一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法，该方法使用两个或以上不同排布方式的低分辨波前探测器，通过波前处理机进行综合波前复原运算后提高波前探测的空间分辨率。该方法利用两个以上波前探测器，借助波前探测器不同的排布方式特点，通过在复原过程中增加约束项的方式提升组合波前传感器的空间分辨率，达到高分辨波前探测的目的。本发明专利技术通过组合两个以上低分辨波前探测器达到实现高分辨测量效果，具有结构简单，实时性强等特点，特别适用于低对比度扩展目标的实时高分辨波前探测。实时高分辨波前探测。实时高分辨波前探测。

【技术实现步骤摘要】
一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法


[0001]本专利技术涉及哈特曼波前测量方法，特别涉及一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法。

技术介绍

[0002]哈特曼波前探测方法是一种用于测量入射光束波前畸变信息的高效手段，最初主要应用于点目标波前信息的探测，而后逐渐的推广到扩展目标波前信息的探测。哈特曼波前测量方法在扩展目标波前信息探测中，相比其他扩展目标波前信息探测方法，具有结构简单、光能利用率高、实时性好等优势。
[0003]单一的哈特曼波前传感器实现对扩展目标的波前探测存在的主要问题是波前探测的空间分辨率低，由于扩展目标波前探测过程中需要在单个子孔径内获取目标高对比度结构信息，单个子孔径内采用了更多的像素数，同时，高速的采样频率使得探测器靶面无法通过无限扩展实现更多的子孔径测量；因而，大多数情况下，针对扩展目标的波前探测空间分辨率一般都比较低。
[0004]此外，在弱光条件下，单个子孔径内需要接收更多的光子才能提高质心探测的信噪比，因此，子孔径分割的个数也是较小的，难以在一次测量中获取高分辨的波前信息。
[0005]为此，国内外同行开展了大量的研究工作。在低分辨的哈特曼中获取高分辨的波前信息，利用深度学习的方法，郭有明等研究学者采用一套分辨率只有19个子孔径的哈特曼传感器，复原出由44阶次组成的波前像差；无波前控制算法仅利用单幅远场强度信息，通过多次探测迭代，也可以实现对目标波前的高分辨探测与控制，但相对而言收敛速度较慢，难以应用于快速变化的动态像差中；相位差算法仅利用两个远场强度分布信息便可以获取高分辨的波前信息，但是也往往需要很长的迭代时间，通过深度学习等工具，有学者也实现了高速波前复原，但在扩展目标领域的应用仍未见报道。
[0006]上述的方法在不同程度上解决了高分辨波前探测的要求，但也明显看到了上述方法使用时存在的问题，如无法应用于扩展目标，或者波前探测效率较低等。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是：针对上述问题困难和矛盾，提供一种由低分辨波前快速复原高分辨波前信息的方法，该方法基于两个或者多个低分辨哈特曼波前探测器的组合实时的获取高分辨波前信息。
[0008]组合低分辨哈特曼传感器以获取高分辨波前信息方法的本质是利用了低分辨哈特曼传感器之间的采样差异，由于每一个低分辨哈特曼传感器对应的子孔径采集区域并不相同，这个差异将最终体现在子孔径斜率上，通过求解方程的思想，将这个差异求解出来，获得高分辨的波前信息。由于整个的波前复原过程仍然是简单的矩阵求解，即使采用交替方向乘子法(ADMM)求解方法，也仅为少量2
‑
3次的迭代过程，运算量远小于相位差等迭代收敛算法，因此，该方法具备实时探测的特点；此外，也可以通过快反镜切换光路，在两个不同
排布的低分辨哈特曼之间交替波前探测，通过组合前后两帧的斜率信息获取高分辨的波前信息。
[0009]本专利技术采用的技术方案为：
[0010]一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法，所述组合哈特曼系统包括第一哈特曼波前探测器(1)，第二哈特曼波前探测器(2)，波前信号处理板(3)，输入光束分光器(4)和信号输出接口(5)，其特征在于，所述波前测量方法包括如下步骤：
[0011]步骤1)：含待测量波前的输入光束经过所述光束分光器(4)后分别进入第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)，通过波前信号处理板(3)采集所述第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)中光斑阵列图像数据；
[0012]步骤2)：基于步骤1)获得的光斑阵列图像数据，通过质心计算方法分别计算第一哈特曼波前传感器(1)的实测波前斜率分布数据S1和第二哈特曼波前传感器(2)的实测波前斜率分布数据S2；
