一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法

1.本发明涉及一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，属于光学技术领域。


背景技术：

2.获取更高分辨率的图像是光学系统的重要发展方向，除了不断优化光学系统的性能，还需要控制系统自身或外界环境对成像质量的干扰。较为常见的干扰包括：大气湍流效应引入的湍流像差、光学系统因重力温度等环境因素变形引入的系统像差以及光学系统失调引入的失调像差。这些像差都不同程度影响光学系统的成像质量，降低光学系统的分辨率。
3.自适应光学是一种有效校正上述像差的技术。传统自适应光学系统包括：波前传感器、波前控制器以及波前校正器三部分。波前传感器以及波前校正器位于光瞳的共轭位置，波前传感器用于探测像差，如夏克哈特曼波前传感器；波前校正器用于像差的校正，如变形镜。波前传感光路会引入非共光路误差，增加系统复杂度，造成信噪比下降。
4.进一步的，无波前传感器自适应光学在像差校正过程中不需要波前传感器，直接利用图像相关的评价函数的变化来优化波前校正器的信号，当评价函数到达极值时，残余像差最小。
5.更进一步的，无波前传感器自适应光学的优化方法分为无模型优化方法和基于模型的优化方法。其中基于模型的优化方法通过像差模式和评价函数之间确定的数学关系来确定像差模式系数，优化效率更高。无波前传感器自适应光学基于模型的优化方法的具体校正过程为：标定获取模式后，得到模式内积；依次在各阶像差模式施加已知大小的偏置，获取对应图像并确定评价函数，通过这些评价函数、模式内积以及对应模式偏置大小，确定像差模式的系数，进而利用波前校正器进行共轭校正。
6.然而大部分无波前传感器自适应光学基于模型的优化方法都需要预先使用波前传感器或干涉仪获得波前校正器单位控制量引起的波前变化，以此确定各种模式所需要的控制信号大小，以确定模式内积，不仅增加系统的复杂度，引入非共光路像差，而且限制其应用场景。
7.此外，无波前传感器自适应光学的标定方法还有：
8.无波前传感器自适应光学的标定方法还有使用膜方程来估计变形镜影响函数的方法，避免标定中使用波前传感器；膜方程是描述一个理想薄表面在分散式外力作用下的位移量的方程，因此必须对变形镜的控制原理和机械变形原理有较为全面的了解，应用难度大。
9.无波前传感器自适应光学的标定方法还有一种通过施加偏置的方式进行抛物线拟合标定的方法，通过测量大量测试像差下的评价函数，然后通过拟合抛物线方程的方式来确定评价函数与模式系数之间的关系；在此基础上，还有基于半正定规划的标定方法，减少所需要的数据量，提高标定结果的稳定性；但是上述两种方法都需要在标定之前去除系统像差，在无像差条件下进行标定，而且只能标定评价函数与特定模式系数之间的关系，无
法直接标定评价函数与波前校正器控制量之间的关系。
10.上述无波前传感器自适应光学的标定方法，有的需要额外的波前传感光路，有的需要预知波前校正器的物理模型，有的需要在无像差的条件下标定，有的需要大量的标定数据，这都阻碍无波前传感器自适应光学方法的广泛应用。


技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，通过对波前校正器致动器施加偏置，采集图像确定评价函数，实现无波前传感器自适应光学系统的自标定，解决现有标定方法光路复杂、需要零像差条件、数据处理量大的问题。
12.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
13.本发明公开的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，包括如下步骤：
14.步骤一：初始化波前校正器：
15.初始化波前校正器控制信号，并将初始化状态下的波前校正器设置为0状态；
16.采用影响函数基底表示被标定的自适应光学系统的总像差，如式(1)所示：
[0017][0018]
其中，ф为像差，vi表示产生像差所对应的第i个致动器影响函数系数，即波前校正器第i个致动器控制信号变化量，fi表示第i个致动器影响函数，i表示波前校正器致动器序号，i＝1:n，n为波前校正器致动器个数；
[0019]
步骤二：确定图像评价函数：
[0020]
