[发明专利]一种结合自适应光学和图像处理的高分辨力成像系统控制方法

权利要求书

1.一种结合自适应光学和图像处理的高分辨力成像系统控制方法，包括基于自适应光学技术的望远镜成像系统部分和图像后处理部分，其特征在于：

目标发出的光场经扰动后成为畸变波前并经望远镜收集后进入自适应光学系统，经过自适应光学系统内的波前校正器校正后得到光学成像，光学成像再继续进入图像后处理部分，经过图像复原算法处理后输出复原图像，对复原图像进行像质评价，评价结果反馈到自适应光学系统并参与波前校正器的控制；

自适应光学系统包含变形镜、波前传感器、波前控制器、成像系统，畸变波前从进入自适应光学系统到生成光学成像，过程如下：

进入自适应光学系统的畸变波前ψ(x,y)被波前传感器实时探测，探测信号输入波前控制器并计算出变形镜的控制电压，该控制电压的目的是让变形镜产生与畸变波前相位共轭的光场由于实际中受硬件条件限制无法获得完全校正，经变形镜校正后的波前残差为计算式如下：

如果用Zernike多项式描述波前残差，其结果可分为两部分之和，如下式所示：

其中，为和畸变波前ψ(x,y)具有相同Zernike模式分量的残差部分，对于室内静态像差或者大气湍流引起的波前畸变的主要部分，ψ(x,y)为低频像差，因此为低频成分；为原始像差ψ(x,y)所不包含的、由变形镜新产生的Zernike模式分量，通常为高频成分；

定义广义光瞳函数P(x,y)如下：

其中λ是系统工作时的波长，p(x,y)是系统衍射受限时的光瞳函数：

r是瞳半径，系统的点扩散函数PSF就可由广义瞳函数的傅立叶变换后取模的平方得到：

h(x,y)＝|∫∫P(x',y')exp(-i2π(xx'+yy'))dx'dy'|²

自适应光学成像系统在近轴区域近似为一个线性空不变系统，因此可模型化为一个降质退化函数和一个加性噪声项，对于输入的理想目标图像f(x,y)，系统的光学成像的空域表达式为：

其中代表卷积运算；g(x,y)观测的退化图像，n(x,y)是系统中的加性噪声，将PSF进行傅里叶变换后就可得到系统光学传递函数OTF：

H(u,v)＝∫∫h(x,y)exp(-i2π(ux+vy))dxdy

系统的光学成像的频域表达式为：

G(u,v)＝F(u,v)·H(u,v)+N(u,v)

其中G(u,v)、F(u,v)、和N(u,v)分别是观测图像g(x,y)、目标图像f(x,y)和噪声信息n(x,y)的傅立叶变换；

图像后处理采用波前解卷积算法，得到复原图像的过程如下：

借助波前传感器，可以对波前残差进行测量获得测量值且ε为测量误差，从而获得真实OTF的一个估计则利用维纳滤波器可以得到复原图像

其中表示光学传递函数以残差为自变量，在理想情况下，γ取噪声功率谱和原图像功率谱的比值，如下：

对复原图像进行像质评价的手段采用斯特列尔比SR作为评价指标，计算方法如下：

其中，为复原图像，f_dl为衍射极限成像；

像质评价结果反馈到自适应光学系统中的控制器，通过改变一个乘积系数β，0≤β≤1，对变形镜的控制电压进行修正，该系数定义为变形镜校正度，经过修正后，变形镜面型更新为校正残差更新为：

其中和是更新后的残差的两个组成部分，当β＝1时，上式表示传统AO系统相位共轭控制方法对应的残差；当β1时，残差中的高阶残差部分将会减小，而波前探测器又等效为一个低通滤波器，因此波前探测器可以获得更精确的测量值来参与解卷积，从而恢复出原图像更准确的频率信息；但同时，校正度降低会造成残差总量增大，使得对应OTF产生衰减，中高频段尤甚，甚至可以出现0值，产生频率截止，这会恶化复原图像的质量，在校正度β值的选择上应存在一个权衡，即随着β的降低会出现一个最优值，AO系统工作在该校正度上，会得到更优的复原图像；

所述结合自适应光学和图像处理的高分辨力成像系统控制方法对复原图像进行像质评价，并将结果反馈到自适应光学系统的控制器参与波前校正器控制信号的生成，将自适应光学技术和图像复原技术相结合，使复原图像成为被控对象，图像复原过程不再是控制信号作用的盲区，同时，图像复原部分的输入也不再是不可更改的退化图像，通过信号反馈，望远镜成像系统产生的输出图像让复原算法发挥最大的潜力。