一种复杂光瞳望远镜的误差检测方法

摘要

本发明公开了一种复杂光瞳望远镜的误差检测方法。以同一幅图像为目标物，复杂光瞳望远镜中的每个子镜分别单独对目标物成像，并得到目标物灰度图和每个子镜对目标物的成像灰度图；比较它们的对应像素灰度值，计算二者算术平均值标准偏差，以算术平均值标准偏差最小值确定基准子镜，再采用相位差异法检测复杂光瞳望远镜各子镜误差。本发明针对不同结构形式的复杂光瞳望远镜，依据望远镜子镜装调以及工作过程中引入的不同子镜误差，实时、精确地确定误差最小或者误差为零的子镜，将其作为误差检测的基准子镜，为剩余子镜误差的计算提供更好的初始条件，能有效提高复杂光瞳望远镜中子镜误差的检测精度，具有简单易行和实时的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对复杂光瞳望远镜的误差检测技术，特别涉及一种适用于复杂光瞳望远镜误差检测的基准子镜确定方法，属空间望远镜技术领域。

背景技术

高分辨率空间望远镜需要大口径光学系统，但材料、制造、工艺和发射等方面都制约大口径光学系统的研制。复杂光瞳光学系统应用于空间望远镜设计中，克服了大口径光学系统设计、制造和发射等方面的问题。空间望远镜通常采用双反射结构，主要包括主镜和次镜，均可以为球面或非球面，而复杂光瞳望远镜通常是用特定排列的小光学口径来替换主镜，在保证光学系统角分辨率的同时减轻系统的质量和成本。

但是由于复杂光瞳望远镜在子镜装调过程中或者望远镜在工作过程中受到外界干扰(如大气抖动)都会使得子镜偏离理想的位置，造成各个子镜的成像光束不共相位，从而降低最后接收面的成像质量，因此要将复杂光瞳望远镜真正应用于航天遥感领域，必须要解决复杂光瞳望远镜子镜的误差检测与控制问题。

复杂光瞳中子镜的误差主要有两种：活塞误差(piston error)和倾斜误差(tilt error)，而对于复杂光瞳系统中子镜误差检测的目前最常用的方法为相位差异法(phase diversity)，相位差异法需要首先设定一误差为零或者误差最小的子镜作为基准子镜，然后通过迭代算法分别计算出剩余子镜的活塞误差和倾斜误差，最后根据计算结果进行后期的子镜位置校正或图像复原工作。例如在文献“基于遗传算法的改进相位差法波前误差传感技术研究”([J]光学学报0253-2239(2010)04-1015-05)中，公开了一种复杂光瞳望远镜的误差检测方法，该方法假定三子镜复杂光瞳系统中一个子镜误差为零，并给其余子镜分别预设一误差值，通过基于遗传算法的相位差异法计算出其它子镜的误差并与预设值比较来检验算法的准确性。实际上，由于复杂光瞳系统在子镜装调以及外界环境因素干扰下，子镜误差的分布往往具有随机性和实时可变性，因此哪个子镜误差最小或者为零通常是未知的，这就给其他子镜的误差计算带来极大的不确定性。目前利用相位差异法检测复杂光瞳子镜误差的技术主要是理论模拟计算，在理论模拟计算中往往考虑的是一种理想的情况，即随机设定一子镜误差为0，然后将其作为基准子镜进行计算。而在对各子镜初始误差未知的情况下，如何选取误差最小或者为零的子镜作为基准子镜的方法有待研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，针对不同结构形式的复杂光瞳望远镜，提供一种能有效提高检测精度，具有实时、简单易行特点的子镜误差检测方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种复杂光瞳望远镜的误差检测方法，它包括有如下步骤：

1、以同一幅图像为目标物，复杂光瞳望远镜中的每个子镜分别单独对目标物成像，得到成像结果图；

2、将步骤1中的目标物图像和各成像结果图经计算机处理，得到目标物灰度图和每个子镜对目标物的成像灰度图；

3、按式计算得到每个子镜对目标物的成像灰度图与目标物灰度图对应像素灰度值的算术平均值标准偏差；式中，std为算术平均值标准误差，E_s(i,j)为复杂光瞳望远镜每个子镜对目标物的成像灰度图的第(i,j)个像素的灰度值，E_o(i,j)为目标物灰度图的第(i,j)个像素的灰度值，M×N为图像矩阵的分辨率；

