基于LSTM的相位差异图像波前检测技术研究
发布时间：2021-11-07 22:42
基于焦面图像信息的波前传感方法硬件实现简单、波前测量精度高,在自适应光学、主动光学领域具有较好的应用前景。然而,当前基于焦面图像信息的相位恢复、相位差算法等迭代次数多、耗时久;并且,随着像差系数范围以及维度的增加,其陷入局部最优的概率大大增加,严重影响波前检测准确性,制约了基于图像焦面信息波前探测方法的应用。目前,深度学习已经模式识别、数据挖掘等领域得到广泛应用,其与传统相位恢复等迭代算法相比,具有计算速度快（无迭代过程）、准确性高（无局部最优问题）等潜在优点。然而,深度学习在基于图像信息的波前检测领域应用较少,需要对深度学习模型进入深入探索与研究,以提高深度学习方法在波前探测领域的精度与实用性。本文主要包含如下几部分研究内容:针对基于点目标图像信息的波前探测问题,本文分别提出了基于卷积神经网络与基于LSTM网络的深度学习模型,其能够利用具有固定相位差异的两幅PSF图像求解像差系数。仿真与实验结果表明,基于LSTM的神经网络具有较高精度与计算效率。针对基于任意目标图像信息的波前探测问题,本文首先提出一种特征图像提取方法,其利用具有相位差异的两幅图像频率域的特征提取,得到一幅与目标信息无...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
望远镜口径的发展
第1章绪论7图1.4主动光学系统示意图Figure1.4Thesketchmapofactiveoptics在主动光学技术中，依据大口径望远镜主镜的结构差异，又被分为：拼接镜面主动光学和薄镜面主动光学两类。虽然薄透镜面主动光学技术开启了主动光学技术的先河，但其发展受限于单块薄主镜的材料、加工和检测等的限制，导致目前最大口径只能做到9m。“拼接镜主动光学技术”从根本上解决了主镜口径受限的问题，为新一代大口径望远镜注入了新的生机，同时也带来巨大的挑战。(3)在天文观测领域自适应光学与主动光学的异同相同点：两者都是提高天文望远系统的成像质量；不同点：(a)应用范围不同自适应光学技术仅应用于地基天文望远镜，主动光学技术即应用于地基望远镜，又应用于空间望远镜。(b)针对对象差异自适应光学技术针对的是大气湍流(外界条件)对系统成像质量的影响；主动光学技术解决的是望远镜自身结构改变对成像质量的影响。(c)实时性自适应光学技术需要实时检测与处理；主动光学技术通常不需要实时处理对天文望远镜进行实时处理。
基于深度学习的相位差异图像波前检测技术研究81.2常用波前检测技术简介由上文可知，波前检测技术为主动光学与自适应光学关键技术之一，为成像质量校正提供输入。波前检测技术主要有剪切干涉仪(ShearingInterferometer)[17][18]、曲率传感器(CurvatureSensor)[19-21]、哈特曼-夏克波前传感器(Shack-HartmannSensor)[22][23]、相位恢复算法(PhaseRetrieval)[24-27]以及相位差算法(PhaseDiversity)[28-32]等。(1)剪切干涉仪剪切干涉仪的主要工作原理是将通过待测光学系统的含有像差的波前分成两个波面，这两个拆分后的波前相互分离，并在两个波面的交叠处产生干涉条纹，通过检测重叠部分的干涉来计算待测波前的像差。横向剪切干涉仪的检测原理图如图1.5所示，横向剪切干涉仪是一种最常见的剪切干涉仪。首先，激光器产生的平行光束通过具有汇聚光线作用的镜1，光束在空间滤波器2上汇聚并进而发散到待测镜面3上，空间滤波器处于待测物镜的交点处，通过待测物镜3后的平行光束照射在一个由微小楔角的平板4的平板上，并由平板的前后表面分别反射，前后表面分别反射的光线即被分裂的彼此交错的两个波面，这两个波面的重叠部分将形成干涉条纹，通过对干涉条纹进行计算处理即可得到待测物镜的波前信息。剪切干涉仪具有条纹稳定、抗干扰能力强的优点，但其光路复杂且对震动、温度等因素敏感。图1.5横向剪切干涉仪示意图Figure1.5Theprincipleofthelateralshearinginterferometer
