计算扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像偏移量的相关函数质心法研究

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计算子图像间的相关函数,在此基础上计算相关函数的质心,达到亚像元精度。通过仿真研究表明这种算法的精度与进行相关运算时的图像大小、计算质心时的相关函数窗口大小以及相关函数阈值的设定有关;同时,图像的信噪比也会影响算法的精度。研究表明,图像的信噪比小于1时,质心算法的计算误差相对较大;当图像的信噪比高于2时,相关函数质心算法的误差大约是抛物线插值法误差的一半。实验结果与仿真结果也基本吻合。     

光学图像中的抛物线目标特征检测方法研究

针对光学图像中的抛物线目标特征检测问题,提出一种基于最小二乘法的抛物线检测方法。采用Canny边缘检测算子进行边缘提取,对提取到的边缘点采用最小二乘法确定抛物线方程的系数,通过对二次曲线施加抛物线约束,使得算法不需要经过迭代就能得到最优解,并对抛物线方程进行坐标变换推导,计算出抛物线的参数。仿真数据实验和实际图像的实验表明:该算法能够检测到光学图像中的抛物线目标特征,各个参数的计算精度均在98%以上。     

基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法

为了提高最终图像的质量,结合传统的直接重构算法和相位重构算法,提出了一种基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法。对反演得到的傅里叶频谱进行逆傅里叶变换得到直接重构图像,取直接重构图像的阈值图像作为相位重构算法的初始输入,通过迭代能够获得质量更高的图像。成像仿真实验结果表明,成像信噪比为50倍时,与直接重构图像相比,迭代重构图像斯特列尔比从0.82提高到0.88,峰值信噪比从17dB提高到19dB;在成像信噪比为100倍时,迭代重构图像斯特列尔比从0.89提高到0.93,峰值信噪比从20dB提高到22dB。     

基于噪声模型变换的子光斑质心提取方法

受天光背景、大气湍流强度、信标光回光特性和探测器噪声等因素影响,夏克-哈特曼波前传感器子孔径光斑常存在强度分布不均匀和低信噪比的情况,故子孔径内光斑质心定位不准且波前探测精度下降。提出了一种基于噪声模型变换的子孔径光斑质心提取方法,采用方差稳定变换（VST）将探测引入的泊松-高斯噪声转换为高斯噪声,进一步基于残差反馈优化BM3D策略实现低信噪比子孔径图像的高效去噪。结果显示：所提方法可有效提取低信噪比夏克-哈特曼波前传感器光斑阵列图像中的光斑信号数据,提高了子孔径光斑的质心定位精度和稳定性;相比于传统自适应阈值法等方法,所提方法在子光斑图像峰值信噪比低于6时,可以提升波前复原精度2倍以上。     

不同插值算法的光场重聚焦分析

光场数据重聚焦包括空间域重聚焦和频域重聚焦两种方法，在重聚焦过程中均需要进行插值计算，重聚焦精度与插值精度密切相关，而插值算法的复杂度会影响计算效率。在实际大量图像处理中，在重聚焦效果满足精度要求的前提下选择计算效率最高的方法，其中，插值精度对频域影响远大于空间域。介绍了空间域重聚焦和频域重聚焦的原理，以及传统3种插值方法和sinc函数插值法，分别用不同的插值方法对这两种重聚焦方法进行实验，比较其重聚焦效果并计算其效率。实验结果表明，在实际应用中为了满足计算效率的需求，在满足精度要求情况下，空间域重聚焦采用线性插值法最佳，频域采用采样半径为2像素的sinc插值最佳。对同一幅影像多次重聚焦时，频域方法优于空间域方法。     

稳健的子带子阵级导向最小方差波束形成算法

导向最小方差(STMV)波束形成是一种利用导向协方差矩阵获得自适应权值的方法,具有快速收敛特性.常规的稳健导向最小方差(RSTMV)波束形成算法在处理宽频带信号时,性能下降明显.为了改善算法的性能,结合频域子带划分和空域子阵划分技术,提出一种多子带不确定集独立约束的稳健子阵级STMV波束形成算法。通过频域子带划分可对不同子带的导向向量误差范数边界进行约束,计算出各子带对应的对角加载量,得到稳健的子带级最小方差波束形成算法权向量;同时采用子阵技术进行降维处理,可进一步增加划分子带的数目,从而提高算法的性能并有效降低计算复杂度,最终得到一种稳健的子带子阵级STMV波束形成算法。理论分析和仿真结果表明,在阵列导向向量存在误差的情况下,该算法在干扰方向形成的零陷最深,且零陷波束宽度最窄,输出信噪比接近理论值,因此性能最佳.实际海试数据处理表明,在强干扰目标存在时,弱目标输出信干噪比较RSTMV算法可提高4 dB,较常规波束形成可提高10 dB,在角度分辨力和算法复杂度方面得到有效改善,同时可以保证目标功率无失真输出。      

