CN113295287B - 一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，该方法结合不同时刻的子孔径光强信息动态设置阈值权重，降低光强时域动态变化导致的子孔径质心提取误差波动，可望改善哈特曼子孔径斜率计算准确性和稳定性。这种减阈值方法可降低光瞳强度分布时域非均匀性对子孔径质心计算的影响，同时也有助于光瞳强度空间非均匀分布下的子孔径质心精确计算，对于光瞳闪烁等情况下哈特曼波前探测的准确性和稳定性有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于光学信息测量技术领域，具体涉及一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法。
背景技术
哈特曼波前传感器是一种兼具高精度和高灵敏度的波前测量手段，已成功应用于自适应光学、光电系统集成、光学检测等领域。哈特曼波前传感器以子孔径阵列的形式，对光学波面进行微分，由各子孔径斜率解算完整波面的相位信息(即，波前信息)。因此，子孔径斜率误差对波前复原精度有直接影响。如何减小子孔径斜率计算误差，以确保波前复原精度，始终是这一领域所关注的重点问题。
由于哈特曼波前传感器采用的探测成像器件多采用CCD或CMOS相机，工作过程中不可避免地携带热噪声、散粒噪声及产生-复合噪声等多种误差因素的影响，因此，哈特曼子孔径质心提取及斜率计算必然涉及背景噪声的有效处理。目前，从算法和硬件层面已经发展了多种方法，如“哈特曼波前传感器质心测量精度优化方法”(专利号CN101055223)及“自适应系统中哈特曼波前传感器光斑质心最佳标定位置”(马晓燠,郑瀚清等,光电工程,2009,36(4))等。当待测波前光瞳强度分布出现时间和空间非均匀性时，同一时刻，各子孔径内的信噪比可能出现差异，而同一子孔径在不同时刻的信噪比也可能出现差异。这将给子孔径质心提取带来新的技术挑战。近年来先后发展了“一种采用分时曝光的哈特曼波前传感器”(专利公布号CN102607718A)和“一种适应背景变化点源目标波前探测的夏克-哈特曼波前传感器”(专利公布号CN1971222)等方法。但这些方法均使系统或算法复杂度有所增加。
本发明涉及方法中，针对传统的背景噪声处理方式可能导致斜率计算误差，提出具备动态适应能力的减阈值方法。该方法过程更为简单，可有效降低光瞳强度分布时域非均匀性对子孔径质心计算的影响，同时也有助于光瞳强度空间非均匀分布下的子孔径质心精确计算，可望在光瞳闪烁等情况下波前探测中实现更高精度和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：动态强度变化光瞳的时间非均匀性和空间非均匀性将导致哈特曼波前传感器在探测过程中各子孔径信噪比动态变化。针对这一问题，提出一种具备动态适应能力的减阈值方法，确保动态强度分布光瞳的高精度波前探测或复原控制。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，本方法以光瞳动态强度分布下的高精度质心提取为目标，提出动态阈值权重技术，通过对光瞳时间/空间非均匀性的数理分析，确定阈值权重变更条件和变更方法，减少子孔径信噪比动态变化导致的误差起伏，提高哈特曼波前探测或复原控制的精度。
具体实现步骤如下：
步骤(1)、采集哈特曼传感器子图像前，先设定各子孔径的阈值权重初始值N(j,I,0)；
其中，N为阈值权重，j为子孔径序号，I为子孔径光强峰值，t为采集样本数。
子孔径阈值权重初始值N(j,I,0)，可有如下几种设定方式：
1)统一设定为某一特定值，即，N(j,I,0)＝N0；
2)分子孔径或分区域设定为固定值N(j,I,0)＝f(j)；
3)分子孔径或分区域设定为子孔径光强的统一权值N(j,I,0)＝f(I)；
4)分子孔径或分区域设定为子孔径光强的不同权值N(j,I,0)＝f(j,I)。
步骤(2)、开始采集哈特曼子图像，按照预定的阈值动态更新规则，逐个子孔径进行光强判断。符合阈值权重更新条件则相应更改阈值权重N(j,I,t)，否则阈值权重N(j,I,t)保持不变；
权重阈值更新条件与采集样本数t直接相关。该条件可以只与t相关，也可以与子孔径序号、光强中的一种或两种相关。
权重阈值更新条件，可以结合系统特性人工设定，也可以采用深度学习、模型辨识、神经网络等多种智能化处理方法设定。
步骤(3)、各子孔径根据相应的阈值权重，减阈值后计算质心和子孔径斜率，完成波前探测。直至采集流程结束。
子孔径质心和斜率计算过程中，可并行质心修正、斜率加权等操作。
