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用于点源目标哈特曼波前探测的相关算法研究
作者: 陈林辉
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院光电技术研究所
授予地点: 成都
导师: 饶长辉(研究员)
关键词: 自适应光学 ; 夏克-哈特曼波前传感器 ; 相关算法 ; 采样误差 ; 质心算法
学位专业: 光学工程
中文摘要:
作为自适应光学系统的三个主要组成部分之一,夏克-哈特曼波前传感器的波前探测能力直接影响着自适应光学系统的矫正能力,而波前斜率算法的性能直接决定了夏克-哈特曼波前传感器的波前探测能力。因此,波前斜率算法性能的优劣、精度的高低、对环境适应能力的强弱直接影响了自适应光学系统的矫正能力、精度及适用范围。本文专注于点源目标波前探测的相关算法夏克-哈特曼波前探测技术研究。本文内容包括用于点源夏克-哈特曼波前探测的相关算法及其
测量精度研究,极低信噪比条件下相关算法研究。
本文首先对相关算法在夏克-哈特曼波前探测中的原理及其实现方法进行了介绍。对相关算法的抗噪性能进行了有益的探讨,归纳了基于相关算法子孔径波前斜率计算的几种实现方案,对比分析了他们各自的适用场合。
在相关算法点源目标探测性能分析部分,本文对相关夏克-哈特曼波前传感器波前探测的各种误差源进行了深入讨论。首先,针对夏克-哈特曼波前传感器的成像器件的离散采样,首次建立了相关算法采样误差理论,对相机成像单元的离散采样造成的相关算法波前斜率探测误差进行了深入研究,建立了成像单元采样频率与相关算法采样误差之间的关系,并从原理上提出了消除传统相关算法插值误差的基于高斯曲线插值的新方法,由此建立了子孔径点源光斑尺寸与相关算
法测量误差之间的联系,通过大量的仿真计算验证了相关算法采样误差理论。运用该理论不仅获得了消除相关算法系统误差的方法,而且解释了有限子孔径光斑尺寸的截断效应对相关算法和质心算法的影响机制,从而解释了相关算法相比质
心算法具有更高线性增益的原因。在对随机噪声误差的分析中,推导了相关算法点源目标探测中的光子噪声、CCD 读出噪声及背景光子噪声误差的解析表达式,通过仿真计算及室内实验验证了随机噪声误差理论公式;比较了相关算法和减阈
值质心算法的随机误差,分别对光子噪声受限和读出噪声受限的情况进行了比较,理论分析和仿真及实验结果均表明,相关算法在读出噪声受限的低信噪比条件下具有更高的稳定性,而在光子噪声受限条件下,二者的测量误差均与信号光斑总能量成反比;对本文所提出的高斯插值算法,对其随机误差公式进行了推导,并综合采样误差理论及随机噪声误差理论,推导了基于抛物线插值和基于高斯曲线插值相关算法的总误差,通过仿真计算对不同光斑等效高斯宽度下,两种算法对波前斜率的计算误差进行了比较研究,结果表明,高斯插值相关算法在光斑等效高斯宽度小于0.5pixel 的欠采样条件下具有更高的测量精度。针对极低信噪比下(信号光斑幅值与随机噪声均方根属同一量级)的夏克-哈特曼波前探测应用场合,提出了采用高斯曲面最小二乘拟合方法,该方法的运用拓宽的了相关算法应用范围,使相关算法的有效工作信噪比(信号光总能量与随机噪声均方根的比值)由50 降至20(以子孔径光斑等效高斯宽度为1pixel 为例)。
在对相关算法波前斜率测量误差理论的研究基础上,建立了完整的软件仿真平台,对运用相关算法的夏克-哈特曼波前传感器的波前探测误差进行了研究。在相关算法参考子孔径选取的研究中,本文提出了一种在线生成理想光斑参考模版的方法,该方法提高了相关算法在低信噪比条件下的测量精度并且使相关算法具有测量整体倾斜像差的能力。在原理分析和仿真研究的基础上,建立了实验系统,开展了相关夏克-哈特曼波前传感器测量整体倾斜像差的实验研究。为解决传统波前探测精度实验方法中缺少可靠的参考波面的问题,本文最后介绍了基于相关夏克-哈特曼波前传感器球面波测量实验系统,通过实验验证了相关算法相比传统质心算法在低信噪比条件下具有更高的波前测量精度。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/538
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陈林辉. 用于点源目标哈特曼波前探测的相关算法研究[D]. 成都. 中国科学院光电技术研究所. 2011.
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