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。     

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。     

自适应光学中扩展信标波前探测的研究与实验

讨论了一种基于Hartmann Shack (H S)传感器的扩展信标相关波前探测方法。通过在传统H S探测光路的物平面上加入视场光阑消除了子孔径像斑的重叠问题 ,并利用一种快速相关算法计算各像斑的相对位移 ,进而得到各子孔径波前的相对斜率。光学实验研究证实了该相关波前探测方法能够较精确地测算出波前像差 ,从而使目前使用最多的H S传感器具有扩展信标波前探测能力     

Hartmann－Shack传感器结构参量的自基准标定

提出一种标定Hartmann Shack波前传感器结构参量的新方法,通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式,结合实验手段获得相应数据,处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况,在降低传感器装配准确度要求的同时,提高了Hartmann Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.     

剪切干涉仪与Hartmann的波前复原比较

 对横向剪切干涉仪和Hartmann波前传感器的波前探测和复原进行了类比推导和仿真计算。结果表明,在相同输入波前,相同探测面元,相同拟合函数及阶数的情况下,横向剪切干涉仪的波前复原能力比Hartmann波前传感器强。主要原因是前者对波前的间接采样所包含的波前信息大于后者,并且前者比较容易增大对波前的采样。     

哈特曼-夏克波前传感器子孔径合并的理论研究

在大气湍流条件较好而被探测信标光信号极弱的工作条件下,自适应光学系统在实际的应用中需要采用子孔径合并的部分校正方式。本文针对云南天文台1.2m高分辨率自适应光学系统中的哈特曼－夏克（Hartmann-Shack ）波前传感器结构,从光子起伏噪声和CCD像素读出噪声对子孔径内哈特曼光斑质心探测精度的影响的角度,对子也径软件合并和硬件合并两种方案进行了理论分析和计算,导出了有实际应用意义的结论。     

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     

基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定

微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。     

天文导航中星体高精度细分定位方法研究

介绍了一种从星体图像中高精度提取恒星位置的方法.这种方法把星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法拟合得到高斯曲面参数,从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置.由于直接进行高斯曲面拟合计算非常复杂,将二维曲面拟合转化为两个方向上的一维曲线拟合,分别得到不同的曲面系数.仿真结果表明当信噪比小于0.05时,定位精度能达到1/20像素,与质心法比较,高斯曲面拟合法精度高,抗噪声能力强.     

Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector

The paper studied the relationship between the light spot position and the output voltage in the case of laser spot which is in the four-quadrant (4Q) detector whose shape is circle or elliptic, energy distribution uniform or Gaussian. The study is based on add–subtract algorithm, diagonal algorithm and difference over sum (Δ/∑) algorithm. By using methods of polynomial fitting it can get a simple polynomial expression to enhance measuring speed and the simulation error is given. A method of using Binary Optics Elements (BOE) to shape the laser beam in the 4Q detector to square light spot with uniform intensity distribution is proposed to expand linear measurement range. The simulation result is verified for a circular spot with Gaussian energy distribution.     

用哈特曼-夏克法标定平面光束

经推导给出了用哈特曼－夏克法标定平面光束的基本原理及其方法，并根据该原理作了标定平面光束的实验。如果哈特曼－夏克系统相邻子孔径在焦面的投影中心间距（焦斑点阵间距）与原标定的理想中心间距相比放大，入射光束为发散束；如焦斑点阵间距缩小，入射光束为聚焦束。该方法具有原理简单，操作方便的优点。     

光点定位中的曲面拟合迭代算法

在光电检测系统中,需要对光点信号的位置实现亚像素定位。光纤从一端照明,由光纤另一端出射光点,由面阵CCD摄像机获取光点的灰度分布。基于最小二乘法,采用高斯曲面拟合算法拟合其分布,用高斯拟合函数的极值点作为光点的定位点。实验结果表明,采用多次迭代算法可以提高定位精度;拟合算法的稳定性(标准差)为0.7μm.高斯曲面拟合算法具有重复精度高、稳定性好的特点。     

