[發明專利]基于圖像反卷積的大氣色散修正方法

有效

• 申請號: 201810634255.1
• 申請日: 2018-06-20
• 公開（公告）號: CN108898559B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 孔思捷;馬文禮;周進
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于圖像反卷積的大氣色散修正方法，具體過程為：步驟S1：針對望遠鏡的待校正圖像，利用Elden模型估算出大氣色散導致的圖像彌散指數；步驟S2：對圖像中每一列數據進行邊緣延拓，最大程度地接近圖像卷積效果；步驟S3：對延拓后的每一列數據，采用圖像反卷積算法修正大氣色散影響。本發明基于卷積和反卷積在一定條件下的可逆性，最大程度的模擬圖像直接卷積后的數據，再進行反卷積復原。該方法以圖像反卷積為基礎，修正大氣色散造成的圖像模糊，相對于傳統的棱鏡校正和光纖校正，降低了光學系統的設計復雜度。

技術領域

本發明屬于地基天文及空間目標觀測領域，具體涉及基于圖像反卷積的大氣色散修正方法，采用圖像反卷積算法對大口徑大視場的地基光電望遠鏡進行大氣色散校正，使望遠鏡獲得更加清晰的圖像。

背景技術

隨著地基光電望遠鏡口徑和焦距的增大，望遠鏡的成像質量受大氣色散的影響愈發嚴重。短焦光學系統中，恒星的像呈現為圓點，而長焦光學系統的像點變成短線，導致圖像清晰度下降，影響對暗弱目標的探測和分辨(參見文獻[1]明名,呂天宇,吳小霞,郝亮,趙金宇.“大氣色散對4m望遠鏡成像分辨力的影響與校正”,中國光學,2015,8(5):814-822.)。

大氣色散的產生原因是：自天體的光線穿過大氣層后，受到大氣的影響使光線產生折射。對于不同波長的光線，大氣折射率不同，穿過大氣層后產生的彎曲也不一樣，從而形成大氣色散(參見文獻[2]劉根榮,袁祥巖.“LAMOST望遠鏡的大氣色散校正”，天文學報，2005,46(3):331-342.和文獻[3]張學軍,姜文漢.“大氣折射和大氣色散的數值計算及結果分析”,光電工程,2002,29(2):1-5.)。由于大氣折射的影響，在非天頂區域，觀測到的目標俯仰角和目標實際的俯仰角有一定差別。另一方面，非天頂目標(即使是點源)會在俯仰方向產生展寬，使得像面上的星像由一個圓點變成一條離散的光譜。

傳統的大氣色散校正方法是在光學系統設計色散改正鏡。當望遠鏡口徑較大，并兼顧大視場成像要求的情況下，色散改正鏡的設計需要兼顧大口徑與大視場，光學系統要保證全視場的成像質量，同時又有兼顧對大氣色散的校正，增大了光學系統的設計難度；大氣色散改正鏡往往需要高色散的光學材料，這些材料的短波吸收大，影響光學系統透過率；大氣色散隨觀測仰角的不同，大氣色散也會隨之變化，因此大氣色散改正鏡需要隨望遠鏡仰角進行調整。在色散改正鏡調整時，要保證光學系統的偏心要求，不能影響光學系統成像質量，因此要求調整機構有很高的精度。針對大氣色散光學校正方法導致系統復雜、技術難度增大的特點，促使我們采用圖像處理的方式來解決大氣色散問題，降低望遠鏡光學設計、加工、檢測、裝調和調整的難度。

從數學角度看望遠鏡成像，即將大氣色散模型看作一個卷積核，原始圖像經過卷積核卷積以后，得到色散影響后的拍攝圖像。理論上，在已知色散影響后的圖像和卷積核的情況下，通過反卷積計算，就可以恢復出原始圖像。

圖像復原中最困難的問題是在解復原方程時經常碰到病態問題和奇異問題。忽略噪聲和非線性因素的影響，已知圖像中一列，經過大氣色散影響可以表示為：

f_i(y)*h(w)＝g_i(y) (1)

可以定義變換或者算符T，對f進行T變換得到g，即：

T{f_i}→g_i (2)

圖像復原的問題就是尋找一個逆變換T^-1，使得：

T^-1{g_i}→f_i (3)

從數學意義上說，圖像復原的問題是討論逆變換的存在性和單一性問題。如果逆變換不存在，那么從純數學理論上說，f是不能從g中復原出來的。同時，g很小的擾動可能造成f很大的擾動。數學上表示為：