[发明专利]哈特曼波前探测器弱信号的光斑质心计算方法

说明书

本发明属于自适应光学成像技术领域，是针对弱信号时信噪比低导致波前探测误差大的问题提出的滤波方法。其基本思想是：哈特曼波前探测器上每个光斑强度分布都应该与图1所示的类高斯强度分布函数相似；如果用3×3像素区域上的类高斯强度分布函数与6×6像素子区域强度分布函数进行相关计算的话，会突出光斑中心强度信号的权重、压低子区域边缘光子噪声的权重，形成子区域权重滤波窗W；W的值域也在6×6像素的子区域上；利用有效子区域权重滤波窗W再次与该子区域的强度分布I做权重计算，即可获得抑制了噪声干扰的子区域光斑的强度分布；然后用通常的质心算法计算该子区域光斑的质心。本发明可使5.5星等的波前探测误差减少20％。

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，是一种基于哈特曼波前探测器的波前探测方法。涉及哈特曼波前探测器的信噪比较低时的光斑质心计算方法，使得哈特曼波前探测器的探测极限星等提高。

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。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。该探测器如图1所示，由前置的微透镜阵列1与位于微透镜阵列焦平面上的背部相机2组成，单个微透镜的口径为d、焦距为f，微透镜阵列将望远镜输出的畸变波前分割为只含有倾斜畸变的平面子波前阵列，特别要指出每个子波前中不含有任何高阶畸变，只是空间倾斜角度不同，子波前的直径与代表大气湍流强度的大气相干长度r₀相等，这些子波前对应的子光束通过微透镜阵列1后在背部相机2上会聚成光斑阵列，在相机像素构成的平面坐标系中计算每个光斑的质心位置，可获得各个子波前的二维倾斜数据。利用子波前阵列的所有二维倾斜数据，即可重构出望远镜输出的整体畸变波前。

考虑微透镜阵列1是方格阵排列的微透镜集合，背部相机2的面板上具有方格阵排列的像素。波前探测光束是正入射的平行光束，在背部相机2的面板上近似形成内切圆，圆内分布着微透镜阵列聚焦出的光斑。图2所示的是一幅畸变波前的光斑阵列，每个光斑都限制在一个n×n像素的子区域内，光斑强度离散地分布在各个像素上。有光斑的子区域为有效子区域。

光斑质心坐标(c_x，c_y)的求算方法依据【Francois Roddier,Adaptive optics inastronomy,Cambridge University Press,1999,Part two,pp99】：

在有效子区域上建立直角坐标系x-y，以子区域的中心为原点、像素为单位，设从左到右的横轴为x轴，从上到下的纵轴为y轴，子区域中光斑的质心坐标为：

其中求和区域为子区域上的所有像素，i,j分别是像素在横向和纵向的序号，i,j＝1,2,3,…n，x_i,j与y_i,j分别为(i,j)像素中心点的两个坐标分量，I_i,j为(i,j)像素的光强。

哈特曼波前探测器的光斑质心计算精度决定波前重构的精度。而即使单纯考虑信号中光子噪声影响的话，接近或超过5视星等的暗弱目标在哈特曼波前探测器子区域中的平均信噪比都不会高于13，因为光子噪声的强度是信号强度的平方根，故此时通常的质心算法很难保证光斑质心的计算精度。在我国望远镜的自适应光学成像领域，一般认为5视星等是目前哈特曼波前探测器的极限探测星等，即使是4.5视星等的目标，亮度可以相对提高1.6倍，但信噪比也只能相对提高√1.6＝1.3倍，即信噪比不高于16，此时质心算法得到的光斑质心误差也较大。

如果能将子区域的光子噪声加以抑制，不仅可以保证波前重构精度，还能相应提高哈特曼波前探测器的探测灵敏度，即可探测的极限星等。

目标视星等和哈特曼波前探测器子区域中的光子数的计算方法如下：