[发明专利]基于短曝光斑点图频谱比值的地基望远镜焦点探测方法

说明书

本发明涉及一种基于短曝光斑点图频谱比值的地基望远镜焦点探测方法，属于天文测量与光学成像技术领域，该方法以瞬时短曝光斑点图与平均短曝光像的频谱比值作为焦点评价依据，利用聚焦匀速扫描方式作为探测手段，定量地给出了焦点评价函数与离焦距离变化趋势，通过对变化趋势的曲线拟合，寻找出焦点评价函数最大值对应的最佳焦点位置。该方法的优势在于：可在不需要增加额外探测设备的前提下，适用于所有望远镜的焦点探测，解决了现有地基望远镜焦点探测技术的难点，通过利用频谱比值消除了平均大气湍流和目标信息对望远镜离焦像差探测的影响，为地基望远镜提供了高精度的焦点探测方法及离焦像差实时监测手段。

技术领域

本发明属于天文测量与光学成像技术领域，具体涉及一种基于短曝光斑点图频谱比值的地基望远镜焦点探测方法。

背景技术

大气湍流引起的动态波前畸变和望远镜的自身静态像差是影响望远镜成像质量的主要因素，其中望远镜的静态像差取决于主镜、副镜等主要成像元件的加工精度和安装精度，通常安装好的望远镜的成像质量是相对稳定的，但在望远镜运行过程中，由于探测器的安装位置、环境温度等因素的变化都会导致望远镜的焦点发生变化产生离焦像差，该像差严重地影响了望远镜成像质量，因此为了让望远镜工作在最佳状态，高精度的焦点探测则成为了保证望远镜获得高空间分辨率成像质量的关键。

从大气—望远镜综合系统成像模型来看，望远镜的离焦像差和大气湍流产生的随机波前畸变都可以归结为对望远镜光瞳上波前相位的调制，而仅从图像上是无法区分开望远镜离焦像差和大气湍流分别导致的像质模糊，因此如何消除大气湍流的影响，则成为了地基望远镜焦点探测必然面临的困难所在。

由于目标信息和大气湍流的影响，使得目前常用的基于图像的清晰度信息判断焦点的图像处理方法(聚焦深度法和离焦深度法)并不适用于地基望远镜焦点探测；而对于波前探测来说，大气湍流引起的动态扰动是一个瞬时变化的零均值高斯随机过程，而望远镜的离焦像差则是静态的或者缓慢变化的，因此利用波前探测可以恢复出望远镜光瞳上各个时刻的瞬时波前相位分布，通过系综平均便可分离出望远镜的离焦像差，尽管波前探测法可以有效消除湍流大气和目标信息的干扰，但是波前探测法需要专门的探测设备和附加的光学系统，并且探测精度易受大气视宁度和信噪比的影响。因此如何克服现有技术的不足是目前天文测量与光学成像技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于短曝光斑点图频谱比值的地基望远镜焦点探测方法，该方法可以有效消除湍流大气和观测目标信息对地基望远镜离焦像差探测的干扰，实现地基望远镜离焦像差的高精度探测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于短曝光斑点图频谱比值的地基望远镜焦点探测方法，包括如下步骤：

步骤(1)，确定扫描范围：

在望远镜理论焦点位置安装一台快速读出CCD或CMOS相机，通过望远镜自动调焦系统或电动位移台使相机沿光轴方向进行聚焦匀速扫描，扫描范围由离焦距离d与离焦像差Δ的关系式(6)式求得。

式(6)中，F/D是望远镜的成像焦比；

假定扫描过程中离焦像差变化范围Δ∈[-2λ，+2λ]，其中λ为观测波段的中心波长，根据公式(6)可求得对应的扫描范围Δd∈[d₁＝-2λ×8×(F/D)²，d₂＝+2λ×8×(F/D)²]

步骤(2)，确定扫描时间：

整个扫描过程应在观测目标无变化的时间内完成，因此扫描时间越短越好但由于离焦像差测量精度Δl和相机读出速度N_R限制，扫描时间s可由公式(7)求出：

s＝l/(Δl×N_R) 式(7)；