太阳米粒结构相关哈特曼-夏克波前传感模拟研究

基于互相关因子和绝对差分算法以及相关哈特曼－夏克波前传感器的基本原理，根据室内模拟太阳米料结构研究了低对比度扩展目标情况下应用相关哈特曼－夏克波前传感器探测波前误差的可行性，结果表明，相关哈特曼－夏克波前传感器能够有效探测光学波前误差。     

一种提高HWS采样率的透镜式微扫描方法

为改善传统哈特曼-夏克波前传感器对待测波前采样不足的缺点,对哈特曼-夏克波前传感器和微扫描进行了分析,提出一种提高哈特曼-夏克波前传感器采样率的透镜式微扫描方法。通过在微透镜阵列之前加入由PZT驱动的透镜扫描装置,对CCD采集的光斑分布情况进行高分辨率微扫描图像重建,通过对重建后的光斑分布进行波前重构,提高了哈特曼波前传感器对待测波前的采样率。通过对比实验验证,波前复原精度提高了41%,可以有效提高哈特曼传感器对波前探测的精度。     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

基于哈特曼夏克波前探测的图像解卷积:室内结果

在简要介绍哈特曼－夏克波前传感器原理和基于波前传感的目标图像解卷积恢复技术的基础上，分别给出了室内模拟点源和扩展源情况时畸变目标光斑图像解卷积处理的实验结果，结果表明，基于波前探测的图像解卷积事后处理能够有效地对畸变目标图像进行恢复。     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

 哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

利用环形子孔径哈特曼-夏克斜率数据复原全孔径波前相位算法研究

提出了一种适用于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术的拼接复原算法.该算法通过建立各个环形子孔径内有效的哈特曼-夏克斜率数据和全孔径波前相位的关系,避免了环形子孔径区域的波前复原过程,从而有效地解决了环形子孔径区域的哈特曼-夏克波前传感器有效采样率低的问题.算法对斜率测量噪声较不敏感,具有较好的抗噪声干扰的能...     

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。     

增量维纳滤波法在波前探测解卷积中的应用

一个常规的自适应光学系统通常包含三个重要环节：波前探测、波前校正和波前重构。因此对系统的技术要求非常高,造成系统复杂,成本昂贵。基于哈特曼-夏克波前探测的图像解卷积处理就是“事后”处理的一种,它省去了波前校正环节,使常规的自适应光学系统得到简化,降低了系统成本。其基本原理为对瞬时波面进行短时间曝光探测,同时记录相应的短时间曝光图像,来进行解卷积处理。将增量维纳滤波法应用于基于哈特曼-夏克波前探测的解卷积中,并对室内模拟点源情况下的三组畸变光斑图像数据进行了解卷积恢复处理。结果表明,将增量维纳滤波法应用于基于波前探测的解卷积是完全可行的,在室内模拟点源情况下,恢复的图像可以达到衍射极限分辨力。与维纳滤波相比,它扩展了噪声抑制因子的选取范围,在噪声抑制因子选取不正确的情况下,仍能得到比维纳滤波更好的结果。     

模式正交性对哈特曼-夏克传感器波前测量等的影响

分析了哈特曼-夏克波前传感器采用模式法重构波前相位算法的数学模型，仿真实验了重构模式之间不正交对重构精度的影响，指出模式之问的不正交不影响算法的实现。在哈特曼一夏克传感器应用模式法进行波前测量和波前校正的过程中，模式之间的正交性并不是算法实现的必要条件，正交化处理算法对波前重构、波前校正精度的提高没有影响。     

快速傅里叶算法在哈特曼夏克传感器波前重构算法中的应用

提出了一种应用快速傅里叶变换算法提高哈特曼－夏克波前传感器波前重构实时性的快速算法，在根据波前斜率值应用最小二乘法估计波前相位的过程中，应用快速傅里叶变换算法进行方程的对角化和相位值的解耗，算法精站度，稳定，空间分辨率越高，算法实时性的优越性就越显著。     

点光源哈特曼最优阈值估计方法研究

针对夏克-哈特曼波前传感器探测系统中噪声随时间及空间变化频率较快的特点,为了准确估计系统的最优阈值,根据高斯光斑与噪声的分布特性,提出一种以滑动窗口内像素均值及图像信号的局部梯度作为参数,构造关于噪声权重函数的方法,由此获得子孔径阈值的最优估计值,并详细分析了算法的基本原理和实现过程.以典型处理方法获取的阈值与理论最优阈值的误差作为评价标准,仿真和实验结果表明本文提出的阈值估计方法在不同信噪比、不同光斑大小的条件下,均能取得优于典型阈值处理方法获得的结果,且与理论最优阈值的误差小于10%.     