确定被标定的自适应光学系统的图像评价函数与波前校正器致动器控制信号之间的关系，如式(2)所示：
[0021][0022]
其中，m是评价函数，作为优选，m能够采用斯特列尔比、光斑均方半径、图像功率谱密度低频积分的倒数或者图像均方半径，me是像差为0时评价函数的值，c为常数系数，α
ij
是模式之间的内积，vi以及vj分别代表第i个波前校正器致动器控制信号以及第j个波前校正器致动器控制信号；
[0023]
进一步的，被标定的自适应光学系统的图像评价函数与波前校正器致动器控制信号之间的关系表示为矩阵形式，如式(3)所示：
[0024]
m≈m
e-v
t
gv
ꢀꢀꢀ
(3)
[0025]
其中，v是控制信号组成的向量，g为所需要获得的标定矩阵，如式(4)所示：
[0026][0027]
步骤三：获取初始评价函数m0：
[0028]
在初始条件下采集图像，并确定评价函数m0，初始评价函数值m0与波前校正器致动器控制信号之间的关系如式(5)所示：
[0029][0030]
步骤四：依次对波前校正器致动器施加正负偏置控制信号：
[0031]
对第k(k＝1:n)个波前校正器致动器施加 b以及-b的正负偏置控制信号，采集图像并确定评价函数，分别如式(6)以及式(7)所示：
[0032][0033][0034]
确定由正负偏置控制信号引起的评价函数变化量，分别如式(8)和式(9)所示：
[0035][0036][0037]
将正负偏置控制信号引起的评价函数变化量叠加，通过标定能够得到标定矩阵g中对角线上的元素，如式(10)所示：
[0038][0039]
步骤五：同时对两个不同的波前校正器致动器施加正负偏置控制信号：
[0040]
同时对第k(k＝1:n-1)个波前校正器致动器以及第s(s＝k 1:n)个波前校正器致动器同时施加大小为 b以及-b的正负偏置控制信号，采集图像并确定其评价函数，通过标定能够得到标定矩阵g中非对角线上的元素，如式(11)所示：
[0041][0042]
又因为标定矩阵g是对称矩阵，所以cα
ks
＝cα
sk
。
[0043]
至此，标定矩阵g中的所有元素都通过自标定获取，完成整个标定过程。
[0044]
有益效果：
[0045]
1、本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，不需要使用波前传感器，只需要通过对波前校正器致动器施加相应的偏置，并通过相机采集图像，确定评价函数，进而得到所需的标定矩阵，实现对评价函数与波前校正器致动器的控制量之间关系的标定；
[0046]
2、本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，在标定过程中将初始像差考虑在内，消除初始像差对标定结果的影响，扩大标定方法的应用范围；
[0047]
3、本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法，标定过程简便，数据处理量小。
附图说明
[0048]
图1为本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法流程图；
[0049]
图2为本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法所应用的被标定光路系统示意图；
[0050]
图3为本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法与抛物线拟合标定方法应用对比图。
具体实施方式
[0051]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0052]
实施例1：
[0053]
实施例应用本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法对37个致动器的变形镜进行标定，如图1所示，包括以下步骤：
[0054]
步骤一：初始化波前校正器：
[0055]
37个致动器变形镜的标定光路系统如图2所示，波前校正器致动器控制信号为电压信号，37个波前校正器致动器初始控制电压均为180伏；
[0056]
初始化波前校正器控制信号，并将初始化状态下的波前校正器设置为0状态；
[0057]
采用影响函数基底表示被标定的自适应光学系统的总像差，如式(1)所示：