4、将算术平均值标准偏差std值最小的子镜确定为基准子镜，采用相位差异法检测复杂光瞳望远镜各子镜误差。

所述的图像矩阵的分辨率M×N为100×100～1000×1000。

由于复杂光瞳望远镜中每个子镜的位置都不相同，因此，作为目标物的图像在选取时必须考虑到使复杂光瞳望远镜各个子镜单独成像结果具有可比性；而通过复杂光瞳望远镜各个子镜单独成像的结果图与原目标物图比较时，必须选取除图像边框之外的有效区域，避免在最后计算过程中引入误差。

由于采用了上述技术方案，本发明的优点是：可根据不同结构形式的复杂光瞳望远镜，依据望远镜子镜装调以及工作过程中引入不同的子镜误差，通过计算各个子镜单独成像灰度图与原目标物灰度图的对应像素灰度值的算术平均值标准偏差，实时、精确地确定误差最小或者误差为零的子镜，将其作为误差检测的基准子镜，为剩余子镜误差的计算提供更好的初始条件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种适用于复杂光瞳望远镜误差检测的基准子镜确定方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的Goaly3复杂光瞳望远镜结构示意图；其中，1、子镜1；2、子镜2；3、子镜3；4、接收面；5、次镜；

图3是本发明实施例提供的目标物；

图4是本发明实施例提供的目标物灰度图；

图5是本发明实施例1提供的Goaly3复杂光瞳望远镜的各子镜对目标物成像的灰度图；

图6是本发明实施例2提供的Goaly3复杂光瞳望远镜的各子镜对目标物成像的灰度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步阐述。

参见附图1，它示出了本发明实施例适用于复杂光瞳望远镜误差检测的基准子镜确定方法的流程图。根据本发明实施例的适用于复杂光瞳望远镜误差检测的基准子镜确定方法包括以下步骤：

步骤S101，以同一幅图像为目标物，分别接收复杂光瞳望远镜中每个子镜单独对目标物的成像结果图；

步骤S102，将目标物和步骤(1)得到的成像结果图经计算机处理，得到目标物灰度图和每个子镜对目标物的成像灰度图；

步骤S103,按式计算得到每个子镜对目标物的成像灰度图与目标物灰度图对应像素灰度值的算术平均值标准偏差；式中，std为算术平均值标准误差，E_s(i,j)为复杂光瞳望远镜每个子镜对目标物的成像灰度图的第(i,j)个像素的灰度值，E_o(i,j)为目标物灰度图的第(i,j)个像素的灰度值，M×N为图像矩阵的分辨率；

步骤S104,将算术平均值标准偏差std值最小的子镜确定为基准子镜，采用相位差异法检测复杂光瞳望远镜各子镜误差。

本发明中，根据复杂光瞳排列的顺序不同可以选择不同的目标物，如复杂光瞳结构具有对称性，则目标物也应该选择具有相应对称性的图像，从而使得每个子镜单独对目标物的成像结果图具有可比性。

实施例1

参见附图2，它是本实施例提供的复杂光瞳望远镜为Golay3结构复杂光瞳望远镜的结构示意图；图2中，子镜1、子镜2和子镜3均为球面，它们大小相等且均匀分布在主镜面上，三个子镜的面形中心分别关于主镜面形中心120°旋转对称，接收面4用于接收望远镜的成像，为了消除像差，次镜5为非球面。该结构可由Golay3复杂光瞳代替双反望远镜中主镜得到，望远镜的结构参数如表1所示。

表1.Golay3复杂光瞳望远镜结构参数

参见附图3，它是本实施例提供的复杂光瞳望远镜所采用的目标物，由计算机处理得到目标物灰度图，其灰度图参见附图4，目标物灰度图分辨率M×N为328×328，M和N的取值取决于目标物图像的大小，中心像素灰度值为255(白色)，边缘灰度为0(黑色)，各个方向灰度变化趋势一致。取目标物灰度图部分像素值如表2所示。

