基于运动估计的自适应光学系统预测校正与图像配准技术研究
发布时间：2021-08-30 02:53
自适应光学（Adaptive Optics,AO）系统利用波前传感器测量波前畸变,通过控制器计算控制信号,波前校正器根据控制信号产生校正面形对波前畸变进行补偿。自适应光学技术在天文成像,眼科成像等领域均获得了广泛的应用。天文成像AO系统中,在大气冻结湍流假设下,大气冻结湍流在大气横向风驱动下运动。系统中的时间延迟导致波前校正器生成的校正面形与实际的被校正畸变存在时域的不匹配,造成校正滞后误差。视网膜成像AO系统成像期间,眼球并不能被完全固定,成像期间的下意识眼球运动将导致成像结果间的相对运动变形以及成像结果中的运动伪影。本文将围绕基于运动估计的自适应光学系统的预测控制和图像配准技术展开。针对天文成像AO系统中的校正滞后误差,提出了大气横向风估计预测控制技术。针对视网膜自适应光学相干层析（Adaptive Optics Optical Coherence Tomography,AO-OCT）系统中的下意识眼球运动伪影,提出了AO-OCT视网膜图像运动伪影校正技术。主要研究内容分为五个部分:第一部分,设计了Shack-Hartmann波前传感器（Shack-Hartmann Wavefro...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四棱锥波前传感器原理图[23]
第1章绪论3图1.3四棱锥波前传感器原理图[23]Figure1.3Principleofpyramidwavefrontsensor[23]曲率波前传感器[24,25]的工作原理如图1.4所示。不同于Shack-Hartmann测量光斑的位置偏移量，曲率波前传感器测量焦平面两侧的强度。波前存在相位曲率时，会使得焦斑沿着光轴移动，通过测量两个位置的相对强度可以推导出波前曲率[3]。图1.4曲率波前传感器原理图[3]Figure1.4Principleofcurvaturewavefrontsensor[3]近年来随着人工智能技术的发展，出现了采用深度学习技术[26,27]的波前测量方法[28,29]。基于图像的波前测量方法使用参数化物理模型和非线性优化来计算点扩散函数（Point-spreadFunction，PSF）以匹配测量的PSF，其优势在于不需要额外的光学元件。罗彻斯特大学的Paine和Fienup采用Inceptionv3网络[30]的架构用于从PSF图像中预测Zernike系数[28]，如图1.5所示。
基于运动估计的自适应光学系统预测控制与图像配准技术研究4图1.5Zernike系数预测的网络架构[28]Figure1.5ArchitectureusedtopredictZernikecoefficients[28]该网络的输入是生成的PSF图像，如图1.6所示。网络的输出是预测的Zernike系数，损失函数是预测Zernike系数与实际Zernike系数的均方根误差。图1.6训练卷积神经网络的输入PSFs例子[28]Figure1.6ExampleofinputPSFsusedtotrainCNN[28]1.1.3波前复原波前复原是指从波前传感器的测量结果重建波前的过程。常见的有区域波前复原法，模式波前复原法和直接斜率波前复原法。区域波前复原法是建立波前传感器测量数据与相位矢量间的关系，包括常见的三种模型：Hudgin模型[31]、Fried模型[32]和Southwell模型[33]。模式波前复原法是先将波前在一组正交多项式上进行分解，常见的是Zernike模式[34]，Karhunen-Loève模式[35]，得到能够代表波前的多项式系数。然后建立波前传感器测量数据与多项式系数间的关系。直接斜率波前复原法是直接建立波前传感器测量数据与变形镜的驱动器控制电压之间的关系[36,37]。直接斜率法是实际系统中广泛采用的方法。下面以统一的形式描述区域波前复原法，模式波前复原法和直接斜率波前复原法。假设波前传感器的测量结果是矢量S，对于Shack-Hartmann波前传感器是
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模及逆补偿控制[J]. 刘鑫,李新阳,杜睿. 光电工程. 2019(08)
[2]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[3]大口径压电倾斜镜模型辨识与控制[J]. 黄林海,凡木文,周睿,张浩田,黄奎,胡诗杰,罗曦,李新阳. 光电工程. 2018(03)
[4]冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能[J]. 李正汉,李新阳. 光学精密工程. 2018(03)
[5]稳健控制在自适应光学系统中的应用[J]. 宋定安,李新阳,彭真明. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[6]抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制[J]. 凡木文,黄林海,李梅,饶长辉. 物理学报. 2016(02)
[7]自适应光学闭环系统实时多路自适应控制算法[J]. 颜召军,李新阳,饶长辉. 光学学报. 2013(03)
[8]自适应光学系统变形镜控制电压预测[J]. 史晓雨,冯勇,陈颖,谭治英,李新阳. 强激光与粒子束. 2012(06)
[9]液晶自适应光学的研究进展[J]. 曹召良,李小平,宣丽,穆全全,胡立发,彭增辉,刘永刚,姚丽双. 中国光学. 2012(01)
[10]超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统[J]. 卢婧,李昊,何毅,史国华,张雨东. 物理学报. 2011(03)
博士论文
[1]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[D]. 李旭旭.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[2]自适应光学系统中鲁棒控制技术研究[D]. 宋定安.电子科技大学 2018