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器的频域迭代算法研究

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器(SH-WFS)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,并通过抛物线插值达到亚像元精度。子图像间的相对偏移量计算也可采用频域相移量估算的方法进行计算,频域算法还可通过迭代进一步提高算法精度。对频域迭代算法进行了理论分析、仿真和实验研究,结果表明,频域迭代算法在信噪比高于4…1时,具有比抛物线插值法更高的计算精度;在信噪比较低时,与抛物线插值法精度相近。     

Accuracy analysis of centroid calculated by a modified center detection algorithm for Shack-Hartmann wavefront sensor

The accuracy of the Shack-Hartmann wavefront sensor for measuring the wavefront distortion is mainly dependent upon the measuring accuracy of the centroid of each spot. A modified center detection algorithm, which uses some power from the photon events of each pixel instead of photon events themselves, is analyzed theoretically and the computer simulations are given. The results show that photon noise error and sampling error increases as the power value goes up; and to some powers, the readout noise and background noise error decrease. An experiment is described through which the optimum power can be obtained.     

夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差

对夏克－哈特曼（Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ）波前传感器的相位探测误差进行了分析,并分析了它的政论相位探测极限,分析结果表明,夏克－哈特曼波前传感器的相位探测精度与探测器的噪声水平,探测目标的亮度有关,还与被探测对象的特性、孔径波前分割有关。给出了它们的关系表达式。     

Numerical study of centroid detection accuracy for Shack-Hartmann wavefront sensor

It is crucial for the wavefront sensor to reduce the influence of noise and enhance the detection accuracy of the centroid, which is also an important step for improving the performances of adaptive optics. In this paper, based on the theoretical analysis and by utilizing the Monte-Carlo simulation (MCS) technology, the results obtained by using the centroid algorithms have been compared in detail for the case, in which centroid of the signal is not at the center of the detection area and it also has a relatively large area. It is shown that the size of the signal spot and its centroid position have considerable influences on the centroid detection accuracy. The numerical results agree well with the theoretical predictions and the optimized parameters for each algorithm have been found. The study will be helpful for further optimizing the optical system and improving the centroid measurement accuracy of the wavefront sensor.     

Accuracy analysis on centroid estimation algorithm limited by photon noise for point object

The variance of the position of point object because of photon noise for centroid estimation algorithm is derived for the first time when the background cannot be eliminated by threshold. On this foundation, the accuracy of centroid estimation algorithm is analyzed by comparing its estimated efficiency (the ratio of the Cramer-Rao lower bound of point object and the variance for centroid algorithm) based on the classic estimation theory. The results indicated that the following factors influence the accuracy of centroid estimation algorithm: SBR (the ratio of the outputs from the signal light and the background), the Gaussian width of signal spot and the size of detected window. The effects of these factors are also described.     

圆目标定位连续阈值质心算法研究

以DSP平台圆目标定位为研究对象,提出了连续阈值质心算法,利用算术平均原理对普通质心法进行了改进。结果表明,该算法减小了随机误差和系统误差。存在噪声的情况下,其定位精度能达到0.02～0.05pixels,同等情况下与普通质心法相比较,精度提高了4～10倍,抗噪声能力更强,而计算量却没有增加,能够用于DSP平台的圆目标快速精确定位。     

Shack-Hartmann sensor based on a cylindrical microlens array

We present a Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWS) based on a cylindrical microlens array as a device for measuring highly aberrated wavefronts. Instead of the typical spot pattern created by a conventional SHWS, two orthogonal line patterns are detected on a CCD and are superimposed. A processing algorithm uses the continuity of the focal line to extend the dynamic range of measurement by localizing the line, even if it leaves the CCD area confined by the corresponding microcylinder. The measurement of a wavefront from a progressive addition lens with an 80 lambda peak-to-valley value reveals the capabilities of the sensor.     

自适应非凸稀疏正则化下自适应光学系统加性噪声的去除

自适应光学系统可以实时测量并校正波前信息,但是系统中大量的噪声严重影响了系统的探测精度.自适应光学系统中一般为加性噪声,本文提出一种全新的变分处理模型去除加性噪声,该模型采用自适应非凸正则项.非凸正则项在保持图像细节上较凸正则项具有更好的效果,能更好地保持点源目标的完整性.另外,根据不同区域的噪声水平自适应地构建正则化参数,使不同区域的像素点受到不同程度的噪声抑制,可以更好地保持目标的边缘细节.在算法实现上,为了解决非凸正则项收敛性较差的缺陷,采用分裂Bregman算法及增广拉格朗日对偶算法进行计算.实验及数值仿真结果都表明,该方法能够较好地去除系统中的加性噪声,且光斑信号保存得较为完整,处理后的质心探测精度及信噪比较高.