基于波前测量的图像复原技术综述

基于波前测量的图像复原技术成本低,性能优越,广泛应用于各种领域。介绍了这种方法的基本原理、关键技术和发展过程,与传统的自适应光学系统和线性复原技术比较,基于波前传感器测量的图像复原不仅降低了费用,而且图像恢复的性能较高。针对高速飞行器的图像恢复问题,分析了基于波前测量的图像复原技术的优缺点,并提出了改进方法。     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。     

基于微机械薄膜变形镜的闭环实时模式复原

为了求解基于微机械薄膜变形镜自适应光学系统的最优模式控制电压,以使系统的入射畸变波前像差降到最小,采用了一种基于改进的奇异值分解闭环实时模式复原算法,可通过调整控制参量g1,gθ和W来优化波前复原的复原精度和收敛速度;采用一人眼出射畸变波前像差作为自适应光学系统的原始波前,与现有的几种实时模式复原算法相对比,其在收敛速度和复原精度上都有所改善。结果表明,基于改进的奇异值分解闭环实时模式复原算法,在一定程度上解决了微机械薄膜变形镜由于薄膜面型宽交连值、驱动电极单调但非线性的控制电压求解问题,算法可调整空间大、适用范围也较广。     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

基于变形镜本征模的模型式无波前探测自适应光学系统

模型式无波前探测自适应光学系统以其收敛速度快、校正效果好在波前无法探测的环境中具有巨大的应用潜力。基函数的产生方法及阶数多少决定了模型式无波前探测自适应光学系统的校正效果和收敛速度,文中提出以变形镜本征模作为基函数。分别以32、88及127单元变形镜作为波前校正元件建立无波前探测自适应光学系统仿真模型,利用变形镜本征模作为正交基函数对波前畸变进行校正,分析其校正效果和收敛速度。结果表明,以变形镜本征模作为基函数时,由于基函数的阶数等于变形镜的单元数,无需另外确定阶数多少,且无波前探测自适应光学系统可以获得接近理想校正时的校正效果,系统收敛所需测量的光斑强度的次数仅取决于变形镜的单元数。     

星向多层共轭自适应光学大气湍流三维波前模式复原算法分析

大气湍流三维波前复原是星向多层共轭自适应光学中的关键技术。分析了星向多层共轭自适应光学系统中的大气湍流三维波前模式复原算法,并对该算法进行了数值仿真验证和误差分析。分析结果表明:当对2层大气湍流进行三维波前复原时,若采用自然导星,因平移像差不能被探测,导致平移和倾斜两种模式不能被准确复原;若采用激光导星,因平移和倾斜像差不能被直接探测,导致平移、倾斜、离焦和像散几种模式不能被准确复原;当对3层大气湍流进行三维波前复原时,模式混淆总是存在,无法消除,各层大气湍流波前不能被准确复原;当观测目标在探测高度的波前被自然导星光束完全覆盖时,其波前可以被准确复原。     

可扩展式自适应光学系统波前处理器的硬件设计

为满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理的需求,需设计千单元的自适应波前处理系统.为此提出了一种可扩展式的自适应光学系统波前处理器.系统由波前处理主板和波前处理子板组成,每块波前处理主板可扩展10块波前处理子板.整个系统可以完成2 000帧/s的实时波前图像的采集、子孔径斜率的计算、波前拟合和1 200...     

基于模拟退火的连续膜变形镜最优模式复原

为了改善小形变量、镜面控制耦合及其影响函数受到光学系统误差等多种因素的影响的连续膜变形反射镜容易出现波前复原控制电压往往超出了可行域范围的问题,提出采用一种基于模拟退火的波前模式复原算法,其原理通过遍历整个可行域搜索域内最佳的模式控制电压组合,使得目标函数以一定概率达到全局最优,从而得到将入射畸变波前像差的影响降到最小的结果。为了验证和比较模拟退火算法的可行性和准确度,采用了任一人眼波前畸变像差作为自适应光学系统的入射畸变波前,得到的残余波前像差小于直接法、闭环迭代算法的复原误差。结果表明,基于模拟退火的波前模式复原算法具有良好的波前复原性能,并且可结合影响函数的非线性特征描述,为连续膜波前复原控制问题提供一种新的解决途径。     

基于归一化互相关因子的波前测量研究

为实现对光束近场强度分布不均匀或低信噪比场景中的高精度波前测量,分析了低信噪比情况下,在基于夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统中,分别使用基于归一化互相关因子的相关算法与目前常用的自适应阈值灰度质心法时,信噪比对质心探测精度及后续波前复原精度的影响。通过数值仿真与实验对比,证明了基于归一化互相关因子的相关算法在不同光强条件下的波前测量结果一致性与准确性都高于自适应阈值的灰度质心法,其可为自适应光学系统在像差探测能力上提供更高的准确性与鲁棒性。针对基于归一化互相关因子的相关算法计算量较大,软件计算实时性较差,难以满足工程实用需要的问题,提出了一种基于算法实现优化与多级并行计算的加速方法,对448单元子孔径的夏克-哈特曼波前传感器可实现每秒上千赫兹的计算速度,可满足大部分自适应光学系统波前探测实时性的工程需要。     

