[发明专利]哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法

权利要求书

1.哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法，其特征是：

由哈特曼波前探测器的技术说明书查出饱和亮度值I_L；针对一个亮度恒定的被观测目标，首先将哈特曼波前探测器的增益G_EM设置为初始增益G₀＝10，统计哈特曼波前探测器采集的每一帧光斑阵列中像素上的最高亮度值I_m的起伏变化，逐渐增大哈特曼波前探测器的增益，使监测到的最高亮度值I_m逐渐逼近并小于哈特曼波前探测器的饱和亮度值I_L；在此条件下统计200帧～500帧中的最高亮度值I_m，计算其相对统计帧数的均值I_m相对最高亮度均值的均方差值σ_m；

设定最高亮度均值的理想值为令等于3.0σ_m～3.2σ_m；

再将一帧光斑阵列上每个光斑的亮度最大值相对阵列中的光斑数计算平均值记为I_a，简称为平均光斑最大亮度I_a，作为即时判断每帧信号亮度的监测参量；

进一步找出I_a与的关系即可以通过监测每帧的平均光斑最大亮度I_a来控制增益使哈特曼波前探测器的信号强度成立；依据CCD光强I的线性方程：

I＝k·N_aper·G_EM(1)

其中k为相对I的常量系数，I对应本发明中的I_a、I_m、σ，相应的k为k_a、k_m、k_σ，G_EM为设置的增益，N_aper为对应被观测目标亮度等级的参量，是在G_EM＝1的条件下一个微透镜子孔径内所有像素上的亮度信号之和相对一帧所有子孔径的平均值，简称N_aper为子孔径亮度平均值；在G_EM＝1的条件下，可以测量直线关系，此直线的斜率即为相应的常量系数k_a，也可以测量直线关系，直线的斜率即为相应的常量系数k_m；

令当前帧平均光斑最大亮度为I_a、哈特曼波前探测器当前帧的增益为G_a，对应条件的哈特曼波前探测器调整后的增益G_ms须满足下式：

IaI‾ms=kakm·GaGms---(2)]]>

事先测得哈特曼波前探测器的技术特征参数k_a、k_m和理想最高亮度值即可以由当前帧探测数据I_a和G_a计算得到所需调整的增益值G_ms；

增益控制的其它条件：哈特曼波前探测器(7)背部的EMCCD每一次增益改变需要延迟时间数十毫秒，记为Δt，限定平均光斑最大亮度I_a的检测时间间隔T∈[Δt,Δt+10ms]的范围；另外监测量即平均光斑最大亮度I_a自身存在起伏，记为ΔI_a，设置增益调整控制判断条件为：当前帧的平均光斑最大亮度I_a和上一帧的平均光斑最大亮度I_a^*之差满足|I_a-I_a^*|≥3ΔI_a，当该条件成立时，需对当前增益G_a进行调整，否则无需对增益G_a进行调整。

2.根据权利要求1所述的哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法，其特征是所述的哈特曼波前探测器的技术特征参数k_a、k_m常量系数和理想最高亮度值的测量方法如下：

搭建检测光学系统；检测光学系统由电源(1)、光纤光源(2)、小孔光阑(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、哈特曼波前探测器(7)、湍流屏(8)、计算机(9)组成；光路中各元件的作用为：电源(1)为可编程信号发生器，用以给光纤光源(2)供电，控制其亮度变化，模拟运动目标在被观测中信号亮度I的变化；小孔光阑(3)的直径为100μm，使通过小孔光阑(3)的光成为点光源，该点光源位于第一透镜(4)的前焦点上，使通过第一透镜(4)的光束为平行光束；第二透镜(5)与第三透镜(6)共焦点，使通过第一透镜(4)的平行光束缩束为与哈特曼波前探测器(7)口径匹配的平行光束而全部进入哈特曼波前探测器(7)，湍流屏(8)定量模拟产生一定强度的大气湍流，模拟信号采集过程中大气湍流对信号亮度I的扰动；计算机(9)中装有控制哈特曼波前探测器(7)的控制软件，且与哈特曼波前探测器(7)相连，实时读取、处理哈特曼波前探测器(7)的亮度信号I，进行增益的调整；

基于所搭建的检测系统，哈特曼波前探测器(7)的技术特征参数k_a、k_m常量系数和理想最高亮度值的测量步骤如下：

1)遮光条件下测量哈特曼波前探测器(7)的暗背底，测量500帧，计算平均每帧像素上的亮度值分布并记录为背底图像，之后获得的每帧探测信号都需扣除背底图像；

2)使得光纤光源(2)出射刚刚超过哈特曼波前探测器(7)检出限的暗弱光且保持恒定，增益G_EM＝1，采集200帧～500帧光斑阵列图像，将每帧探测信号都扣除背底图像后计算每一帧平均光斑最大亮度I_a、最高亮度值I_m和子孔径亮度N，再统计平均连续200帧～500帧的平均光斑最大亮度记为最高亮度均值和子孔径亮度平均值N_aper；

3)保持增益G_EM＝1，设置光纤光源(2)的亮度逐渐增加，每改变一次亮度后，重复一遍2)中步骤，并记录所得到的系列和子孔径亮度平均值N_aper；绘制所设置增益G_EM下的分别随子孔径亮度平均值N_aper的变化曲线；

4)设置光纤光源(2)的亮度为步骤3)中所使用的最低亮度，然后设置不同的增益G_EM，每改变一次G_EM后，重复一遍3)中步骤，得到两组线性关系；先针对组线性关系，用每一直线斜率除以相应增益G_EM得出一个k_a的特例值，然后对全组的特例值求平均得出较准确的k_a；再用同样方法从组线性关系中求得k_m；

5)由哈特曼波前探测器(7)的技术手册查出其背部的EMCCD的饱和亮度值I_L；再由上一步骤测量直线关系时获得的最大增益G_EM下的和200帧～500帧最高亮度值I_m，这些I_m已接近并小于哈特曼波前探测器的饱和亮度值I_L，利用这200～500个最高亮度值I_m和最高亮度均值计算出I_m相对最高亮度均值的均方差值σ_m，再令等于3.0σ_m～3.2σ_m，即可以获得哈特曼波前探测器(7)的理想最高亮度值