哈特曼波前探測(cè)器電子倍增增益的自適應(yīng)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明是自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)中哈特曼波前探測(cè)器電子倍增增益的自適應(yīng)控制方法，以使哈特曼波前探測(cè)器保持較高的信噪比同時(shí)避免亮度過(guò)飽和。針對(duì)被觀測(cè)目標(biāo)，探測(cè)到的光斑陣列中有一最高亮度值Im，統(tǒng)計(jì)200幀～500幀中的Im，計(jì)算其相對(duì)統(tǒng)計(jì)幀數(shù)的均值Im相對(duì)的均方差值σ；設(shè)定理想最高亮度值比飽和亮度低3.0σm～3.2σm，其中σm為條件下的均方差值；再將光斑的亮度最大值相對(duì)一幀陣列中的光斑數(shù)計(jì)算平均值記為Ia，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Ia；依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度I與增益G的線性關(guān)系事先測(cè)得哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)ka、km和理想最高亮度值即可以由當(dāng)前幀探測(cè)數(shù)據(jù)Ia和增益Ga計(jì)算得到所需調(diào)整的增益值Gms。增益自適應(yīng)控制前的Im和Ia曲線如圖1(a)、控制后的Im和Ia如圖1(b)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
哈特曼波前探測(cè)器電子倍増増益的自適應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是針對(duì)自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)中哈特曼波前探測(cè) 器電子倍增增益的控制方法。涉及自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤成像過(guò)程中目標(biāo)亮度不 斷變化而對(duì)哈特曼波前探測(cè)器中的信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)控制的技術(shù)，本質(zhì)上是自適應(yīng)控制哈特曼 波前探測(cè)器背部的EMCCD的電子倍增增益。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，由于大氣湍流的隨機(jī)干擾，成像光波前發(fā)生 動(dòng)態(tài)畸變，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡成像分辨率下降。連接于望遠(yuǎn)鏡終端的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)探測(cè) 和校正大氣湍流造成的畸變波前，以恢復(fù)望遠(yuǎn)鏡理想的高分辨率成像。哈特曼波前探測(cè)器 是當(dāng)前自適應(yīng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的波前探測(cè)器。該探測(cè)器由前置的微透鏡陣列與位于微透鏡 陣列焦平面上的相機(jī)組成，微透鏡陣列將入射波前分割為子波前的陣列，使通過(guò)的光束在 每個(gè)微透鏡后的相機(jī)上會(huì)聚成點(diǎn)狀光斑，計(jì)算光斑質(zhì)心位置獲得子波前的傾斜信息，進(jìn)而 重構(gòu)出入射的整體畸變波前。圖1展示了哈特曼波前探測(cè)器輸出的一幅典型光斑陣列圖像， 微透鏡會(huì)聚光斑位于離散的相機(jī)像素上，質(zhì)心位置由像素上離散亮度分布的質(zhì)心公式計(jì)算 出來(lái)。
[0003] 目標(biāo)亮度越強(qiáng)信噪比越高，光斑的質(zhì)心計(jì)算受噪聲干擾越小，哈特曼波前探測(cè)器 的探測(cè)精度越高；而目標(biāo)亮度變?nèi)鯐r(shí)哈特曼波前探測(cè)器的探測(cè)精度下降，更嚴(yán)重的是大氣 湍流會(huì)造成接收口徑內(nèi)能量分布不均勻，某些光斑亮度會(huì)低于檢出限，引起很大的波前探 測(cè)誤差。為了提高暗弱目標(biāo)的波前探測(cè)精度，哈特曼波前探測(cè)器中的相機(jī)大多使用電子倍 增型的EMCCD，通過(guò)設(shè)置適宜的電子倍增增益提高信噪比，減少弱暗光斑丟失的幾率。