点源信标相关哈特曼-夏克波前传感器光斑偏移测量误差分析

在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR )时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈值,具有更好的鲁棒性.本文在介绍相关SH-WFS基本原理的基础上,通过建立基于点源信标探测的相关SH-WFS算法的随机噪声模型,推导了光斑偏移测量误差表达式,系统分析了光子噪声、CCD读出噪声、背景光子噪声等因素对相关SH-WFS测量误差的影响.并进行了数值仿真及实验,仿真 关键词： 相关哈特曼-夏克波前传感器 相关哈特曼算法 质心算法 测量误差     

基于混合解包裹的正六边形拼接光瞳相位恢复算法研究

相位恢复法是一种利用多个离焦面光强分布采用基于傅里叶变换的迭代变换恢复瞳面相位分布的波前传感方法。采用改进的傅里叶迭代变换算法,当波前传感范围超过1个波长时,需要在迭代过程中采用相位解包裹算法。针对18块正六边形拼接的复杂光瞳,提出采用路径无关和最小二乘相结合的混合相位解包裹算法,提高了波前传感精度和动态范围。通过仿真比较了所提方法与单独采用一种相位解包裹方法时的波前传感性能,分析了所提方法的动态范围及噪声对算法精度的影响。仿真结果表明,当波前PV值为3.5λ时,算法的精度为λ/43;当噪声RMS值为10(图像为12Bit量化)时,算法的精度优于λ/40。     

抑制高阶谐波误差的随机相移条纹分析算法

高阶谐波和随机相移误差是影响条纹分析精度的主要因素。为了同时解决这两个问题,提出了基于频域滤波的迭代相移算法。该算法采用巴特沃斯低通滤波器,从频域上滤除条纹的高阶谐波分量,再运用最小二乘迭代方法从三帧随机相移条纹图像中提取相位信息。数值模拟和实验结果表明,该算法可有效地抑制由高阶谐波和随机相移引入的波纹误差,误差PV值和RMS值分别为0.368 8 rad和0.025 3 rad,其精度高于传统的三步相移算法和Wang算法。该方法适合于高精度干涉测量和三维物体表面轮廓测量。     

结合松弛中值滤波的高阶彩色图像迭代去噪算法

为去除基于局部平均曲率的彩色图像去噪模型中作为几何特征而保留下来的斑点,提出了一种改进的迭代算法。采用局部平均曲率作为正则项耦合各个颜色通道,在迭代过程中根据局部统计量检测斑点,并引入松弛中值滤波进行斑点抑制。使用不同特征的图像进行仿真实验,并对峰值信噪比的演化进行分析。实验结果表明,改进的算法在有效消除斑点的同时较好地保护了图像结构,并且提高了计算效率。峰值信噪比提高了2.47%,迭代次数减少了93.66%。     

A sound ray tracing algorithm in three-dimensional heterogeneous media based on wavefront traveltimes interpolation

A kind of three-dimensional（3-D） sound ray tracing algorithm in heterogeneous media is studied. This algorithm includes two steps： the first step computes the wavefront traveltimes forward; the second step traces the sound rays backward. In the first step, the computation of wavefront traveltimes at discrete grid points from the sound source, was found on Eikonal equation solutions and carried out by GMM （Group marching method） wavefront marching method based on level set. In the second step, sound ray tracing was proceeded gradually from the receiver to each cell towards the sound source, with wavefront traveltimes computed in the first step. Time values on arbitrary positions in each cuboid cell can be expressed by linear interpolation of wavefront traveltimes at the same cell＇s grid points. Thus, an algorithm of 3-D sound ray tracing in heterogeneous media is put forward. The simulation results indicate that this method can improve both the accuracy and the efficiency of 3-D sound ray tracing greatly.     

A novel wavefront reconstruction algorithm based on interpolation coefficient matrix for radial shearing interferometry

A novel wavefront reconstruction algorithm for radial shearing interferometer (RSI) is proposed in this paper. Based on the shearing relationship of RSI, an interpolation coefficient matrix is established by the radial shearing ratio and the number of discrete points of test wavefront. Accordingly, the expanded wavefront is characterized by the interpolation coefficient matrix and the test wavefront. Consequently the test wavefront can be calculated from the phase difference wavefront. The numerical simulation is conducted to confirm the correctness of the proposed algorithm. Compared with the previous wavefront reconstruction methods, the proposed algorithm is more accurate and stable.     

