[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

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，是针对自适应光学成像系统中哈特曼波前探测器电子倍增增益的控制方法。涉及自适应系统对空间运动目标跟踪成像过程中目标亮度不断变化而对哈特曼波前探测器中的信号强度实时控制的技术，本质上是自适应控制哈特曼波前探测器背部的EMCCD的电子倍增增益。

背景技术

利用望远镜对天体目标进行观测时，由于大气湍流的随机干扰，成像光波前发生动态畸变，导致望远镜成像分辨率下降。连接于望远镜终端的自适应光学系统可实时探测和校正大气湍流造成的畸变波前，以恢复望远镜理想的高分辨率成像。哈特曼波前探测器是当前自适应系统中广泛应用的波前探测器。该探测器由前置的微透镜阵列与位于微透镜阵列焦平面上的相机组成，微透镜阵列将入射波前分割为子波前的阵列，使通过的光束在每个微透镜后的相机上会聚成点状光斑，计算光斑质心位置获得子波前的倾斜信息，进而重构出入射的整体畸变波前。图1展示了哈特曼波前探测器输出的一幅典型光斑阵列图像，微透镜会聚光斑位于离散的相机像素上，质心位置由像素上离散亮度分布的质心公式计算出来。

目标亮度越强信噪比越高，光斑的质心计算受噪声干扰越小，哈特曼波前探测器的探测精度越高；而目标亮度变弱时哈特曼波前探测器的探测精度下降，更严重的是大气湍流会造成接收口径内能量分布不均匀，某些光斑亮度会低于检出限，引起很大的波前探测误差。为了提高暗弱目标的波前探测精度，哈特曼波前探测器中的相机大多使用电子倍增型的EMCCD，通过设置适宜的电子倍增增益提高信噪比，减少弱暗光斑丢失的几率。

下面为叙述方便将“电子倍增增益”简称为“增益”。如何确定一个适宜的增益，是使用基于EMCCD的哈特曼波前探测器的关键问题，尤其运动目标在被跟踪成像过程中亮度发生较大变化时，设置固定的增益值不是造成局部信号亮度过饱和就是丢失弱暗光斑。例如，当观测围绕地球运动的人造卫星时，望远镜接收到的主要是人造卫星对太阳的反射光，反射光强随着人造卫星与太阳、地面望远镜的相对位置而变化【杨莉，在轨卫星星等建模与计算，应用光学，35(3)，365-370(2014)】，进而导致入射到哈特曼波前探测器中的信号光能量随之变化。如果设置的增益偏高有可能会在观测过程中出现EMCCD亮度过饱和而不能正常工作，如果设置的增益偏低又有可能会出现信噪比不足、局部光斑丢失甚至被观测目标丢失的情况。因此需随着被观测目标亮度的变化，自适应地控制哈特曼波前探测器的增益，以实现稳定的高信噪比，达到高精度波前探测的目的。

发明内容

本发明针对运动目标观测中亮度发生变化的问题，对哈特曼波前探测器的增益进行自适应控制，目的是使哈特曼波前探测器保持较高的信噪比，同时避免亮度过饱和。

下面详述本发明的方法。

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帧中像素上的最高亮度值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；为使哈特曼波前探测器在采样中不出现过饱和且接近饱和，需限定最高亮度均值等于理想最高亮度值令等于3.0σ_m～3.2σ_m，其中σ_m为哈特曼波前探测器的技术特征参数，只要测得σ_m就能使值被确定下来，因此理想最高亮度值也是哈特曼波前探测器的技术特征参数。