[0013]步骤3)：通过求解方程J
n
＝‖S1‑
H1C‖2+‖S2‑
H2C‖2+f(C)，获得高分辨的波前分布数据C，其中，J
n
是优化的目标函数，优化的目标是通过选择不同的C使得J
n
的数值最小；S1是通过步骤2)得到的第一哈特曼波前探测器(1)实测波前斜率分布数据，S2是通过步骤2)得到的第二哈特曼波前探测器(2)的实测波前斜率分布数据，H1是第一哈特曼波前探测器(1)的波前复原矩阵，H2是第二哈特曼波前探测器(2)的波前复原矩阵，f(C)是约束项或正则项。
[0014]进一步的，所述第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)的子孔径排布不相同，并且可以通过增加光束分光器，使用超过2个的哈特曼波前探测器提升波前探测的空间分辨率。
[0015]进一步的，所述第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)采用微透镜阵列和CCD探测器或CMOS探测器组合而成。
[0016]进一步的，所述质心计算方法为自适应光学系统中子孔径斜率计算方法，具体通过下列表达式进行质心计算：
[0017][0018]其中，为光斑光强分布，S0为当入射光束不含像差时光斑的质心位置，D为有效探测口径，为焦面坐标。
[0019]进一步的，所述f(C)采用二次范数、一次范数或者加权二次范数进行约束。
[0020]进一步的，所述方程的求解根据正则项f(C)进行调整，当正则项为二次范数时，采用最小二乘法进行求解；当正则项为一次范数时，采用交替方向乘子法进行求解。
[0021]与其他的超分辨的波前探测方法相比，本专利技术具备更高的实时性，并且可以应用于不同扩展度的信标系统中，适用性更广。
附图说明
[0022]图1是本专利技术用于测量波前的组合哈特曼系统结构示意图；
[0023]图2是两个低分辨率哈特曼传感器的子孔径布局；
[0024]图3是一实施例中使用图2的两个低分辨哈特曼传感器组合复原波前和使用子孔
径数为11
×
11哈特曼复原波前图；
[0025]其中，图3中的(a)为利用7
×
7哈特曼阵列结合8
×
8哈特曼阵列复原的波前分布及其复原残差；
[0026]图3中的(b)为使用11
×
11的哈特曼阵列复原的波前分布及其复原残差；
[0027]图3中的(c)为两种复原方法在不同复原模式条件下的残差RMS对比曲线；
[0028]图4为另一实施例中在输入光强较弱时，光斑阵列信噪比较低情况下，使用图2的两个低分辨哈特曼传感器组合复原波前和使用子孔径数为11
×
11哈特曼复原波前图；
[0029]其中，图4中的(a)为利用7
×
7哈特曼阵列结合8
×
8哈特曼阵列复原的波前分布及其复原残差；
[0030]图4中的(b)为使用11
×
11的哈特曼阵列复原的波前分布及其复原残差；
[0031]图4中的(c)为两种复原方法在不同复原模式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用组合哈特曼系统提高空间分辨率的波前测量方法，所述组合哈特曼系统包括第一哈特曼波前探测器(1)，第二哈特曼波前探测器(2)，波前信号处理板(3)，输入光束分光器(4)和信号输出接口(5)，其特征在于，所述波前测量方法包括如下步骤：步骤1)：含待测量波前的输入光束经过所述光束分光器(4)后分别进入第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)，通过波前信号处理板(3)采集所述第一哈特曼波前探测器(1)和第二哈特曼波前探测器(2)中光斑阵列图像数据；步骤2)：基于步骤1)获得的光斑阵列图像数据，通过质心计算方法分别计算第一哈特曼波前传感器(1)的实测波前斜率分布数据S1和第二哈特曼波前传感器(2)的实测波前斜率分布数据S2；步骤3)：通过求解方程J
n
＝‖S1‑
H1C‖2+‖S2‑
H2C‖2+f(C)，获得高分辨的波前分布数据C，其中，J
n
是优化的目标函数，优化的目标是通过选择不同的C使得J
n
的数值最小；S1是通过步骤2)得到的第一哈特曼波前探测器(1)的实测波前斜率分布数据，S2是通过步骤2)得到的第二哈特曼波前探测器(2)的实测波前斜率分布数据，H1是第一哈特曼波前探测器(1)的波前复原矩阵，H2是第二哈特曼波前探测器(2)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄林海，吴晓松，张兰强，顾乃庭，郭友明，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：