Performance analysis of field-of-view shifted Shack–Hartmann wavefront sensor based on splitter

We report on a field-of-view shifted Shack–Hartmann wavefront sensor based on a splitter designed to measure the wavefront information of object light with strong background. The analysis results indicate that increasing the ratio of the signal beam intensity to the incoming beam intensity and reducing the sampling frequency of CCD₂ (detecting the pure background light) can properly enhance the SNR (signal-to-noise ratio) of the object light. A special noise removing algorithm was presented to enhance the centroid measuring accuracy, and it was proved to be effective against the residual noises caused by the differences between the two beam paths. The experimental results indicate that the field-of-view shifted Shack–Hartmann wavefront sensor based on a splitter can exactly measure the wavefront information from the object with strong background. PACS 42.68.Bz; 47.50.Ef; 42.30.Wb     

基于插值法波面拟合的球面光学元件检测

为了实现在线自动化检测球面光学镜片的面形偏差,在已有的光学检测系统基础上,对光学检测系统采集的干涉图样进行图像处理和波面拟合算法研究。首先对干涉图样预处理,再根据球面光学镜片大多是圆形孔径,对预处理后的干涉条纹通过最小二乘法拟合出干涉图样的圆边界,确定数据取值边界点的中心和半径值;然后采用Multi-quadric函数插值法拟合出波面的面形轮廓,计算波面的峰谷偏差EPV值及均方根偏差ERMS值;最后用上述方法对Zygo干涉仪采集的干涉图的处理结果与Zygo干涉仪测试结果进行比较分析。结果表明:通过边界处理可有效提高波面拟合精度,采用multi-quadric函数插值法拟合可以理想的还原出波面,且测量误差与国标相比能够控制在0.2的误差范围内,与Zygo干涉仪检测结果相比可以控制在0.03误差范围内,都能够满足球面光学镜片在线检测的精度要求。     

变形镜高斯函数指数对迭代法自适应光学系统的影响

基于613单元自适应光学系统, 描述了迭代矩阵和斜率响应矩阵的特性. 在变形镜驱动器间距和交连值不变的情况下, 研究了变形镜高斯函数指数对迭代矩阵和斜率响应矩阵稀疏度的影响, 对自适应光学系统稳定性和校正能力的影响. 研究表明, 迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度随着变形镜高斯函数指数的增大而减小. 高斯函数指数过大或者过小都会影响自适应光学系统的稳定性和校正能力. 最后, 综合迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度、自适应光学系统的稳定性和校正能力, 给出了合理的变形镜高斯函数指数的取值范围.     

A beam interpolation algorithm in digital multi-beam sonar

I.IntroductionThedigita1operationins0narsystembringsagreatadvantageinbeamforming.Itispos-sib1etorealizesomcalg0rithmsindigita1technique,whichisusua11yhardtoorimpossib1etoAnp1ementintraditiona1ana1ogues0nar.Asanexamp1e,ageometrygraphofcirclearrayisil-1ustratedinFig,1.Thetotalnumber0farraye1ementisN.Therearetwokindsofbeam.TheA-c1assbeamconsistsof2M-le1ements,thesteeringdirectionisjustlocatedintheposi-honofoneofthearrayelement;TheB-classbeamconsistsof2Me1ementsandthesteeringdirectionisinthem…     

进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

Iterative technique for analysis of periodic structures at oblique incidence in the finite-difference time-domain method

Normal incidence of a plane electromagnetic wave on a periodical structure can be simulated by the finite-difference time-domain method using a single unit cell with periodical boundary conditions imposed on its borders. For the oblique wave incidence, the boundary conditions would contain time delays and thus are difficult to implement in the time-domain method. We propose a method of oblique incidence simulation, based on an iterative algorithm. The accuracy of this method is demonstrated by comparing it with the layer Korringa-Kohn-Rostoker frequency-domain method for calculation of transmission spectra of a monolayered photonic crystal.     

Laser beam cleanup using improved model-based wavefront sensorless adaptive optics

An improved model-based wavefront sensorless adaptive optics algorithm is proposed for laser beam cleanup.Deformable mirror(DM) eigenmodes are used to replace traditional Lukosz modes in order to avoid DM fitting errors. The traditional method is based on a sophisticated calibration process and solving linear equations. In our method, coefficients of DM eigenmodes are estimated by adding bidirectional modal biases into the system and then solving parabolic equations. The calibration process is omitted in our method, which makes it more feasible.From simulation and experimental results, the corrective accuracy of the improved method is higher than the traditional one.