本发明的原理是：结合不同时刻的子孔径光强信息动态设置各子孔径阈值权重，各子孔径可望近似等效于固定信噪比，以此提升子孔径质心提取的精度和稳定性。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本方法综合考虑了光瞳分布的时间/空间非均匀特性，可望提升哈特曼子孔径质心提取精度，并确保斜率计算的准确性和稳定性。本方法可提高哈特曼波前传感器的实用能力，使异形、闪烁等光瞳条件下的波前准确探测或复原控制成为可能。
附图说明
图1为本发明涉及的某一子孔径光强变化曲线图；
图2为本发明涉及的某一子孔径在光强动态变化时本方法相对于传统方法的改善效果；
图3为本发明的一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图3所示，本发明的一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法的具体实施方法如下：
步骤(1)、采集哈特曼传感器子图像前，先设定各子孔径的阈值权重初始值N(j,I,0)＝0.3Ij，即，各子孔径阈值为各自光强峰值的30％；
步骤(2)、开始采集哈特曼子图像，按照预定的阈值动态更新规则，逐个子孔径进行光强判断。符合阈值权重更新条件则相应更改阈值权重N(j,I,t)，否则阈值权重N(j,I,t)保持不变；
采集过程中，某子孔径光强变化规律如图1所示，该子孔径光强随t有波动趋势。通过大量数据分析，设定如下的权值阈值变更规则：当子孔径光强峰值≥1500，权重设为0.3，当峰值＜1500，权重改为0.1。
步骤(3)、各子孔径根据相应的阈值权重，减阈值后计算质心和子孔径斜率，完成波前探测。直至采集流程结束。
本方法以光瞳动态强度分布下的高精度质心提取为目标，提出动态阈值权重技术，通过对光瞳时间/空间非均匀性的数理分析，结合数据挖掘、数据融合及实验测试等过程，确定阈值权重变更条件和变更方法，减少子孔径信噪比动态变化导致的误差起伏，提高哈特曼波前探测或复原控制的精度。
本实施例中，本发明涉及方法和传统方法的对比如图2所示。本发明涉及方法在子孔径光强动态变化时，计算的斜率更为平稳，计算斜率均方根值为0.120；而传统方法在光强起伏时斜率也相应地产生起伏，与光强变化有负相关的关系，计算斜率均方根值为0.236。本发明涉及方法计算的斜率稳定性有明显提升。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、采集哈特曼传感器子图像前，先设定各子孔径的阈值权重初始值N(j,I,t)，t＝0，以下记为N(j,I,0)；N为阈值权重，j为子孔径序号，I为子孔径光强峰值，t为采集样本数；
步骤(2)、开始采集哈特曼子图像，按照预定的阈值动态更新规则，逐个子孔径进行光强判断，符合阈值权重更新条件则相应更改阈值权重N(j,I,t)，否则阈值权重N(j,I,t)保持不变；
步骤(3)、各子孔径根据相应的阈值权重，减阈值后计算质心和子孔径斜率，完成波前探测，直至采集流程结束；
其中，步骤(1)所述的子孔径阈值权重初始值N(j,I,0)，可有如下几种设定方式：
1)统一设定为某一特定值，即，N(j,I,0)＝N0；
2)分子孔径或分区域设定为固定值N(j,I,0)＝f(j)；
3)分子孔径或分区域设定为子孔径光强的统一权值N(j,I,0)＝f(I)；
4)分子孔径或分区域设定为子孔径光强的不同权值N(j,I,0)＝f(j,I)；
该方法结合不同时刻的子孔径光强信息动态设置各子孔径阈值权重，各子孔径可望近似等效于固定信噪比，以此提升子孔径质心提取的精度和稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，其特征在于：步骤(2)所述的阈值权重 更新条件与采集样本数t直接相关，该条件可以只与t相关，也可以与子孔径序号、光强中的一种或两种相关。
3.根据权利要求1所述的一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，其特征在于：步骤(2)所述的阈值权重 更新条件，可以结合系统特性人工设定，也可以采用深度学习、模型辨识、神经网络智能化处理方法设定。
4.根据权利要求1所述的一种针对光瞳动态强度分布的哈特曼子孔径减阈值方法，其特征在于：步骤(3)所述的子孔径质心和斜率计算过程中，可并行进一步操作：质心修正和/或斜率加权。
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