扩展目标幸运成像技术的理论和实验研究

地基望远镜的成像分辨率通常都受到大气湍流的限制,这种限制在对扩展目标进行观测成像时变得尤为显著。幸运成像技术是一种基于目标序列短曝光图像选取、配准、叠加的事后图像处理方法,能够有效降低大气湍流导致的成像闪烁和抖动对图像质量的影响,提高望远镜的成像分辨率。介绍了扩展目标幸运成像技术的基本原理和基本流程,并应用该项技术对近地扩展目标大气湍流成像的实验观测数据进行事后处理。处理结果表明,幸运成像技术能够提高扩展目标通过湍流大气的成像分辨率。     

空间目标幸运成像技术的实验研究

幸运成像技术是一种基于目标序列短曝光图像选取、配准、叠加的事后处理方法,能够有效降低大气湍流导致的成像闪烁和抖动对图像质量的影响,提高地基望远镜的成像分辨率。首先介绍了幸运成像技术的基本原理和处理流程,然后应用该项技术,对新月月面进行了幸运成像观测实验,给出了对获得的图像进行处理和分析的结果。处理结果表明,幸运成像技术能够明显地提高空间目标通过湍流大气后的成像质量。对处理结果用小波变换的方法进行了图像增强,给出了增强结果图像和像质评价,增强结果表明,图像增强能够进一步提高幸运成像结果的质量,改善结果图片的视觉效果。     

使用幸运成像技术恢复地基大口径望远镜图像

开发了一套地基大口径望远镜上的幸运成像系统,以完成对空间目标图像的恢复。系统由5部分组成:预处理、帧选择、图像配准、图像重建和图像增强。对于点目标图像,系统使用斯特列尔比做为像质评价函数,配准算法使用最亮点匹配或质心匹配;对于扩展目标图像,系统采用Fisher信息值或SOBEL算子函数进行像质评价,图像配准采用基于GPU的傅里叶-梅林变换及SIFT匹配算法。用户还可以根据目标图像的特点手动选定图像,并选择合适的配准算法。该幸运成像系统已经成功地应用在1.23 m望远镜的成像探测中,并取得了较为理想的实验结果,成功地获取了月表、木星等空间目标的清晰图像。实验结果表明,该幸运成像系统可以显著地提高通过大气湍流的成像分辨率。     

应用幸运成像技术的宽视场自然目标高分辨率成像

大口径地基望远镜的成像分辨率严重地受限于大气湍流,尤其对于宽视场成像。在宽视场成像中,由于大气湍流的影响,点扩散函数远远不满足位置不变性,呈现出局部变形和运动模糊的综合效应。传统的短曝光成像方法不能适应宽视场目标成像,幸运成像技术能够通过分块选取-配准叠加得到分辨率较高的输出图像。主要描述了自然目标的宽视场成像观测,并从不同分块数目和选取比例两个方面对图像进行了事后处理。实验结果表明,4×4矩形的图像分块方法在中等湍流条件下能够获得较好的效果,而在较好的照明条件下选取最好子图进行配准输出对于宽视场成像观测更为合适。     

自适应成像中的Na激光导星技术

大气湍流严重限制地基天文望远镜的分辩率。在最好的观测台址和良好的能见度条件下，可见光波段的分辩率一般不超过1弧秒。过去的20年中发展了采用电变形镜的自适应光学系统，用以补偿湍流效应。可惜这类系统要求被观测天体附近有明高的参考源，且只能用于观测最亮的星。通过用激光激发中圈钠层的共振反向散射，可在高层大气建立控制自适应成像系统的人造导星。本文对激光导星自适应望远镜之设计要求及预期成像行为作了评论。     

获取非等晕幸运短曝光图像的概率研究

通过湍流大气进行短曝光成像,存在一定的概率能够获得接近系统衍射极限分辨率的图像,瞬间的波前畸变可以忽略不计.通过设计不同望远镜口径的短曝光成像观测实验,应用基于灰度梯度统计的像质评价函数对序列短曝光图像进行了像质评价,并运用归一化处理来研究非等晕条件下获取幸运短曝光图像的概率.处理结果验证了“幸运图像”的获取概率随着口...     

