用模板匹配法选取光斑质心探测窗口

根据Hartman传感器探测入眼波像差时光斑特点，提出了模板匹配法选取光斑窗口的质心探测方法。本方法与Prieto的质心探测方法相比，提高了质心探测精度。对光斑阵列的仿真计算结果表明，用本文提出的方法质心探测误差的rms值降低了53.7%。另外，本方法还避免了Prieto方法中多次迭代的质心计算，减少了运算量。     

提高哈特曼波前传感器质心探测精度的一种计算方法

分析了哈特曼(Hartmann)波前传感器传统阈值一阶矩质心算法的局限性,提出了一种改进算法,对质心探测窗口的大小先进行合理优化,再采用灰度积分图原理进行自动搜索,最后采用灰度平方加权质心算法进行质心计算。仿真分析验证了算法的可行性和优越性,有利于提高波前传感器质心探测精度。     

Shack-Hartmann 波前传感器质心探测的优化方法

为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度,在分析质心探测误差来源的基础上,提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法,将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心,提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较,当SNR 大于3 时,质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H 波前传感器,实验表明:文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83 pixel 的最大值减小至0.15 pixel。该工作有重要的应用价值。     

哈特曼-夏克波前传感器的高精度质心探测方法

为提高哈特曼-夏克波前传感器(HS-WFS)的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测,提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同,探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像,其质心探测误差仅为0.0442pixel,比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098λ,精度均方根(RMS)值达到0.0027λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度,可用于高精度光学系统的检测。     

Hartmann-Shack波前传感器的自适应质心探测方法

在分析影响Hartmann-Shack(H-S)传感器质心探测精度因素的基础上,提出结合自平方算法、大津算法、光斑位置区域自适应标定、回归局部阈值法等方法,给出一套适合波前像差测量的质心自适应探测方法,该方法具有准确、自适应性强的特点.经验证,与传统的质心探测方法相比,该方法能准确识别并保留更多的有效光斑信息,提高质心探测的精度,扩大H-S传感器的适用范围.     

夏克—哈特曼波前传感器的探测误差

夏克—哈特曼（S－H）传感器的探测误差是自适应光学系统的一个主要误差源。本文主要分析了S-H传感器的系统误差和随机误差，其误差源包括：CCD相机的读出噪声和背景电平，探测的像素数以及光子噪声。通过在计算哈特曼传感器子光斑质心时设定一个阈值可以大大提高传感器的探测精度。本文同时列举了实验数据和理论分析结果。     

光束质量对哈特曼波前探测精度影响的仿真分析

哈特曼波前探测器通过探测子孔径光斑质心误差来复原重构被测光束的波前,所以它的测量误差不仅受其自身的结构参数影响,也受被测量光束的光学特征影响.仿真分析表明:当被测光束的波前具有比较多的高阶成分或者哈特曼的微透镜阵列装调不精确时,被测光束强度分布不均匀将会严重影响哈特曼的波前探测误差.     

哈特曼波前传感器的应用

夏克—哈特曼（S－H）波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布。它不仅作为波前传感器广泛地应用于自适应光学系统之中，而且还用于光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量之中。我们研制了一系列S－H波前传感器。本文总结了这些传感器在不同领域的测量结果。     

基于图像处理技术的光斑质心高精度测量

针对传统的光斑质心测量方法子孔径窗口内远离光斑的噪声对一阶矩质心算法的影响,本文提出一种利用图像处理技术提高光斑质心探测精度的新方法。在哈特曼-夏克（H-S）波前传感器测得的光斑阵列图像中,采用自适应阈值方法优化每个子孔径的探测窗口,使探测窗口和光斑分布区域最佳匹配;然后在探测窗口内,采用线性插值方法提高图像的分辨率。...     

