基于扩展目标的大视场波前畸变探测研究

摘要

在望远镜成像过程中，由于大气湍流扰动导致的大气折射率变化将使成像质量严重退化。若要利用大口径望远镜获得高分辨率的成像，就必须使用自适应光学系统对大气湍流导致的波前畸变进行实时地探测和矫正。微透镜阵列结构的哈特曼波前传感器是现阶段发展较成熟的波前传感手段，已经被广泛应用在自适应光学系统中。该传感器通过对光学成像系统入曈面处的光场波前进行分割采样从而获得波前信息。通过对目前波前传感领域的问题进行分析，本文对另外一种基于微透镜阵列光场相机结构的波前探测方法进行了理论和实验研究。研究表明，该波前探测方法可以在一次曝光中对多个方向上信标的波前同时进行探测，从而为大视场波前畸变探测提供了一种新的方法。
　　论文首先回顾了国内外研究人员在大视场波前探测领域的研究成果，总结了现阶段常用的波前探测方法及其局限性，介绍了光场相机的应用进展，对比分析了传统相机与光场相机的成像特点，以及传统哈特曼波前探测结构与光场相机波前探测结构，讨论了光场相机波前探测方法的优势，阐述了利用光场相机进行波前探测的基本原理和实现方法。
　　然后，论文建立了光场波前探测结构的理论模型，利用傅立叶光学原理详细讨论了光场结构在各个成像面上的光学变换，通过计算机编程建立了数值模型，对光场相机用于单视角单阶泽尼克模式、单视角多阶泽尼克模式、多视角泽尼克模式波前的探测恢复进行了仿真。仿真结果表明该结构用于波前探测具有可行性，并具有同时获得多视角方向波前的探测优势。
　　最后借鉴发展较为成熟的商业化光场相机的装配方法，分析了光场结构各个部件的装配特点，利用实验室现有条件自行设计了一套光场相机系统，搭建了光场波前测量平台，完成了对系统的初始化标校，对光场相机结构用于波前探测的可行性进行了实验验证，实验结果表明该结构用于波前探测具有现实可行性。
　　本文的研究表明基于光场相机结构的波前探测方法能够同时探测多个视角上的波前信息，有望解决大视场波前探测问题，在大型望远镜清晰成像系统中发挥重要作用。

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第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3本文结构安排

第二章 基于扩展信标的大视场波前探测原理分析

2.1 光场相机的基本结构与成像特点

2.2 利用光场相机结构进行波前探测的基本原理

2.3光场相机结构波前测量与哈特曼结构的波前探测的对比

2.4光场相机结构用于波前探测的实现方法

2.5 本章小结

第三章 光场结构用于波前探测数值模拟

3.1光场相机衍射光学模型

3.2 光场系统波前探测仿真

3.3本章小结

第四章 光场结构用于波前探测的实验研究

4.1 实验系统构建

4.2 光场波前探测系统波前测量可行性验证实验

4.3 光场波前斜率提取程序

4.4本章小结

第五章 总结及展望

5.1 主要研究成果

5.2 主要创新点

5.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果