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...     

双光楔微扫描哈特曼-夏克波前探测技术

传统哈特曼-夏克传感器主要受微透镜尺寸与微透镜数量的限制,对待测波前采样不足,影响对波前的探测精度。通过对哈特曼-夏克传感器波前重构原理和双光楔微扫描原理进行分析讨论,提出了一种在哈特曼-夏克传感器之前加入双光楔微扫描结构的检测方法,弥补了传统哈特曼-夏克传感器对待测波前采样不足的缺点。利用Zemax和Lighttools软件模拟了加入双光楔微扫描结构哈特曼-夏克传感器的光斑分布情况。微扫描图像重建算法与波前重构算法结合给出原理性验证,对所模拟后大像差光学系统波前复原精度提高了53.53%,该方法可以有效提高哈特曼-夏克传感器对波前探测的精度。     

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。     

基于立方型相位板调制的波前编码图像恢复

针对立方型相位板对光瞳调制具有非旋转对称性及实际相位板方位测试困难从而导致实际波前编码系统后续图像不能准确恢复的问题,提出了以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整点扩散函数(PSF)的维纳滤波方法。对于手持式裂缝检测波前编码系统的图像恢复,以ZEMAX软件设计得到的PSF为基础,根据立方型相位板PSF的旋转性质,进行旋转增量修正,并使用循环边界的方法消除截断振铃效应,来提高图像恢复的质量。实验表明,改进算法可以有效地修正系统的PSF,对波前编码实际系统图像的恢复有很好的适用性。     

超松弛法哈特曼传感器波前重构仿真分析

哈特曼传感器是一种对环境要求低，测量精度高的光束质量测量仪器，但传统方法不能对任意形状的光斑进行波前重构，即光束质量测量。文中采用超松驰进行计算机仿真，验证了该方法能够适应任意入射形状光斑的波前复原，从原理上解决了哈特曼传感器测量任意形状光斑光束质量问题。     

利用相位差异技术检测离轴三反光学系统的波前误差

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点,提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测,结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像,并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对,验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明,对于粗装调的光学系统,估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ;对于装调完成后的系统,相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。     

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。...     

激光缩束系统波前畸变精度分析

对大科学工程激光参数系统中的激光缩束系统各项装调误差进行了分析,缩束系统中组合物镜系统和目镜系统离焦误差对于系统波前畸变影响最大,并对不同离焦量产生的波前畸变PV值进行了分析,得到缩束系统波前畸变的变化与系统物镜和目镜离焦量并非线性关系。采用大孔径长焦距平行光管、光纤激光器和哈特曼传感器组成激光波前测试系统对激光缩束系统的波前进行实时测量和验证,经过波前计算机辅助技术,使其技术参数达到了波前畸变PV值优于0.2（=1.053 m）的要求。     

相位恢复波前重构技术的发展与应用（特邀）

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息,是探测微观和宏观世界的重要技术手段之一,已广泛应用于生物显微、工业检测和天文观测等领域。概述基于干涉和非干涉的波前重构技术及其应用,梳理相位恢复波前重构算法的基本原理和发展历程,对常见相位恢复技术手段如交替投影相位恢复算法、基于调制约束和基于深度学习的相位恢复波前重构技术等进行初步的探讨。针对相位恢复波前重构技术的未来发展提出若干可能的研究方向,包括相位恢复算法的进一步优化、新型系统和器件的开发等。     

利用相位恢复波前传感技术检测球面镜面形

为了验证相位恢复波前传感器系统波前检测的能力,搭建了基于相位恢复测量方法的波前传感器检测球面镜面形的实验平台。该平台结构简单,抗震动,可以在对光路不进行任何改变的前提下,利用成像系统上已有的相机对整个光学系统进行在位检测。为了验证相位恢复波前传感器测量方法的准确性,将相位恢复波前传感器测量结果与ZYGO干涉仪测量结果进行比较,实验结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有极大的相似性,所以利用相位恢复波前传感器技术能有效地检测出球面镜的面形误差。     

小波分析压缩感知在图像复原中的应用研究

压缩感知理论是在已知信号具有稀疏性或可压缩性的条件下,对其进行数据采集、编码和解码的新型理论。通过对二维小波分解与重构算法以及压缩感知理论的介绍,指出基于小波变换压缩感知理论在图像复原中具有计算复杂度低、结构简单和易于实现的优点。实验结果说明了该算法与一般的图像复原算法相比,相近效果下所需要的观测数据量、存储空间和计算量更少;能够有效地改善低码率压缩图像的主客观质量,改善程度也优于传统算法。     

基于波前像差的图像质量评价方法研究

图像质量评价的研究已成为图像信息工程的基础技术之一。由于图像的最终接受者是人,所以评价图像质量应反映出人类的主观视觉感知。为构造一种符合人眼视觉特性的图像质量评价方法,利用点扩散函数针对人眼建立了含有波前像差信息的图像视觉评价模型,并用此模型分别对添加不同噪声的图像进行图像质量评价。实验结果表明,该方法是可行的、有效的,不同的人眼对同一幅图像的评价存在有差异,人眼波前像差越小观察到的图像越清晰。该方法不仅能够在评价图像质量时准确反映人眼的主观感知,而且能够直观地呈现不同人眼实际看到的图像。     