[0004] 下面為敘述方便將"電子倍增增益"簡(jiǎn)稱(chēng)為"增益"。如何確定一個(gè)適宜的增益，是 使用基于EMCCD的哈特曼波前探測(cè)器的關(guān)鍵問(wèn)題，尤其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在被跟蹤成像過(guò)程中亮度 發(fā)生較大變化時(shí)，設(shè)置固定的增益值不是造成局部信號(hào)亮度過(guò)飽和就是丟失弱暗光斑。例 如，當(dāng)觀測(cè)圍繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星時(shí)，望遠(yuǎn)鏡接收到的主要是人造衛(wèi)星對(duì)太陽(yáng)的反射光， 反射光強(qiáng)隨著人造衛(wèi)星與太陽(yáng)、地面望遠(yuǎn)鏡的相對(duì)位置而變化【楊莉，在軌衛(wèi)星星等建模與 計(jì)算，應(yīng)用光學(xué)，35(3)，365-370(2014)】，進(jìn)而導(dǎo)致入射到哈特曼波前探測(cè)器中的信號(hào)光能 量隨之變化。如果設(shè)置的增益偏高有可能會(huì)在觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)EMCCD亮度過(guò)飽和而不能正 常工作，如果設(shè)置的增益偏低又有可能會(huì)出現(xiàn)信噪比不足、局部光斑丟失甚至被觀測(cè)目標(biāo) 丟失的情況。因此需隨著被觀測(cè)目標(biāo)亮度的變化，自適應(yīng)地控制哈特曼波前探測(cè)器的增益， 以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高信噪比，達(dá)到高精度波前探測(cè)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)中亮度發(fā)生變化的問(wèn)題，對(duì)哈特曼波前探測(cè)器的增益進(jìn) 行自適應(yīng)控制，目的是使哈特曼波前探測(cè)器保持較高的信噪比，同時(shí)避免亮度過(guò)飽和。
[0006] 下面詳述本發(fā)明的方法。
[0007] 由哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)說(shuō)明書(shū)查出飽和亮度值Il;針對(duì)一個(gè)亮度恒定的被觀 測(cè)目標(biāo)，首先將哈特曼波前探測(cè)器的增益Gem設(shè)置為初始增益Go= 10，統(tǒng)計(jì)哈特曼波前探測(cè) 器采集的每一幀光斑陣列中像素上的最高亮度值Im的起伏變化，逐漸增大哈特曼波前探測(cè) 器的增益，使監(jiān)測(cè)到的最高亮度值I m逐漸逼近并小于哈特曼波前探測(cè)器的飽和亮度值Iu在 此條件下統(tǒng)計(jì)200幀~500幀中像素上的最高亮度值I m，計(jì)算其相對(duì)統(tǒng)計(jì)幀數(shù)的均值;ξ、Im 相對(duì)最高亮度均值的均方差值為使哈特曼波前探測(cè)器在采樣中不出現(xiàn)過(guò)飽和且接近 飽和，需限定最高亮度均值;ζ等于理想最高亮度值T ms ,令Zi - Tmi等于3. Oom~3.2〇m，其中 為哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)，只要測(cè)得就能使〇直被確定下來(lái)，因此理想最高 亮度值也是哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)。
[0008] 為了即時(shí)控制哈特曼波前探測(cè)器的信號(hào)亮度，還需要尋找一個(gè)判斷每幀信號(hào)亮度 的參量。因此再將一幀光斑陣列上每個(gè)光斑在像素上的亮度最大值相對(duì)陣列中的光斑數(shù)計(jì) 算平均值記為I a，簡(jiǎn)稱(chēng)為平均光斑最大亮度IuIa相對(duì)Im要穩(wěn)定得多，作為即時(shí)判斷每幀信 號(hào)亮度的監(jiān)測(cè)參量。進(jìn)一步找出1 3與1的關(guān)系即可以通過(guò)即時(shí)監(jiān)測(cè)每幀的平均光斑最大亮 度Ia來(lái)控制增益使哈特曼波前探測(cè)器的I： = Tmi成立。依據(jù)CXD光強(qiáng)I的線性方程【Stanislav Vitek,Jiri Hozman, Image quality influenced by selected image sensor parameters,Proc.SPIE9273,92732J(2003).]
