[發(fā)明專利]基于圖像增強(qiáng)的夏克-哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310054925.3
• 申請(qǐng)日: 2023-02-03
• 公開（公告）號(hào): CN116046183A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳春璐;趙旺;王帥;官泓利;趙孟孟;趙晨思;楊平;楊康建
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01J9/00
• 分類號(hào): G01J9/00;G06T5/00;G06T7/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

本發(fā)明公開了一種基于圖像增強(qiáng)的夏克?哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法，受大氣湍流強(qiáng)度、傳輸距離、信標(biāo)光回光特性、探測器動(dòng)態(tài)范圍受限等因素影響，待測光束近場光強(qiáng)分布不均勻且動(dòng)態(tài)變化，波前傳感器圖像出現(xiàn)信號(hào)和噪聲糅雜、模糊不清的情況，使子光斑質(zhì)心即波前斜率計(jì)算誤差增大，從而導(dǎo)致波前傳感器的復(fù)原精度降低。針對(duì)上述問題，本發(fā)明首先利用圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)波前傳感器圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，突出中心信號(hào)的低頻子帶，抑制四周高頻噪聲，改善圖像質(zhì)量，降低不均勻光強(qiáng)子孔徑的斜率計(jì)算誤差對(duì)全局波前復(fù)原的影響，進(jìn)而可以提升夏克?哈特曼波前傳感器的子孔徑斜率提取和波前探測精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于波前探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于圖像增強(qiáng)的夏克-哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法，可用于天文觀測、激光大氣傳輸補(bǔ)償、自由空間激光通信等多個(gè)領(lǐng)域的波前探測。

背景技術(shù)

夏克-哈特曼波前傳感器(Shack-Hartmann?wavefront?sensor,SHWFS)由于原理簡單、光能利用率高、速度快等特點(diǎn)，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。夏克-哈特曼波前傳感器主要由微透鏡陣列和光電探測器組成，當(dāng)入射光束有波前畸變時(shí)，子孔徑范圍內(nèi)的波前傾斜將造成光斑漂移，通過測量聚焦子光斑質(zhì)心位置相對(duì)標(biāo)定位置的偏移量，可以得到該子孔徑對(duì)應(yīng)的波前斜率。得到入射波前斜率數(shù)據(jù)后，通過波前復(fù)原算法可以得到入射波面的相位分布。

在實(shí)際應(yīng)用中，受大氣湍流強(qiáng)度、傳輸距離、信標(biāo)光回光特性等因素影響，夏克-哈特曼波前傳感器入射光束近場光強(qiáng)分布不均勻且動(dòng)態(tài)變化，波前傳感器出現(xiàn)低信噪比區(qū)域，部分區(qū)域信號(hào)湮沒在噪聲中，此時(shí)子孔徑斜率計(jì)算誤差增大，從而使得波前傳感器的復(fù)原精度降低。最終，導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正效果下降，甚至出現(xiàn)閉環(huán)不穩(wěn)定的情況。目前主要采用加窗閾值加權(quán)質(zhì)心法([1]魏平.低信噪比條件下哈特曼波前傳感器圖像信號(hào)處理方法研究[D].電子科技大學(xué),2021.)、互相關(guān)算法(E.Sidick,J.J.Green,R.M.Morgan,etal.Adaptive?cross-correlation?algorithm?for?extended?scene?Shack-Hartmannwavefront?sensing[J].Optics?Letters,2008,33(3):213-215)、局部自適應(yīng)閾值(李旭旭，李新陽，王彩霞.哈特曼傳感器子孔徑光斑的局部自適應(yīng)閾值分割方法[J].光電工程，2018，45(10):170699)、基于深度學(xué)習(xí)的質(zhì)心定位(李自強(qiáng).基于深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)光學(xué)波前傳感技術(shù)[D].中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所),2021.)等方法，試圖提高光強(qiáng)分布不均勻下的低信噪比子光斑的質(zhì)心計(jì)算誤差，但是無法完全避免這些暗弱光斑數(shù)據(jù)誤差對(duì)全口徑波前重構(gòu)精度的影響。

為此，當(dāng)入射光束近場光強(qiáng)分布不均勻且動(dòng)態(tài)變化時(shí)，需要尋找一種能夠降低暗弱的低信噪比子光斑質(zhì)心計(jì)算誤差對(duì)波前復(fù)原精度影響的方法，提升入射光束近場動(dòng)態(tài)起伏下的波前探測精度，進(jìn)一步擴(kuò)展自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在強(qiáng)湍流、長傳輸距離等條件下的適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于圖像增強(qiáng)的夏克-哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法，解決入射光束近場光強(qiáng)分布不均勻下夏克-哈特曼波前傳感器的高精度波前復(fù)原問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種基于圖像增強(qiáng)的夏克-哈特曼波前傳感器波前復(fù)原方法，根據(jù)夏克-哈特曼波前傳感器子光斑初始光強(qiáng)進(jìn)行圖像增強(qiáng)，突出有利于質(zhì)心提取的中心信息，抑制不感興趣的部分，使不同特征之間差異更加明顯，提升子光斑信噪比，并以增強(qiáng)后的子孔徑信息復(fù)原波前，該方法具體通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：