基于泰伯效应的高斯光束尺寸测量

光栅用在高斯光束参数测量中的突出优点是方法简单，成本较低，全息光栅由于其制备容易，无周期误差而比一般光栅具有更多的优点。在用光栅进行光斑测量的实验中，观察到由全息光栅引起的泰伯（Ｔａｌｂｏｔ）效应携带有关光斑参数的有用信息，本文提出了一种基于泰伯效应的测量方法，只需测定条纹间隔就能确定高斯光束尺寸，因此降低了对光源或光栅定位精度，电路和光源稳定性的要求，文中聚焦高斯光束照明全息光栅时光场分布，及其     

用刀口法测量氦氖激光基横模

介绍研究氦氖激光基横模的刀口法测量原理，给出实验装置和实验结果，这种方法能够证实氦氖激光基横模的光强分布是高斯分布，能够确定光斑的大小。     

600mm自适应望远镜最佳子孔径数仿真研究

基于自适应光学望远镜的成像特性,分析像斑中心亮度最大以及剩余波前误差最小两种情况下望远镜变形镜的最佳子孔径数范围,利用ZEMAX软件对驱动单元正三角形和矩形布局的变形镜波前校正进行仿真模拟,通过对含高速倾斜镜和不含高速倾斜镜两种情况下望远镜的分析,得到600mm自适应望远镜的最佳子孔径数。     

A novel method to improve detecting sensitivity of quadrant detector

This paper presents a set of formulae for estimating the light spot position projected on a quadrant detector (QD). A novel method of annular segmentation calculus (ASC) is designed to analyze the detecting light spot of QD. The influences of the spot movement mode, spot energy distribution, and dead area to the dynamic range and the detection sensitivity are analyzed. It is shown in simulations that our new formulae have achieved a much better results to increase measurement accuracy. It is also shown that on the condition of the same spot size, the detection sensitivity of Gaussian distribution is prior to uniform distribution. The detection sensitivity of diagonal mode is better than cross mode. The detection sensitivity increases with increase in the size ratio of dead area to spot. The simulating and experimental results show that the measuring range of QD is 400 μm, and the resolution is 50 μm. The study presented here will be beneficial in developing the nanomechanical displacement detection techniques.     

三维高斯拟合激光光强快速衰减算法

为缩短衰减倍率调整的时间,提高激光参数测试的效率,提出激光光强快速衰减算法。衰减倍率精确调整量由当前衰减倍率和采集到的光斑光强真实的最大灰度值共同决定。当因光电接收器件(CCD)饱和造成采集光斑图像失真时,即衰减倍率过小时,由于激光光斑的光强通常满足高斯分布,通过对光斑图像进行处理,去除饱和部分光强信息,对剩余部分光强信息利用最小二乘法进行三维高斯拟合,还原出激光光斑光强的真实分布并获得最大灰度值;当衰减倍率过大时,根据采集光斑图像可以直接获得当前最大灰度值,最后通过计算获得最佳的衰减倍率调整值,实现了激光光强快速准确的调整。算法的有效性通过步进电机带动的双轮可变衰减器及CCD配合得到验证。     

相关哈特曼-夏克波前传感器波前重构新方法

对相关哈特曼-夏克波前传感器的波前重构方法进行了研究,提出了一种基于相邻子图像间相对平移量的波前重构新方法。与常用的基于单一参考子图像的波前重构方法相比,新方法的动态范围有了很大提高。在8×8去4角的子孔径划分下,测量离焦波面时,新方法的动态范围可提高约16倍,子孔径数目越多,动态范围提高的倍数也越高。精度分析表明,两种波前重构方法在8×8去4角的子孔径划分下精度相近,在子孔径数目更多时,相邻子图像处理法的波前重构精度低于单一参考子图像法。     

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1 像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1 像素。