应用于大尺寸光电测量装置中的波前修正系统的研究

摘要

本课题(属国家自然科学基金项目)将自适应光学技术引入大尺寸测量领域,研究了一种适用于大尺寸光电测量装置中的波前修正系统(自适应光学系统),利用该系统可以减小和消除大气扰动对大尺寸测量的影响,提高测量精度.这种自适应光学系统建立在解卷积式自适应光学原理的基础上,结合了波前探测技术和解卷积图像复原技术.在结构上,该系统主要分为三个组成部分:成像系统、波前传感器和数字图像处理系统.高速CCD器件和光学镜头组成了成像系统,用来采集原始图像;波前传感器用来探测光波波前畸变,系统中采用的是自适应光学中常用的哈特曼—夏克波前传感器;数字图像处理用来进行解卷积图像复原运算,它包括计算机硬件和软件两部分.其工作原理如下:首先,系统采用哈特曼—夏克波前传感器对测量激光束进行探测,测量光束受到空气扰动,其畸变会反映到波前传感器探测到的波前信息上.通过对波前信息进行波前重构等一系列处理最终得到系统的瞬时光学传递函数.最后,通过对瞬时传递函数和原始图像进行解卷积图像复原运算,可将原始图像上的畸变复原.在点光源和扩展光源的条件下,分别对本自适应光学系统进行实验,其结果表明本系统对大气扰动后的目标图像有较好的复原效果.与传统自适应光学系统(校正式自适应光学系统)相比较,这种解卷积式自适应光学系统省去了波前校正环节,以软件替代了价格昂贵的倾斜镜、变形镜和复杂的控制电路.因此,它具有体积小、结构简单,制造成本低廉等优点,适合广泛应用于大尺寸测量系统中.本文首先分析了光波在大气中的传输理论和大气成像的数学模型,从理论上论证了解卷积式自适应光学的工作原理,然后介绍了本系统的硬件和软件设计,最后介绍了实验结果,并且对实验结果作了分析.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1光电测试技术概论

1.2大尺寸光电测量系统的发展现状

1.3自适应光学的发展现状

1.3.1校正式自适应光学系统

1.3.2非线性光学式自适应光学系统

1.3.3解卷积式自适应光学系统

1.3.4混合系统

1.4本课题的来源、目的和意义

1.4.1课题来源

1.4.2课题目的

1.4.3课题意义

2解卷积式自适应光学的理论研究

2.1解卷积式自适应光学系统原理概述

2.2光波在大气中的传输理论

2.2.1大气湍流特征

2.2.2湍流大气中折射率特征

2.2.3湍流大气中光传输的理论模型

2.3大气成像的数学模型

2.3.1成像过程

2.3.2线性系统

2.3.3空间平移不变性

2.3.4点扩散函数

2.3.5光学传递函数

2.3.6大气成像过程的数学描述

2.4光波波前传感技术

2.4.1波前传感技术概述

2.4.2哈特曼—夏克传感器原理

2.4.3 CCD哈特曼—夏克波前传感器

2.4.4基于CCD器件的哈特曼—夏克波前传感器的精度分析

2.5波前重构方法

2.5.1区域法波前重构

2.5.2模型法波前重构

2.6解卷积图像复原算法]

2.6.1离散图像退化的数学模型

2.6.2解卷积图像复原方法

3自适应光学系统的硬件设计

3.1前置光学系统

3.2成像系统

3.2.1光学镜头

3.2.2光电成像器件

3.2.3控制/转化电路

3.3波前传感器设计

3.3.1微透镜阵列

3.3.2机械调节装置

3.4数据采集模块

3.5光源设计

4自适应光学系统的软件设计

4.1软件系统结构

4.2程序流程

4.3 DIB格式介绍

4.4波前传感器的定标

4.4.1光斑质心偏移量

4.4.2波前传感器的定标方法

4.5质心探测以及探测子窗口的确定

4.6波前重构和瞬时光学传递函数的获取

4.7图像傅立叶变换与反变换

4.7.1傅立叶变换的基本概念

4.7.2卷积定理

4.7.3数字图像的离散傅立叶变换和快速傅立叶变换

4.7.4 Visual C++编程实现图像快速傅立叶变换

4.8图像复原及Visual C++编程实现

5实验结果和分析

5.1点光源的实验结果

5.2扩展源的实验结果

5.3实验结果分析

6总结

参考文献

作者在读期间科研成果简介

论文成果声明

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