[0009] I=k · Naper * GeM (I)
[0010] 其中I對(duì)應(yīng)本發(fā)明中的ia、im;k為相對(duì)I的常量系數(shù)，gpia、U應(yīng)的ie%k a、km，看出k 也是哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)，需要說(shuō)明的是各參量的平均值以及特征值，如Im 的統(tǒng)計(jì)平均值I和特征值，都與Im是同一性質(zhì)的參量，故對(duì)應(yīng)同一常量系數(shù)k，由于參量 平均值的離散誤差小，（1)式左側(cè)的I應(yīng)盡可能使用參量平均值；（1)式中的N aper為對(duì)應(yīng)被觀 測(cè)目標(biāo)亮度等級(jí)的參量，是在Gem=I的條件下光斑陣列上每一個(gè)微透鏡子孔徑內(nèi)所有像素 上的亮度信號(hào)之和相對(duì)子孔徑數(shù)的平均值N、再相對(duì)所采集的所有光斑陣列的N求平均值得 出N ape3r，簡(jiǎn)稱(chēng)N為子孔徑亮度、Nape3r為子孔徑亮度平均值。令ka為當(dāng)前幀平均光斑最大亮度I a 的常量系數(shù)，哈特曼波前探測(cè)器當(dāng)前幀的增益為Ga，kmS7：的常量系數(shù)，對(duì)應(yīng)& =Tms條件的 哈特曼波前探測(cè)器調(diào)整后的增益Gms須滿(mǎn)足下式：
[0011]
⑵'
[0012] 由（2)式可以看出：事先測(cè)得哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)1^、'和理想最高 亮度值，即可以由當(dāng)前幀探測(cè)數(shù)據(jù)IjPG a計(jì)算得到所需調(diào)整的增益值Gms，施加這一新的 增益，即可完成一次增益控制。
[0013] 為測(cè)量哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)ka、km常量系數(shù)和理想最高亮度值， 做哈特曼波前探測(cè)器輸出亮度信號(hào)I與EMCCD增益關(guān)系的檢測(cè)，搭建如圖2所示的檢測(cè)光學(xué) 系統(tǒng)。檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)由電源1、光纖光源2、小孔光闌3、第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、哈 特曼波前探測(cè)器7、湍流屏8、計(jì)算機(jī)9組成。光路中各元件的作用為：電源1為可編程信號(hào)發(fā) 生器，用以給光纖光源2供電，控制其亮度變化，模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在被觀測(cè)中信號(hào)亮度I的變 化;小孔光闌3的直徑為100μπι，使通過(guò)小孔光闌3的光成為點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源位于第一透鏡4 的前焦點(diǎn)上，使通過(guò)第一透鏡4的光束為平行光束;第二透鏡5與第三透鏡6共焦點(diǎn)，使通過(guò) 第一透鏡4的平行光束縮束為與哈特曼波前探測(cè)器7 口徑匹配的平行光束而全部進(jìn)入哈特 曼波前探測(cè)器7,湍流屏8定量模擬產(chǎn)生一定強(qiáng)度的大氣湍流，模擬信號(hào)采集過(guò)程中大氣湍 流對(duì)信號(hào)亮度I的擾動(dòng);計(jì)算機(jī)9中裝有控制哈特曼波前探測(cè)器7的控制軟件，且與哈特曼波 前探測(cè)器7相連，實(shí)時(shí)讀取、處理哈特曼波前探測(cè)器7的亮度信號(hào)I，進(jìn)行增益的調(diào)整。
[0014] 哈特曼波前探測(cè)器7的技術(shù)特征參數(shù)1、1^常量系數(shù)和理想最高亮度值I：#的測(cè)量 步驟如下：
[0015] 1)遮光條件下測(cè)量哈特曼波前探測(cè)器7的暗背底，測(cè)量500幀，計(jì)算平均每幀像素 上的亮度值分布并記錄為背底圖像。之后獲得的每幀探測(cè)信號(hào)都需扣除背底圖像。
