[發明專利]一種基于神經網絡的缺光子孔徑質心位移估計方法

有效

• 申請號: 202110933080.6
• 申請日: 2021-08-12
• 公開（公告）號: CN113654670B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 趙孟孟;趙旺;王帥;楊平;楊康建;曾鳳嬌;孔令曦
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明公開了一種基于神經網絡的缺光子孔徑質心位移估計方法，該方法通過神經網絡建立夏克?哈特曼波前傳感器局部與全口徑子孔徑質心位移之間的非線性關系，根據可探測的子孔徑質心位移估計缺光子孔徑質心位移，本發明可有效降低子孔徑缺光對波前傳感器探測精度和波前復原算法魯棒性的影響，提高傳感器對光束近場強度非均勻分布的適應能力，增強子孔徑存在缺光情況下的波前探測穩定性，有望用于近場光強分布不均勻、光強閃爍等情況下的高精度、高魯棒性波前測量。

技術領域

本發明屬于波前傳感技術領域，尤其涉及一種基于神經網絡的缺光子孔徑質心位移估計方法。

背景技術

夏克-哈特曼波前傳感器(SH-WFS)具有結構簡單、測量速度快、適應能力強等優勢，被廣泛應用于激光傳輸、天文觀測、醫學成像等各個領域。該傳感器由微透鏡陣列和CCD組成。入射光束經微透鏡陣列分割、采樣并聚焦于CCD上形成光斑陣列圖像。子光斑質心位移與對應子孔徑波前的平均斜率成比例，通過計算各子光斑質心位移來估算局部波前斜率，最后根據子孔徑斜率信息由相應的波前復原算法重構整個入射波前。因此，子孔徑光斑質心位移數據的準確性和完整性直接決定了夏克-哈特曼波前傳感器的測量精度。

實際應用中，受大氣湍流強度、信標光缺光特性等因素影響，光束到達夏克-哈特曼波前傳感器時，會出現部分子孔徑光斑強度減弱甚至消失于噪聲中，從而導致傳感器無法獲得完整的、準確的子孔徑質心位移信息，當缺光子孔徑數目較多時會嚴重影響波前復原精度和復原算法的魯棒性，限制自適應光學系統的校正效果。

針對部分子孔徑缺光問題，最常用的一種方法是缺光子孔徑斜率置零法(見于魏平，李新陽，羅曦，李劍峰，“部分子孔徑缺光對夏克-哈特曼波前傳感器波前復原的影響”.中國激光.47(4)，0409002,2020)。該方法通過拋棄不準確的子孔徑斜率信息，提高波前復原精度，在少量子孔徑缺光情況下，可以獲得較高精度的波前復原效果。但該方法忽略了信息的完整性，隨著缺光子孔徑數目增多，波前傳感器探測精度下降。因此，亟需尋找一種能夠利用部分子孔徑數據估計缺光子孔徑質心位移的方法，使得夏克-哈特曼波前傳感器對部分子孔徑信息丟失具備一定的容忍度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：解決夏克-哈特曼波前傳感器子孔徑缺光導致波前重構精度下降的問題，提高夏克-哈特曼波前傳感器對子孔徑缺光的容忍度，降低子孔徑缺光對波前復原精度和復原算法魯棒性的影響。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種基于神經網絡的缺光子孔徑質心位移估計方法，該方法基于神經網絡建立夏克-哈特曼波前傳感器局部與全口徑子孔徑質心位移之間的非線性關系，根據已知的部分子孔徑質心位移估計缺光子孔徑質心位移，該方法具體通過以下步驟實現：

步驟1：根據夏克-哈特曼波前傳感器局部子孔徑質心位移和全口徑子孔徑質心位移構造訓練集；

步驟2：構建滿足局部子孔徑質心位移矩陣和全口徑子孔徑質心位移矩陣對應關系的神經網絡；

步驟3：利用步驟1生成的訓練集對步驟2構建的神經網絡進行訓練；

步驟4：在實際應用中，將不可準確探測的子孔徑質心位移置零，即獲得局部子孔徑質心位移矩陣，然后將其輸入步驟3訓練好的神經網絡得到全口徑子孔徑質心位移，即完成缺光子孔徑質心位移估計，所述不可準確探測的子孔徑包括缺光子孔徑和/或低信噪比子孔徑。

進一步地，步驟1所述的訓練集構造過程如下：

步驟1.1：將畸變波前輸入夏克-哈特曼波前傳感系統中，輸出光斑陣列圖像，通過質心算法得到全口徑子孔徑質心位移矩陣T_x、T_y，作為神經網絡的輸出；