[0058][0059]
其中，ф为像差，vi表示产生像差所对应的第i个波前校正器致动器影响函数系数，即波前校正器第i个致动器控制信号变化量，实施例中为变形镜致动器控制电压变化量，具体数值如表1所示，所产生像差的均方根为1rad，fi表示第i个致动器影响函数，i表示波前校正器致动器序号，i＝1:n，n为波前校正器致动器个数，n＝37；
[0060]
表1
[0061]
1234564.280.802.280.152.424.197891011124.721.812.760.273.631.791314151617181.560.300.094.861.773.101920212223242.432.351.923.312.390.792526272829301.742.373.062.114.431.283132333435363.130.100.113.893.041.8237
ꢀꢀꢀꢀꢀ
2.13
ꢀꢀꢀꢀꢀ
[0062]
步骤二：确定图像评价函数：
[0063]
确定被标定的自适应光学系统的图像评价函数与波前校正器致动器控制信号之
间的关系，如式(2)所示：
[0064][0065]
其中，m是评价函数，实施例中采用光斑均方半径作为评价函数，如式(3)所示，me是像差为0时评价函数的值，c为常数系数，α
ij
是模式之间的内积，vi以及vj分别代表第i个波前校正器致动器控制信号以及第j个波前校正器致动器控制信号；
[0066][0067]
其中，r为极坐标系下的半径，r为确定评价函数所选取的最大半径，为50个像素，i代表探测器得到的图像；
[0068]
进一步的，被标定的自适应光学系统的图像评价函数与波前校正器致动器控制信号之间的关系表示为矩阵形式，如式(4)所示：
[0069]
m≈m
e-v
t
gv
ꢀꢀꢀ
(4)
[0070]
其中，v是控制信号组成的向量，g为所需要获得的标定矩阵，如式(5)所示：
[0071][0072]
步骤三：获取初始评价函数m0：
[0073]
在初始条件下采集图像，并确定评价函数m0，初始评价函数值m0与波前校正器致动器控制信号之间的关系如式(6)所示：
[0074][0075]
步骤四：依次对波前校正器致动器施加正负偏置控制信号：
[0076]
对第k(k＝1:37)个波前校正器致动器施加 b以及-b的正负偏置控制信号，正负偏置控制信号也为电压信号，b＝1伏，采集图像并确定评价函数，分别如式(7)以及式(8)所示：
[0077][0078][0079]
确定由正负偏置控制信号引起的评价函数变化量，分别如式(9)和式(10)所示：
[0080][0081][0082]
将正负偏置控制信号引起的评价函数变化量叠加，通过标定能够得到标定矩阵g
中对角线上的元素，如式(11)所示：
[0083][0084]
步骤五：同时对两个不同的波前校正器致动器施加正负偏置控制信号：
[0085]
同时对第k(k＝1:36)个波前校正器致动器以及第s(s＝k 1:37)个波前校正器致动器同时施加大小为 b以及-b的正负偏置控制信号，正负偏置控制信号也为电压信号，b＝1伏，采集图像并确定其评价函数，通过标定能够得到标定矩阵g中非对角线上的元素，如式(12)所示：
[0086][0087]
又因为标定矩阵g是对称矩阵，所以cα
ks
＝cα
sk
。
[0088]
至此，标定矩阵g中的所有元素都通过自标定获取，完成整个标定过程。
[0089]
标定矩阵真值如图3(a)所示，图3(b)为本发明方法在1rad初始像差下获得的标定矩阵，图3(c)为抛物线拟合标定方法在1rad初始像差下获得的标定矩阵，图3(d)为分别使用图3(b)以及图3(c)标定矩阵对随机像差的校正结果曲线；
[0090]
通过对比图3(a)、图3(b)以及图3(c),本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法获得的标定矩阵与真值分布更接近；
[0091]
进一步的，通过图3(d)中的校正曲线，本发明的一种无波前传感器自适应光学系统自标定方法无需波前传感器，不受系统初始像差的影响，能够实现无波前传感器自适应光学系统的自标定，且得到的标定矩阵的校正速度和校正精度都明显优于抛物线拟合标定方法。
[0092]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。