[0016] 2)使得光纖光源2出射剛剛超過(guò)哈特曼波前探測(cè)器7檢出限的暗弱光且保持恒定， 增益Gem=I，采集200幀~500幀光斑陣列圖像，將每幀探測(cè)信號(hào)都扣除背底圖像后計(jì)算每一 幀平均光斑最大亮度I a、最高亮度值Im和子孔徑亮度N，按照探測(cè)幀數(shù)排序繪制IdPIa的變 化曲線如圖3所示，看出I m的變化起伏程度高于Ia，而13相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)Ia判斷當(dāng)前幀光斑陣 列的亮度更為合適;再統(tǒng)計(jì)平均連續(xù)200幀~500幀的平均光斑最大亮度記為I a、最高亮度 均值I和子孔徑亮度平均值Nape3r。
[0017] 3)保持增益Gem= 1，設(shè)置光纖光源2的亮度逐漸增加，每改變一次亮度后，重復(fù)一遍 2)中步驟，并記錄所得到的系列乙、：Ta和子孔徑亮度平均值Nape^繪制所設(shè)置增益G em下的 ζ、I分別隨子孔徑亮度平均值Nape3r的變化曲線。
[0018] 4)設(shè)置光纖光源2的亮度為步驟3)中所使用的最低亮度，然后設(shè)置不同的增益Gem， 每改變一次Gem后，重復(fù)一遍3)中步驟，得到-W bpct和兩組線性關(guān)系如圖4;圖4(a) 為不同增益Gem下的一組ζ-Λ?κ?直線，用每一直線斜率除以相應(yīng)增益Gem得出多fka的特例 值，此處為6個(gè)，然后對(duì)6個(gè)特例值求平均得出較準(zhǔn)確的k a;圖4(b)為不同增益Gem下的一組 直線，同樣用每一直線斜率除以相應(yīng)增益Gem得出多個(gè)1的特例值，此處也為6個(gè)，然 后對(duì)6個(gè)特例值求平均得出較準(zhǔn)確的km。
[0019] 5)接下來(lái)確定哈特曼波前探測(cè)器7的理想最高亮度值；L
[0020]由哈特曼波前探測(cè)器7的技術(shù)手冊(cè)查出其背部的EMCCD的飽和亮度值Il;再由上一 步驟測(cè)量1-Mpw直線關(guān)系時(shí)獲得的最大增益Gem下的乙和200幀~500幀最高亮度值I m，這 些Im已接近并小于哈特曼波前探測(cè)器的飽和亮度值II，利用這200~500個(gè)最高亮度值1?和 最高亮度均值及，計(jì)算出Im相對(duì)最高亮度均值I的均方差值 〇m，再令Ji - 等于3.0〇m~ 3.2〇m，即可以獲得哈特曼波前探測(cè)器7的理想最高亮度值]?,。
[0021] 將上述步驟求得的:L、km、ka以及監(jiān)測(cè)量Ia和相應(yīng)的63代入(2)式即可求出當(dāng)前應(yīng) 給哈特曼波前探測(cè)器7施加的增益G ms。
[0022]進(jìn)一步設(shè)置增益控制的其它條件:哈特曼波前探測(cè)器7背部的EMCXD每一次增益改 變需要延遲時(shí)間數(shù)十毫秒，記為At，限定平均光斑最大亮度13的檢測(cè)時(shí)間間隔Te [At，△ t+lOms]的范圍；另外監(jiān)測(cè)量即平均光斑最大亮度Ia自身存在起伏，按照?qǐng)D3所示的Ia曲線， 統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)（=L條件的I a曲線起伏范圍，記為Δ Ia，故設(shè)置增益調(diào)整控制判斷條件為：當(dāng)前 幀的平均光斑最大亮度13和上一幀的平均光斑最大亮度I/之差滿(mǎn)足I Ia-I/ I 2 3 Δ Ia，當(dāng)該 條件成立時(shí)，需對(duì)當(dāng)前增益63進(jìn)行調(diào)整，否則無(wú)需對(duì)增益Ga進(jìn)行調(diào)整;設(shè)置初始增益Go = 10。
[0023] 綜上所述，哈特曼波前探測(cè)器7的增益自適應(yīng)控制程序的思路為：
[0024] 常量參數(shù)：Ia、om、At、km、ka、AG a;
[0025] Go= 10 ；
[0026] 循環(huán):每隔At檢測(cè)Ia;
[0027] 判斷是否 |la-Ia*|2 3AIa;
[0028] 是，則依據(jù)(2)式計(jì)算Gms，將當(dāng)前增益值63調(diào)整為Gms;否，則保持G a;