【参考文献】：
期刊论文
[1]深度学习的研究进展与发展[J]. 史加荣,马媛媛. 计算机工程与应用. 2018(10)
[2]自然语言处理中的深度学习:方法及应用[J]. 林奕欧,雷航,李晓瑜,吴佳. 电子科技大学学报. 2017(06)
[3]深度学习框架下LSTM网络在短期电力负荷预测中的应用[J]. 陈亮,王震,王刚. 电力信息与通信技术. 2017(05)
[4]基于深度学习神经网络的孤立词语音识别的研究[J]. 王山海,景新幸,杨海燕. 计算机应用研究. 2015(08)
[5]地基大口径望远镜系统结构技术综述[J]. 张景旭. 中国光学. 2012(04)
[6]保守修正BFGS算法及全局收敛性[J]. 张继伟. 集美大学学报(自然科学版). 2010(03)
[7]光栅型波前曲率传感器原理和应用[J]. 姜宗福,习锋杰,许晓军,汪晓波,陆启生. 中国激光. 2010(01)
[8]相位变更方法发展简述[J]. 王欣,赵达尊,毛珩,王潇. 光学技术. 2009(03)
[9]一种改进的BFGS算法及其全局收敛性分析[J]. 王安平,马烁,赵天玉. 河北科技大学学报. 2009(01)
[10]基于牛顿迭代法的高精度快速开方算法[J]. 张小鸣,李永新. 电力自动化设备. 2008(03)
博士论文
[1]基于矢量像差理论的离轴反射系统失调校正研究[D]. 张晓彬.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]薄型主镜面形主动控制技术研究[D]. 戴晓霖.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[3]基于PD方法的空间相机位相信息反演技术研究[D]. 程强.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[4]波前曲率传感器特性与重构算法研究[D]. 黄盛炀.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]卷积神经网络在图像识别上的应用的研究[D]. 许可.浙江大学 2012
[2]基于径向剪切干涉波前检测技术的研究[D]. 解来运.哈尔滨工业大学 2011
[3]Phase diversity波前重构的研究及在高分辨图像复原中的应用[D]. 杨磊.中国科学院研究生院（云南天文台） 2007
[4]光栅型波前曲率传感器相位恢复算法研究[D]. 沈洪斌.国防科学技术大学 2005
本文编号：3482526
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
望远镜口径的发展
第1章绪论7图1.4主动光学系统示意图Figure1.4Thesketchmapofactiveoptics在主动光学技术中，依据大口径望远镜主镜的结构差异，又被分为：拼接镜面主动光学和薄镜面主动光学两类。虽然薄透镜面主动光学技术开启了主动光学技术的先河，但其发展受限于单块薄主镜的材料、加工和检测等的限制，导致目前最大口径只能做到9m。“拼接镜主动光学技术”从根本上解决了主镜口径受限的问题，为新一代大口径望远镜注入了新的生机，同时也带来巨大的挑战。(3)在天文观测领域自适应光学与主动光学的异同相同点：两者都是提高天文望远系统的成像质量；不同点：(a)应用范围不同自适应光学技术仅应用于地基天文望远镜，主动光学技术即应用于地基望远镜，又应用于空间望远镜。(b)针对对象差异自适应光学技术针对的是大气湍流(外界条件)对系统成像质量的影响；主动光学技术解决的是望远镜自身结构改变对成像质量的影响。(c)实时性自适应光学技术需要实时检测与处理；主动光学技术通常不需要实时处理对天文望远镜进行实时处理。