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。     

哈特曼传感器仿真平台设计

为了实现波前处理机脱离以哈特曼传感器为核心的波前探测光学系统,独立地进行处理机算法的设计和验证,采用软、硬件结合的方式,设计了哈特曼传感器输出图像仿真平台。上位机仿真监控软件采用VC 和MATLAB 联合编程,根据哈特曼传感器工作原理和结构,仿真生成哈特曼图像,并完成与硬件电路交互命令和传输数据的功能。以FPGA 为核心的主控电路,完成发送响应信号、接收监控软件发送的读写指令、存储数据的功能,并根据实际CCD 时序实时输出标准Camera Link 接口格式的图像数据。经验证,软件仿真图像和实际输出相符;仿真平台输出表明硬件时序正确,满足设计速度要求。     

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。     

提高波前探测精度的高阶矩方法

夏克-哈特曼波前传感器测量畸变波前的探测精度主要取决于光斑质心的测量精度。提出了一种提高光斑质心探测精度的新方法,在优化的探测窗口内使用高阶矩方法计算光斑的质心。首先,在整个子孔径内,通过一阶矩方法获得光斑的近似中心,然后以这个近似中心为中心,包含整个光斑,建立一个矩形窗口,并在该窗口内通过高阶矩方法重新计算光斑的质心。通过该改进的方法,在优化的探测窗口外,噪声的影响基本被消除;在优化的探测窗口内,噪声的影响也因为光斑权值比重的增大而削弱。实验结果证明:与传统方法相比,新方法提高了光斑质心测量的精度、重复性和稳定性。     

人眼波像差测量中形心探测的新方法

子孔径光斑的形心探测和计算精度是影响哈特曼传感器波像差探测精度的重要因素，而探测窗口的选取对探测误差的影响很大。分析了Prieto等人采用的逐步缩小窗口尺寸的探测方法，并根据哈特曼波前传感器探测人眼波像差的光斑特点，采用模板匹配法选取光斑窗口的形心探测方法。该方法与Prieto的方法相比提高了探测精义。光斑阵列的仿真计算结果表明，用文中采用的方法探测误差的均方根值降低了53．7％。另外，该方法还避免了Prieto方法中多次迭代计算，减少了运算量。     

光斑图抑噪预处理的方法研究

为了提高光斑的质心探测精度,要对采集的光斑图在质心位置确定之前进行抑噪预处理,采用5种常用的图像处理方法对光斑图进行抑噪处理。仿真和实验结果表明,两种非线性滤波算法效果最好,极大地提高了质心探测精度,为波前相位探测中的数据处理提供了有益的参考。     

非垂直入射HS传感器测量数据的修正

采用变形镜模拟激光镜面热畸变,使变形镜在不同的驱动电压下产生相应的形变,用Hartmann-Shack传感器作为测量仪器,分别以垂直入射法和非垂直入射法测量了变形镜在各驱动电压下的形变数据。对比两种方法测得的波前像差峰谷值(PV值)数据发现,非垂直入射法测得的数据小于垂直入射法测得的真实数据,两者之间的相对偏差随形变量的增大而增大,且与入射角密切有关,随着入射角的增大,相对偏差明显增大。若将非垂直入射法测得的数据除以入射角的余弦对数据进行修正,结果与真实数据吻合很好,波前像差PV值最大相对偏差不到2%。     

提高人眼波前传感器信噪比的实验研究

Hartmann-Shack(H-S)人眼波前传感器噪声主要是角膜的反射光。本文用模拟人眼对消噪声的两种方法进行了实验研究。首先,对使用偏振分光棱镜(PBS)的H-S系统,在系统出瞳不变,入瞳变化的条件下测量了对应的信噪比。实验证明：与采用薄半透半反镜相比,在光线斜入射消除PBS内部反射噪声的前提下,该方法可使信噪比提高到11：1。其次,对离轴入射法进行实验研究,获得200：1信噪比,最后对上述两种方法获得的光斑点阵进行了比较分析。     

螺旋桨式测风传感器自动检测系统研究与开发

螺旋桨式测风传感器应用范围广、需求数量大,而传统检测方法效率低、容易出现人为差错,为此研究开发了一种自动检测系统,采用伺服电机带动测风传感器风速转轴转动的方法检测风速部件,利用蜗杆蜗轮模型构建角度盘,实现风向部件检测。实际应用表明,该系统检测效率高,适检范围宽,实现了螺旋桨式测风传感器风速风向检测的自动化,与过去人工方式相比检测每台测风传感器的时间减少50%以上。