相位差法扩展目标波前探测技术的研究

摘要

光波在空气的传播过程中,由于受到气流的扰动影响,其波前会随着空气折射率的随机变化而发生畸变,不仅大大影响光学探测系统的成像质量,而且严重限制了光学系统的分辨率。自适应光学技术的出现有效地克服了波前畸变的影响,改善了成像系统的分辨率,已被广泛应用于校正大气湍流引起的波前畸变。自适应光学技术包括三部分,分别是波前探测技术、波前控制技术以及波前补偿技术。传统的波前探测技术,例如剪切干涉仪、夏克-哈特曼传感器等,大多需要自然导星或人造激光导星那样的点参考光源进行波前探测,而对于星云、太阳等扩展目标的波前探测,传统波前探测技术不再适用。相位差法波前探测技术的基本思想是,利用同时采集到的焦面和离焦面图像光强信息,恢复出光瞳上由于气流扰动造成的畸变波前相位。相位差法波前探测技术对点目标和扩展目标都可以进行波前探测。与传统的波前探测技术相比较,相位差法波前探测技术的光路简单更易于实现,不存在非共路误差。随着硬件水平和算法的不断提高,相位差法作为传统波前探测的替代技术,越来越受到人们的关注。
　　本研究主要内容包括：⑴研究大气湍流特性,模拟产生符合大气湍流特性的随机波前。柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)湍流理论能够很好地表征大气湍流特性,Noll等人将大气湍流引起的波前畸变分解成了Zernike多项式,利用Zernike多项式构造出了符合柯尔莫哥洛夫湍流特性的随机扰动波前。⑵研究相位差法波前探测技术的基本理论,实现该方法的数值仿真实验。对于线性空不变成像系统,可以通过目标函数与点扩散函数的卷积来模拟成像过程。对这个过程的求解确定了目标函数,并针对高斯噪声情况对目标函数进行调整,利用有限内存拟牛顿法做非线性最优化计算,求出光瞳面上的畸变波前相位分布。⑶通过计算机模拟分析相位差法波前探测系统中各环节带来的误差对相位恢复精度的影响。仿真分析结果表明,系统自身像差、离焦量误差、焦面位置误差、焦面和离焦面图像对准误差以及噪声等都会影响到波前恢复算法的计算精度,并且给出了不同方法来减小这些误差。⑷实验验证相位差波前探测方法在实际应用中对波前相位的探测性能。对点目标和扩展目标搭建相应的实验系统,针对不同类型的静态像差进行波前恢复实验,分析其对波前进行恢复的能力。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容与结构

第2章 大气湍流波前扰动的描述与模拟产生方法

2.1 引言

2.2 描述大气湍流的相关参数

2.3 像差及Zernike多项式

2.4 随机波前的产生

2.5 本章小结

第3章 相位差波前探测方法的理论与数值模拟

3.1 引言

3.2 相位差法波前探测基本原理

3.3 相位差法成像系统的数学模型

3.4 目标函数的调整

3.5 目标函数的数值求解方法

3.6 相位差法成像系统相关参数的确定

3.6.1 离焦量的选取

3.6.2 大气湍流特性相关的成像参数

3.6.3 采样条件

3.7 相位差法的仿真实验

3.7.1 点目标仿真实验

3.7.2 扩展目标仿真实验

3.7.3 相位差法最优化迭代过程

3.8 本章小结

第4章 相位差法波前探测系统的误差仿真分析

4.1 引言

4.2 光学系统自身的像差

4.3 焦面位置误差

4.4 离焦量误差

4.5 焦面图像和离焦图像的对准误差

4.6 图像噪声引入的误差

4.7 本章小结

第5章 相位差法波前探测的实验分析

5.1 引言

5.2 实验系统描述

5.2.1 点目标实验系统

5.2.2 扩展目标实验系统

5.3 实验数据处理与结果分析

5.3.1 点目标实验结果

5.3.2 扩展目标实验结果

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