及光路简单等优点,因此被用于拼接镜系统的精共位相调整。3.利用matlab完成了拼接镜望远镜系统光学模型的建立。利用相位差算法基本原理求取子镜共相误差系数时,对比了多种数值优化算法,如遗传算法,共轭梯度法,有限内存bfgs算法等。由于bfgs算法良好的数值效果和快速的收敛特性,选取bfgs算法实现共相误差系数的求解。4.传统bfgs算法只对凸函数具有全局收敛性,对于非凸的目标函数会陷入局部极值,导致波前探测的失败。对此提出了使用一种改进的bfgs算法,使其对于非凸目标函数也具有全局收敛性,保证针对不同观测目标在不同像差情况下搜索到全局最优解,从而求解出正确的波前误差系数。5.相位差算法为基于图像的波前探测方法,由ccd采集的图像不可避免地受到噪声的污染,如光子噪声、读出噪声,从而导致波前探测精度及图像恢复质量的下降。对此提出了一种有效的正则化参数估计策略,能有效提高算法的抗噪能力及图像恢复效果。6.分析了基于离焦模式的相位差波前探测技术在实际应用中可能存在的误差因素,包括焦面位置误差,离焦量误差,图像配准误差,曝光延时误差以及相机噪声误差等。提出了通过改进相位差算法本身的误差消除办法,在不加入其他辅助校正措施的基础上,能大幅度提高波前探测精度,为相位差波前探测技术在实际工程中的应用提供了重要的技术支持。7.针对传统相位差算法计算量大、复杂,容易陷入局部极值等缺点,提出了实时波前探测技术。通过一阶泰勒展开式将光学传递函数线性化,建立采集图像和波前像差直接的线性关系,利用最小二乘估计法求得原始波前像差,实现了对共相误差高精度实时测量。8.根据实验室项目进展的具体情况,设计了具体可行的实验方案,搭建光学实验平台,验证了算法的可行性和正确性。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：2016
【分类号】：TP391.41

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