[发明专利]一种基于子孔径曲面信息提取的高空间分辨率波前复原方法

说明书

本发明公开了一种基于子孔径曲面信息提取的高空间分辨率波前复原方法，该方法将子孔径内波前视为具有倾斜和二次曲率的子波前，基于神经网络拟合子孔径对应光斑与子波前系数的关系，并根据复原矩阵和子孔径内的波前信息复原整个波前。本发明提取了子孔径中的斜率和二次曲率信息，因而可以在同等子孔径条件下以更高精度复原波前，相同复原精度下以更少的子孔径数目完成波前复原，为弱光、高精度波前探测等领域提供了一种新的技术途径。

技术领域

本发明属于波前探测技术领域尤其涉及一种基于子孔径曲面信息提取的高空间分辨率波前复原方法。

背景技术

波前传感技术作为一种光束像差测量手段已被广泛应用于天文观测、激光光束净化、光学检测、医学成像、自适应光学等诸多领域。夏克-哈特曼波前传感器是一种常见的光学波前测量装置，主要由微透镜阵列和位于焦平面处的光电探测器组成，具有光能利用率高，并且结构简洁、无运动部件等优势。其原理为通过微透镜阵列将波前分割为平面子波前阵列，子波前经过微透镜后聚焦于光电探测器上，形成光斑阵列图，根据光电探测器所采集的光斑强度信息计算光斑质心偏移量，从而估算其对应的局域子波前斜率，最后通过波前复原算法复原波前。

传统夏克-哈特曼波前传感器将子孔径内的波前视为只有倾斜的平面波，哈特曼波前传感器空间分辨率受限于微透镜子孔径大小，要实现高空间分辨率的波前探测需要更多的微透镜对入射波前进行分割，使得哈特曼波前传感器微透镜阵列规模增大。但在暗弱信标场景下，哈特曼探测波前信息会面临光斑信噪比低的巨大挑战。同样，在气动相差测量中，受限于CCD分辨率，无法对波前进行高精度的探测。由此可知，夏克-哈特曼波前传感器存在测量精度与动态范围相矛盾以及受空间分辨率限制等缺点。鉴于此，若将子孔径内的波前视为除倾斜外还有二次曲率的波前，并将其信息求解出来，则可以提升夏克-哈特曼的复原精度，减少子孔径的数目、增加子孔径面积，夏克-哈特曼波前传感器的缺点问题便可得到解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对暗弱信标场景下的低信噪比和CCD分辨率受限问题，打破微透镜大小对哈特曼波前传感器空间分辨率的限制，实现较少子孔径分割情况下的高空间分辨率波前探测及复原。本发明提出了一种基于子孔径曲面信息提取的高空间分辨率波前复原方法，在低空间分辨率条件下完成高精度波前复原，在同等子孔径条件下以更高精度复原更多阶的波前像差信息。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于子孔径曲面信息提取的高空间分辨率波前复原方法，该方法是在单个子孔径内引入相位调制片对相应子波前进行相位调制，可打破近场像差的旋转对称性。利用训练好的神经网络准确预测单个子孔径内的波前斜率和二次曲率信息，并根据复原矩阵和所有子孔径内的波前信息复原波前。具体实现步骤如下：

步骤1：随机生成满足大气湍流统计特性的待测波前；

步骤2：待测波前经过子孔径分割、子孔径相位调制并聚焦形成光斑阵列图像。

步骤3：依次收集单个子孔径内的波前相位信息及对应的远场调制光斑，单个子孔径内的波前表示为：

Φ_sub＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄y²+c₅xy

其中，x,y,x²,y²,xy为表示波前的基，x,y基的系数为波前斜率信息，x²,y²,xy基的系数为波前二次曲率信息。

将光电探测器探测的单个子孔径对应的远场调制光斑作为样本，数值求解的系数c₁,c₂,c₃,c₄,c₅作为标签。

单个子孔径内的光斑光强信息I作为样本，其表示为：