大气成分对中波红外地基光电系统观测的影响分析

地基光电系统白天在可见光波段对空间目标观测时,因受大气散射等因素的影响,探测能力会急剧下降。红外波段较可见光波段具有较强的大气穿透能力,因此在红外波段观测空间目标可以较好地解决白天探测的问题。利用MODTRAN模型计算了不同大气成分对中波红外透射率的影响并进行了分析,并用中波红外成像系统在地基望远镜上进行了观测。实验结果表明,中波红外探测器在白天能极限探测到7等星,平均信噪比为6.236。本研究对白天红外波段地基的空间探测具有一定参考意义。     

自适应光学系统误差分析与参数优化研究

影响大口径地基自适应光学望远镜成像的因素很多,为获得近衍射极限的高分辨力成像效果,需要对系统的关键参数进行优化.本文分析了影响地基光学望远镜成像的误差源,建立合理的误差评价模型.并利用仿真的方法对该模型进行了验证,并对湍流条件、望远镜口径、采样频率、变形镜驱动器间距、导星等关键参数进行了优化分析.与仿真结果对比表明:误...     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究（特邀）

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。     

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。     

Design and performance analysis of adaptive optical telescopesusing lasing guide stars

The use of adaptive optical systems using electrically deformable mirrors to compensate for turbulence effects is discussed. Since these systems require bright reference sources adjacent to the object of interest and can be used only to observe the brightest stars, artificial guide stars suitable for controlling an adaptive imaging system must be created in the upper atmosphere by using a laser to excite either Rayleigh backscattering in the stratosphere or resonance backscattering in the mesospheric sodium layer. The design requirements of a laser-guided adaptive telescope, as well as the expected imaging performance, are discussed in detail. It is shown that a 2-m ground-based laser-guided telescope can achieve imaging performance levels at visible wavelengths nearly matching the theoretical imaging performance of the Hubble Space Telescope (HST). The required lasers can be either bought off the shelf or built with current technology. The laser power requirement for the Rayleigh guide star approach is on the order of 82 W for zenith viewing when the atmospheric seeing cell diameter is 20 cm. For the same conditions the laser power requirement for the Na guide star approach is on the order of 14 W. Both systems will achieve near diffraction limited imaging with a Strehl ratio of ~0.67 and an angular resolution of approximately 0.07 arcsec for an observation wavelength of 0.5 μm     

基于多次收敛分割反卷积算法的大气色散补偿方法

在地基望远镜对太空目标的宽光谱成像观测过程中,大气色散会严重影响低仰角下图像的信噪比和清晰度。传统的色散棱镜补偿方法存在着生产加工难度大、控制系统复杂、装配困难等问题,不利于移动和小型化的地基望远镜的应用。提出了一种基于图像反卷积的大气色散修正方法,不需要增加额外补偿设备,能够在低信噪比情况下有效修复色散图像。该方法首先利用多次收敛分割算法对图像进行星点分割处理,随后利用图像反卷积的方法,对图像进行色散补偿。在1.8m望远镜系统上对恒星的观测和色散补偿实验结果表明,该方法在不同信噪比下均有复原效果,平均恢复出目标90%的能量,信噪比提高到3倍以上,恢复效果与色散棱镜补偿法相当。     

云南天文台1.2m望远镜61单元自适应光学系统

云南天文台1.2 m望远镜61单元自适应光学系统已经完成升级改造并投入使用.该自适应光学系统主要由倾斜跟踪控制回路、高阶校正回路以及高分辨力成像系统组成.为了提高系统的跟踪精度,倾斜跟踪控制回路由两级倾斜校正回路串联而成,用于校正望远镜的跟踪误差和大气湍流引起的倾斜跟踪误差.高阶校正回路主要由一套哈特曼波前传感器、一块61单元变形反射镜以及一套高速数字波前处理机组成.系统中哈特曼波前传感器的工作波段为400～700 nm,系统成像波段为700～900 nm.在介绍61单元自适应光学系统各组成部分的基础上,对该系统的性能进行了分析,并给出了实际天文恒星目标的高分辨力自适应光学成像观测结果.     

大气高阶扰动对傅里叶望远镜成像的影响分析

傅里叶望远镜（FT）综合了激光主动照明和合成孔径的优点,采用相位闭合技术可以消除各发射望远镜间的粗大相位差及大气的低阶扰动对成像的影响,分辨率可突破单一望远镜的衍射极限。为了FT 实际工程系统的实施,需探讨大气高阶扰动对FT 成像质量的影响,文中模拟大气高度36 km,通过等Rytov 指数方法将大气分成40 层并计算得到了每层的上下界限及每层相位屏的高度值。对于3333 T 型均匀间隔发射阵列,每层模拟了1 626 个相位屏。光束传输采用夫琅和费衍射近似。通过计算机模拟,在不考虑噪声的情况下,对于10 cm 的发射口径,得到大气高阶扰动对FT 成像质量有微小影响的结论。重构结果与衍射极限图像的斯托里尔比（Strehl）由无大气时的0.682 1 降低到0.623 6。当信噪比为100 时,Strehl 达到0.452 5,可分辨目标。