表2.目标物灰度图部分像素取值E_o(i,j)

由于Golay3复杂光瞳望远镜的三个子镜的面形中心分别关于主镜面形中心120°旋转对称，而目标物的灰度渐变方式在各个方向都一致，因此只需考虑其中一个子镜成像结果受误差影响便可得出其他子镜成像结果受误差的影响。

若设子镜1、子镜2和子镜3具有的误差分别为0，活塞误差1.8λ，活塞误差3.6λ，λ为工作波长；

参见附图1，步骤S101是利用Golay3复杂光瞳望远镜的具有不同误差的每个子镜单独对目标物成像；

步骤S102是将步骤S101得到的成像结果图经计算机处理，得到每个子镜的目标物灰度图；其结果参见附图5，图5中，A、B和C图分别为本实施例Goaly3复杂光瞳望远镜中的子镜1、2和3依次对目标物成像灰度图，图像矩阵分辨率M×N均为328×328，分别取上述三幅图部分像素值如表3～表5所示。

表3.子镜1活塞误差为0时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

表4.子镜2活塞误差为1.8λ时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

表5.子镜3活塞误差为3.6λ时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

根据步骤S103,按式计算得到每个子镜对目标物的成像灰度图与目标物灰度图对应像素灰度值的算术平均值标准偏差，三种情况下计算结果分别为0.5986、5.8994、8.5438。

根据步std最小值可以确定子镜1的误差最小，因此，可以作为基准子镜，这与之前假设的子镜1误差最小符合；通过采用文献“基于遗传算法的改进相位差法波前误差传感技术研究”([J]光学学报0253-2239(2010)04-1015-05)中的方法，构建相位差异法实验装置，分别采集焦面和离焦面的图像，通过遗传算法分别计算出各子镜的活塞误差。

实施例2

采用实施例1所提供的Golay3复杂光瞳望远镜和目标物。设子镜1、子镜2和子镜3具有的误差分别为0，倾斜误差3.15×10^-4rad，倾斜误差6.30×10^-4rad。

参见附图1，根据步骤S101利用Golay3复杂光瞳望远镜的具有不同误差的每个子镜单独对目标物成像；

根据步骤S102将步骤S101得到的成像结果图经计算机处理，得到每个子镜的目标物灰度图；其结果参见附图6，图6中，D、E和F图分别为本实施例Goaly3复杂光瞳望远镜中的子镜1、2和3依次对目标物成像灰度图，图像矩阵分辨率M×N均为328×328，分别取上述三幅图部分像素值如表6～表8所示。

表6.子镜1倾斜误差为0时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

表7.子镜2倾斜误差为3.15×10^-4rad时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

表8.子镜3倾斜误差为6.30×10^-4rad时对目标物成像灰度图部分像素取值E_s(i,j)

根据步骤S103,按式计算得到每个子镜对目标物的成像灰度图与目标物灰度图对应像素灰度值的算术平均值标准偏差，三种情况下计算结果分别为0.5986、5.8149、10.4574。

根据步std最小值可以确定子镜1的误差最小，因此可以作为基准子镜，这与之前假设的子镜1误差最小符合；通过采用文献“基于遗传算法的改进相位差法波前误差传感技术研究”([J]光学学报0253-2239(2010)04-1015-05)中的方法，构建相位差异法实验装置，分别采集焦面和离焦面的图像，通过遗传算法分别计算出各子镜的倾斜误差。

从本发明实施例1和2可以看出，根据附图1所示步骤S101至步骤S104计算出的复杂光瞳望远镜每个子镜的std值对于不管是活塞误差还是倾斜误差都极为敏感，当误差值在波长数量级时，此时std值相对于误差为零的子镜的std值已增大数十倍，因此，用该方法可以极为精确地确定误差最小的子镜，将其作为其它子镜误差检测的基准子镜，然后通过相位差异法计算出各子镜的活塞和倾斜误差。