[0029] 進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是哈特曼波前探測(cè)器輸出的一幅典型光斑陣列圖像，微透鏡會(huì)聚光斑于離散 的相機(jī)像素上。
[0031] 圖2是測(cè)量哈特曼波前探測(cè)器的亮度線性方程常量系數(shù)的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，由電源 1、光纖光源2、小孔光闌3、第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、哈特曼波前探測(cè)器7、湍流屏 8、計(jì)算機(jī)9組成。其中電源1為可編程信號(hào)發(fā)生器，用以給光纖光源2供電，控制其亮度變化； 小孔光闌3的直徑為100μπι，使通過(guò)小孔光闌3的光成為點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源位于第一透鏡4的 前焦點(diǎn)上，使通過(guò)第一透鏡4的光束為平行光束;第二透鏡5與第三透鏡6共焦點(diǎn)，使通過(guò)第 一透鏡4的平行光束縮束為與哈特曼波前探測(cè)器7 口徑匹配的平行光束而全部進(jìn)入哈特曼 波前探測(cè)器7，湍流屏8定量模擬產(chǎn)生一定強(qiáng)度的大氣湍流;計(jì)算機(jī)9中裝有控制哈特曼波前 探測(cè)器7的控制軟件，且與哈特曼波前探測(cè)器7相連，實(shí)時(shí)讀取、處理哈特曼波前探測(cè)器7的 探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度I，進(jìn)行增益的調(diào)整。
[0032] 圖3是光纖光源2的亮度恒定、哈特曼波前探測(cè)器7在一固定增益Gem下探測(cè)信號(hào)強(qiáng) 度I的波動(dòng)曲線。其中曲線11和12分別為每幀中平均光斑最大亮度I a與最高亮度值Im的波動(dòng) 曲線，13為最高亮度均值；ζ，14為Im相對(duì)；ζ的均方差值σ。
[0033] 圖4是哈特曼波前探測(cè)器7在不同增益設(shè)置下、光纖光源2的亮度逐漸增加探測(cè)信 號(hào)強(qiáng)度I與子孔徑亮度平均值Nape3r的線性關(guān)系，圖中每一條線的斜率為亮度線性方程系數(shù)k 與設(shè)置增益Gem的乘積。其中（a)是統(tǒng)計(jì)平均的平均光斑最大亮度與子孔徑亮度平均值 Naper 的線性關(guān)系，直線 21、22、23、24、25、26分別對(duì)應(yīng)增益6〇1=100、200、300、400、500、600， 由（a)組直線的平均斜率能夠求出k a;(b)是最高亮度均值；ζ與子孔徑亮度平均值Nape3r的線 性關(guān)系，直線 31、32、33、34、35、36分別對(duì)應(yīng)增益6〇1=100、200、300、400、500、600，由（13)組直 線的平均斜率能夠求出k m。
[0034] 圖5是模擬探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度以正弦形迅速變化時(shí)通過(guò)自適應(yīng)增益控制后的穩(wěn)定信號(hào) 強(qiáng)度的效果。其中（a)是Gem=I時(shí)正弦形迅速變化的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度I，曲線41為波動(dòng)幅值約 40ADU、峰值只有70ADU的平均光斑最大亮度I a的曲線，曲線42為波動(dòng)幅值約70ADU、峰值只 有120ADU的最高亮度值1"的曲線；（b)是自適應(yīng)增益控制后正弦波動(dòng)幾乎祛除的穩(wěn)定信號(hào) 強(qiáng)度I的效果，曲線51為增益控制后強(qiáng)度升高至約6000ADU的平均光斑最大亮度1 3的曲線， 曲線52為增益控制后強(qiáng)度升高至約11500ADU的最高亮度值1?的曲線。