基于深度学习的相位差异图像波前检测技术研究81.2常用波前检测技术简介由上文可知，波前检测技术为主动光学与自适应光学关键技术之一，为成像质量校正提供输入。波前检测技术主要有剪切干涉仪(ShearingInterferometer)[17][18]、曲率传感器(CurvatureSensor)[19-21]、哈特曼-夏克波前传感器(Shack-HartmannSensor)[22][23]、相位恢复算法(PhaseRetrieval)[24-27]以及相位差算法(PhaseDiversity)[28-32]等。(1)剪切干涉仪剪切干涉仪的主要工作原理是将通过待测光学系统的含有像差的波前分成两个波面，这两个拆分后的波前相互分离，并在两个波面的交叠处产生干涉条纹，通过检测重叠部分的干涉来计算待测波前的像差。横向剪切干涉仪的检测原理图如图1.5所示，横向剪切干涉仪是一种最常见的剪切干涉仪。首先，激光器产生的平行光束通过具有汇聚光线作用的镜1，光束在空间滤波器2上汇聚并进而发散到待测镜面3上，空间滤波器处于待测物镜的交点处，通过待测物镜3后的平行光束照射在一个由微小楔角的平板4的平板上，并由平板的前后表面分别反射，前后表面分别反射的光线即被分裂的彼此交错的两个波面，这两个波面的重叠部分将形成干涉条纹，通过对干涉条纹进行计算处理即可得到待测物镜的波前信息。剪切干涉仪具有条纹稳定、抗干扰能力强的优点，但其光路复杂且对震动、温度等因素敏感。图1.5横向剪切干涉仪示意图Figure1.5Theprincipleofthelateralshearinginterferometer
【参考文献】：
期刊论文
[1]深度学习的研究进展与发展[J]. 史加荣,马媛媛. 计算机工程与应用. 2018(10)
[2]自然语言处理中的深度学习:方法及应用[J]. 林奕欧,雷航,李晓瑜,吴佳. 电子科技大学学报. 2017(06)
[3]深度学习框架下LSTM网络在短期电力负荷预测中的应用[J]. 陈亮,王震,王刚. 电力信息与通信技术. 2017(05)
[4]基于深度学习神经网络的孤立词语音识别的研究[J]. 王山海,景新幸,杨海燕. 计算机应用研究. 2015(08)
[5]地基大口径望远镜系统结构技术综述[J]. 张景旭. 中国光学. 2012(04)
[6]保守修正BFGS算法及全局收敛性[J]. 张继伟. 集美大学学报(自然科学版). 2010(03)
[7]光栅型波前曲率传感器原理和应用[J]. 姜宗福,习锋杰,许晓军,汪晓波,陆启生. 中国激光. 2010(01)
[8]相位变更方法发展简述[J]. 王欣,赵达尊,毛珩,王潇. 光学技术. 2009(03)
[9]一种改进的BFGS算法及其全局收敛性分析[J]. 王安平,马烁,赵天玉. 河北科技大学学报. 2009(01)
[10]基于牛顿迭代法的高精度快速开方算法[J]. 张小鸣,李永新. 电力自动化设备. 2008(03)
博士论文
[1]基于矢量像差理论的离轴反射系统失调校正研究[D]. 张晓彬.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]薄型主镜面形主动控制技术研究[D]. 戴晓霖.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[3]基于PD方法的空间相机位相信息反演技术研究[D]. 程强.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[4]波前曲率传感器特性与重构算法研究[D]. 黄盛炀.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]卷积神经网络在图像识别上的应用的研究[D]. 许可.浙江大学 2012
[2]基于径向剪切干涉波前检测技术的研究[D]. 解来运.哈尔滨工业大学 2011
[3]Phase diversity波前重构的研究及在高分辨图像复原中的应用[D]. 杨磊.中国科学院研究生院（云南天文台） 2007
[4]光栅型波前曲率传感器相位恢复算法研究[D]. 沈洪斌.国防科学技术大学 2005
本文编号：3482526
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