Underwater image restoration by means of blind deconvolution approach

Although the use of blind deconvolution of image restoration is a widely known concept, little literatures have discussed in detail its application in the problem of restoration of underwater range-gated laser images. With the knowledge of the point spread function (PSF) and modulation transfer function (MTF) of water,underwater images can be better restored or enhanced. We first review image degradation process and Wells' small angle approximation theory, and then provide an image enhancement method for our underwater laser imaging system by blind deconvolution method based on small angle approximation. We also introduce a modified normalized mean square error (NMSE) method to validate the convergence of the blind deconvolution algorithm which is applied in our approach. The results of different initial guess of blind deconvolution are compared and discussed. Moreover, restoration results are obtained and discussed by intentionally changing the MTF parameters and using non-model-based PSF as the initial guess.     

Fast total variation deconvolution for blurred image contaminated by Poisson noise

In this paper, we present a fast non-blind deconvolution method for restoring blurred images contaminated by Poisson noise. The problem is formulated by finding the minimizer of the negative logarithmic Poisson log-likelihood combined with the total variation (TV). To attack the challenging task, we adopt the well-known variable splitting and penalty technique to convert the problem into two easier sub-problems: one is a modified TV regularized deconvolution and the other is a simple convex optimization problem. Experimental results show that the proposed method runs very fast and the quality of the restored image is comparable with that of some state of the art methods.     

基于盲解卷积的红外烟幕干扰图像去噪方法

介绍了多频谱红外烟幕弹爆炸后,红外热像仪所采集图像产生噪声的原因及噪声模型;并根据烟幕干扰退化图像噪声的点扩展函数难以准确描述的特性,应用频域迭代盲解卷积算法进行红外图像去噪,根据算法原理并结合烟幕干扰图像的噪声特点,对算法进行了适当的改进。实验证明,该方法去噪效果明显,有效地克服了维纳滤波等传统图像去噪方法使图像变模糊的现象,并使烟幕干扰图像的有效区域得到增强。     

Blind image deconvolution for single motion-blurred image

Motion blur due to camera shake during exposure is one of the most common reasons of image degradation,which usually reduces the quality of photographs seriously.Based on the statistical properties of the natural image's gradient and the blur kernel,a blind deconvolution algorithm is proposed to restore the motion-blurred image caused by camera shake,adopting the variational Bayesian estimation theory.In addition,the ring effect is one problem that is not avoided in the process of image deconvolution,and usually makes the visual effect of the restored image badly.So a dering method is put forward based on the sub-region detection and fuzzy filter.Tested on the real blurred photographs,the experimental results show that the proposed algorithm of blind image deconvolution can remove the camera-shake motion blur from the degraded image effectively,and can eliminate the ring effect better,while preserve the edges and details of the image well.     

可见光下3维针孔的衍射波面分析

针孔是相移点衍射干涉仪中的关键元件。为了探究针孔的尺寸、制造针孔的材料以及材料的厚度对衍射波面质量的影响,确定点衍射干涉仪的测量精度,采用时域有限差分法分析获得了近场数据,并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论将近场数据外推得到远场数据,通过远场处理数据分别对TM和TE偏振光入射针孔时,针孔的大小、材料以及材料厚度对衍射波波面质量的影响进行了理论分析和仿真模拟,得到了相应变化曲线图。结果表明,若要获得理想的球面波,材料厚度不能低于300nm,适当的孔径尺寸可以降低衍射波面误差;当孔径为300nm左右时,波面的均方根误差可达到λ/1000(λ=632.8nm)。这一结果对相移点衍射干涉仪的设计和应用是有帮助的。     

一种改进的NAS-RIF红外图像盲复原算法

针对军事目标红外图像信噪比低、NAS-RIF算法复原模糊图像时敏感于噪声的缺陷,提出一种基于Contourlet多尺度变换去噪和图像细节规整化的改进NAS-RIF盲复原算法。首先,通过Contourlet变换对图像进行去噪预处理;然后,利用最优阈值分割技术提取目标的可靠支持域,并引入规整化方法,在代价函数中添加目标边缘保持约束项,保存图像细节特征;最后,利用共轭梯度(CG)算法优化代价函数,以保持算法的收敛速度。两组实验的结果表明,针对信噪比较低的气动红外退化图像,与原始NAS-RIF方法相比,本文提出的改进算法具有更好的复原效果,算法的收敛速度基本保持不变。     

非圆孔径离散采样点正交多项式波前拟合

Zernike多项式拟合是一种在光学领域中广泛应用的分析技术.由于现代光学工程中采集数据的离散性和非圆孔径系统的大量使用,Zernike多项式拟合不能完全满足分析需要.提出了一种基于Zernike多项式的非圆孔径离散采样点的正交多项式.通过矩阵的QR分解方法得到在离散采样点上的正交多项式基底.分别使用Zernike多项式和正交多项式对150 mm90 mm的矩形光栅反射波前进行拟合,结果表明两种方法残差波前的PV和RMS值分别相差0.013波长和小于0.001波长.对比不同项数拟合的正交多项式和Zernike多项式系数表明,正交多项式系数之间彼此独立,并由正交多项式系数计算得到了对应的Seidel像差.正交多项式各项系数可以逐项求解,该方法可以显著提高求解速度.