阵列菲涅耳波带片波前探测性能研究

在高功率激光系统中,激光束小尺度畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,研究其聚焦性能,讨论了波带片的结构如阵列数目和阵列尺寸对波前探测精度的影响。仿真结果表明,选取合适的波带片结构参数可以使小尺度畸变波前的重构误差小于十分之一个波长。为了检测阵列菲涅耳波带片作为波前传感器检测波前畸变的性能,实现小尺度波前畸变检测的目的,构建了激光波前畸变检测光路系统。实验结果表明了阵列菲涅耳波带片检测波前畸变的可行性和准确性.     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口、计算实际质心、参考质心、选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1 λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。     

Simulation study of an adaptive phase alignment system for opticalheterodyne communications under misalignment conditions

A postphotodetection adaptive phase alignment system using an aperture array of photodetectors is presented to reduce the signal loss in an optical (free-space) heterodyne receiver resulting from wavefront misalignment (tilt) on a satellite platform. This paper compares two kinds of rectangular aperture configurations-full aperture and array aperture configurations-via a software simulation study of the error performance after DPSK demodulation for different angles of arrival (tilt) of the received signal wavefront. For the array configuration, an adaptive phase alignment system is used that phase aligns the signals from the different photodetector array elements, and constructively adds them to yield a higher signal magnitude as compared to that of signal of a single-element photodetector of the same total area. The optimum aperture length for a given wavefront misalignment is derived, and is verified via simulation     

自由空间光通信的抗干扰接收系统

根据现代战场通信保密及抗干扰的需要,提出一种新型自由空间光通信接收机模型.该接收机结合自适应调相阵列和非线性光开关技术,可以实现对光信号的波前畸变的实时矫正,提高了无线光通信系统接收机的性能,同时也具备防强激光攻击的功能.分析求解了多路光信号合束的相位匹配条件,提出了闭环锁相方法,给出了非线性定向耦合器用作光开关的理论模型和优化方法,以及降低门限功率值的方法.该系统模型能够满足战场及时保密通信的要求,并具有防备强激光攻击的功能,适合现代战场通信的需要,为现代战场通信方式提供了一种新思路.     

基于自适应光学技术的高速流场效应模拟方法

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高速流场造成的光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差（OPD）数据的高速流场光学传输效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差（OPD）数据,该数据用于光学变形镜的控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器.本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA,field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法.该方...     

Image deblurring using derivative compressed sensing for optical imaging application

The problem of reconstruction of digital images from their blurred and noisy measurements is unarguably one of the central problems in imaging sciences. Despite its ill-posed nature, this problem can often be solved in a unique and stable manner, provided appropriate assumptions on the nature of the images to be recovered. In this paper, however, a more challenging setting is considered, in which accurate knowledge of the blurring operator is lacking, thereby transforming the reconstruction problem at hand into a problem of blind deconvolution. As a specific application, the current presentation focuses on reconstruction of short-exposure optical images measured through atmospheric turbulence. The latter is known to give rise to random aberrations in the optical wavefront, which are in turn translated into random variations of the point spread function of the optical system in use. A standard way to track such variations involves using adaptive optics. Thus, for example, the Shack-Hartmann interferometer provides measurements of the optical wavefront through sensing its partial derivatives. In such a case, the accuracy of wavefront reconstruction is proportional to the number of lenslets used by the interferometer and, hence, to its complexity. Accordingly, in this paper, we show how to minimize the above complexity through reducing the number of the lenslets while compensating for undersampling artifacts by means of derivative compressed sensing. Additionally, we provide empirical proof that the above simplification and its associated solution scheme result in image reconstructions, whose quality is comparable to the reconstructions obtained using conventional (dense) measurements of the optical wavefront.     

远场光斑反演波前相位的深度学习方法

自适应光学系统中,波前传感器的准确性和鲁棒性极大地影响像差探测能力和闭环校正效果。在波前振幅分布不均匀或信标光能量不足的情况下,哈特曼波前传感器由于存在子孔径缺光现象会导致传感精度下降,而基于远场光斑反演波前相位的无波前传感自适应系统实时性难以满足实用需求。基于深度学习复原波前的方法是通过输入远场光强图像直接求取像差,可以作为自适应光学系统的有效补充。文中通过数值模拟,证明了深度残差神经网络能够通过远场光斑直接预测波前相位的Zernike系数。实验验证了输入与重构波前相位之间校正后残差RMS为0.08λ,GPU加速后的平均计算耗时小于2 ms。该方法能较准确地预测入射波前畸变的Zernike系数,具有一定像差校正能力,适合在传统自适应光学技术中,用于测量并校正波前畸变的主要成分,或为优化式自适应光学提供良好的初始波前估计。