[3]自适应光学优化控制技术研究[D]. 罗奇.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[4]基于压电变形镜的自适应光学系统鲁棒控制研究[D]. 赵欣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[5]自适应光学系统波前复原及波前控制优化技术研究[D]. 郭友明.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
硕士论文
[1]模拟大气湍流装置畸变波前时空特性的测量与分析[D]. 谭涛.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
本文编号：3371915
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四棱锥波前传感器原理图[23]
第1章绪论3图1.3四棱锥波前传感器原理图[23]Figure1.3Principleofpyramidwavefrontsensor[23]曲率波前传感器[24,25]的工作原理如图1.4所示。不同于Shack-Hartmann测量光斑的位置偏移量，曲率波前传感器测量焦平面两侧的强度。波前存在相位曲率时，会使得焦斑沿着光轴移动，通过测量两个位置的相对强度可以推导出波前曲率[3]。图1.4曲率波前传感器原理图[3]Figure1.4Principleofcurvaturewavefrontsensor[3]近年来随着人工智能技术的发展，出现了采用深度学习技术[26,27]的波前测量方法[28,29]。基于图像的波前测量方法使用参数化物理模型和非线性优化来计算点扩散函数（Point-spreadFunction，PSF）以匹配测量的PSF，其优势在于不需要额外的光学元件。罗彻斯特大学的Paine和Fienup采用Inceptionv3网络[30]的架构用于从PSF图像中预测Zernike系数[28]，如图1.5所示。
基于运动估计的自适应光学系统预测控制与图像配准技术研究4图1.5Zernike系数预测的网络架构[28]Figure1.5ArchitectureusedtopredictZernikecoefficients[28]该网络的输入是生成的PSF图像，如图1.6所示。网络的输出是预测的Zernike系数，损失函数是预测Zernike系数与实际Zernike系数的均方根误差。图1.6训练卷积神经网络的输入PSFs例子[28]Figure1.6ExampleofinputPSFsusedtotrainCNN[28]1.1.3波前复原波前复原是指从波前传感器的测量结果重建波前的过程。常见的有区域波前复原法，模式波前复原法和直接斜率波前复原法。区域波前复原法是建立波前传感器测量数据与相位矢量间的关系，包括常见的三种模型：Hudgin模型[31]、Fried模型[32]和Southwell模型[33]。模式波前复原法是先将波前在一组正交多项式上进行分解，常见的是Zernike模式[34]，Karhunen-Loève模式[35]，得到能够代表波前的多项式系数。然后建立波前传感器测量数据与多项式系数间的关系。直接斜率波前复原法是直接建立波前传感器测量数据与变形镜的驱动器控制电压之间的关系[36,37]。直接斜率法是实际系统中广泛采用的方法。下面以统一的形式描述区域波前复原法，模式波前复原法和直接斜率波前复原法。假设波前传感器的测量结果是矢量S，对于Shack-Hartmann波前传感器是
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模及逆补偿控制[J]. 刘鑫,李新阳,杜睿. 光电工程. 2019(08)
[2]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[3]大口径压电倾斜镜模型辨识与控制[J]. 黄林海,凡木文,周睿,张浩田,黄奎,胡诗杰,罗曦,李新阳. 光电工程. 2018(03)
[4]冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能[J]. 李正汉,李新阳. 光学精密工程. 2018(03)
[5]稳健控制在自适应光学系统中的应用[J]. 宋定安,李新阳,彭真明. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[6]抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制[J]. 凡木文,黄林海,李梅,饶长辉. 物理学报. 2016(02)
[7]自适应光学闭环系统实时多路自适应控制算法[J]. 颜召军,李新阳,饶长辉. 光学学报. 2013(03)
[8]自适应光学系统变形镜控制电压预测[J]. 史晓雨,冯勇,陈颖,谭治英,李新阳. 强激光与粒子束. 2012(06)
[9]液晶自适应光学的研究进展[J]. 曹召良,李小平,宣丽,穆全全,胡立发,彭增辉,刘永刚,姚丽双. 中国光学. 2012(01)
[10]超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统[J]. 卢婧,李昊,何毅,史国华,张雨东. 物理学报. 2011(03)
博士论文
[1]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[D]. 李旭旭.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[2]自适应光学系统中鲁棒控制技术研究[D]. 宋定安.电子科技大学 2018
[3]自适应光学优化控制技术研究[D]. 罗奇.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[4]基于压电变形镜的自适应光学系统鲁棒控制研究[D]. 赵欣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[5]自适应光学系统波前复原及波前控制优化技术研究[D]. 郭友明.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
硕士论文
[1]模拟大气湍流装置畸变波前时空特性的测量与分析[D]. 谭涛.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
本文编号：3371915
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3371915.html
