本文選題：哈特曼波前探測器 + EMCCD��； 參考：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文

【摘要】：哈特曼波前探測器是一種高效的波前位相檢測器件,被廣泛應用于光學檢測,自適應光學成像領域中。不同的應用場合對哈特曼波前探測器提出不同的要求,尤其是在人造衛(wèi)星的自適應光學跟蹤成像或地面附近擴展目標的高分辨率成像系統中需要實時探測大氣湍流干擾而產生的波前畸變,而前者目標亮度會劇烈變化或者大氣相干長度小于哈特曼波前探測器的子孔徑使探測出錯,后者目標會超過波前探測所限定的等暈角而難以重構波前。為了提高哈特曼波前探測器的動態(tài)性能,以滿足上述應用要求開展了如下研究內容。1)針對亮度變化劇烈的弱目標的哈特曼波前探測技術研究。首先選用電子倍增CCD(EMCCD)應用于哈特曼波前探測器,通過設置適宜的電子倍增增益,增強信號,抑制讀出噪聲,提高探測靈敏度及信噪比。但是當目標亮度發(fā)生快速且大幅度變化時,設置固定增益已不再能滿足要求,因此設計了EMCCD電子倍增增益的自動控制方法。由于大氣湍流及光子噪聲的影響,哈特曼波前探測器輸出點斑陣列的亮度劇烈抖動,尋找穩(wěn)定的監(jiān)測信號成為增益自動控制的關鍵問題。實驗中發(fā)現點斑陣列中每個點斑的最大亮度值相對于陣列的平均值是個足夠穩(wěn)定的量,可以準確反映目標的亮度變化。同時一幀點斑最大亮度的平均值滿足CCD曝光方程,與目標亮度和增益均呈線性關系。實驗還確定了增益控制的亮度目標值,利用亮度目標值與當前幀點斑最大亮度的平均值計算下一幀所需的增益值。實驗結果表明,自動增益控制方法簡單高效,使得波前探測信噪比保持在對應目標亮度的最高值,同時確保觀測過程中不會出現飽和亮度保護而使增益回歸為1的光斑驟減問題。2)增加哈特曼探測器子孔徑內探測信息的方法研究。傳統哈特曼波前探測器的子孔徑光束均能近似為以不同傾角入射的平行光束,光束通過微透鏡陣列后聚焦在ccd上,經過解算聚焦光斑的質心位置重構出整體波前。因此無論望遠鏡的口徑多大,哈特曼波前探測器的子孔徑應小于或等于大氣相干長度r0~10cm,導致每個子孔徑內收集的光能量很低,限制了探測靈敏度及探測極限星等。為提高哈特曼探測器的極限探測星等,將子孔徑大小設計為15cm,大于一般觀測站址的r0,子孔徑內產生前5階模式;為求出子孔徑內波前的前5階模式,將ccd相機置于微透鏡陣列的離焦平面,子窗口設置4×4或6×6個ccd像素,利用phasediversity(pd)算法求解子孔徑畸變波前,求解z2,z3的波前rms值的線性范圍為3.0rad,z4,z5和z6為2.0rad,子孔徑畸變波前求解誤差小于0.01rad2,精度足夠高。相對傳統哈特曼探測器,整體波前重構所用模式數增加,重構精度提高,所需子孔徑數減少為原來的一半,ccd信號處理時間減少。3)針對擴展目標的哈特曼波前探測方法研究。其關鍵問題是求解子孔徑內擴展目標圖像的偏移量,圖像偏移量確定后波前重構的方法與傳統方法相同。選用相關算法求取每個子孔徑內圖像與所選參考圖像的相關函數,利用相關最大值對應的像素作為子孔徑內圖像的核心,再以核心像素為原點,取其x軸和y軸上相鄰兩像素的相關函數值分別進行拋物線插值,計算x,y兩方向的極大值坐標即為該擴展目標的質心。優(yōu)化參數,將子孔徑窗口設置為32×32個像素、微透鏡的愛里斑占2×2個像素,使用快速傅里葉變換(fft)進行相關運算,使得探測精度及處理速度滿足要求。同時使用了亮度變換方法,降低圖像細節(jié)變化對質心計算精度的影響。4)相關算法求解質心的方法在低信噪比點目標條件下的應用。對于低信噪比的暗弱點目標,在湍流干擾較強時難以在哈特曼波前探測器中呈現對稱性良好的光斑,造成傳統算法的質心計算誤差,此時采用相關算法求解子孔徑質心仍能保持較高的波前重構精度。實驗中采用相關算法對5.5星等的弱光目標進行自適應光學校正成像,獲得了優(yōu)于質心算法的校正成像效果,同時編寫了多cpu并行計算程序,滿足了實時探測要求。綜上,針對亮度劇烈變化的空間軌道目標提出了增益自動控制的高信噪比波前探測方法、針對傳統哈特曼探測器子孔徑受限于r0提出了子孔徑內多項模式的求解算法、針對擴展目標探測使用了相關算法求解質心,使得哈特曼波前探測器的動態(tài)性能得以提高,拓展了哈特曼波前探測器的應用范圍。
[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 .
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：1898560