[0035] 圖6是在正弦形光信號(hào)輸出條件下設(shè)置不同固定增益Gem= 1、100、200和采用自適 應(yīng)增益控制的哈特曼波前探測(cè)器7中對(duì)應(yīng)一個(gè)正弦周期的信噪比變化曲線，其中曲線61為 增益Gem=I時(shí)的信噪比SNR曲線，曲線64為采用自適應(yīng)增益控制的信噪比SNR曲線，垂直線62 為增益Gem=IOO條件下哈特曼波前探測(cè)器7由于過(guò)飽和采集信號(hào)的截止線，所采集到的部分 信號(hào)信噪比SNR曲線與曲線64重合，垂直線63為增益Gem= 200條件下哈特曼波前探測(cè)器7由 于過(guò)飽和采集信號(hào)的截止線，所采集到的部分信號(hào)信噪比SNR曲線也與曲線64重合。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 模擬被觀測(cè)目標(biāo)的光強(qiáng)度發(fā)生大幅度的迅速變化，采用本發(fā)明方法對(duì)哈特曼波前 探測(cè)器增益進(jìn)行自適應(yīng)控制，提高弱信號(hào)時(shí)的探測(cè)信噪比。實(shí)施步驟及效果如下：
[0037] 1)搭建如圖2所不的模擬光路系統(tǒng)，由電源1、光纖光源2、小孔光闌3、第一透鏡4、 第二透鏡5、第三透鏡6、哈特曼波前探測(cè)器7、湍流屏8、計(jì)算機(jī)9組成。
[0038] 電源1為可編程信號(hào)發(fā)生器，用以給光纖光源2供電，控制其亮度變化;小孔光闌3 的直徑為100μπι，使通過(guò)小孔光闌3的光成為點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源位于第一透鏡4的前焦點(diǎn)上， 使通過(guò)第一透鏡4的光束為平行光束;第二透鏡5與第三透鏡6共焦點(diǎn)，使通過(guò)第一透鏡4的 平行光束縮束為與哈特曼波前探測(cè)器7 口徑匹配的平行光束而全部進(jìn)入哈特曼波前探測(cè)器 7,湍流屏8模擬大氣湍流對(duì)哈特曼波前探測(cè)器7中光斑亮度分布影響;計(jì)算機(jī)9中安裝控制 哈特曼波前探測(cè)器7的控制軟件及自適應(yīng)增益控制程序，且與哈特曼波前探測(cè)器7相連，實(shí) 時(shí)讀取、處理哈特曼波前探測(cè)器7的信號(hào)強(qiáng)度I并進(jìn)行自適應(yīng)增益控制。
[0039] 光路系統(tǒng)中各元件的技術(shù)參數(shù)為：
[0040] 電源1，美國(guó)海洋光學(xué)公司，型號(hào)HL-2000-HP-232R，最大輸出功率20W;
[0041 ] 光纖光源2，大恒新紀(jì)元科技公司，型號(hào)為GCI-020107;
[0042] 小孔光闌3,大恒新紀(jì)元科技公司，型號(hào)為GC0-01100;
[0043] 第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6的焦距分別為200mm、200mm、100mm;
[0044] 哈特曼波前探測(cè)器7中的微透鏡陣列由20 X 20個(gè)呈正方形排列的微透鏡組成，其 背部的EMCCD是英國(guó)e2v Technologies公司的產(chǎn)品，型號(hào)為CCD220,其飽和亮度值Il = 214ADU? 16300ADU，在超過(guò)8%的像素上出現(xiàn)亮度過(guò)飽和時(shí)增益自動(dòng)重置為1，增益改變需要 延遲時(shí)間Δ t = 50ms，具有120 X 120個(gè)像素、像素尺寸為48μπι，每一個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)6 X 6像素 的子窗口；微透鏡孔徑d = 288μπι，焦距f = 19.35mm，光斑的愛(ài)里斑直徑為2.44λ?·/d = 90μπι， 其中波長(zhǎng)X = 550nm;
[0045] 端流屏8是美國(guó)Lexitek. Inc.公司的產(chǎn)品，型號(hào)為Near-Index-Match? phase plate，自帶控制盒，能夠控制產(chǎn)生符合要求的大氣湍流，此處設(shè)置湍流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)大氣相干 長(zhǎng)度10cm、望遠(yuǎn)鏡接收口徑2m、格林伍德頻率為50Hz。
[0046] 2)遮光條件下測(cè)量哈特曼波前探測(cè)器7的暗背底，測(cè)量500幀，計(jì)算平均每幀像素 上的亮度值分布并記錄為背底圖像，存入計(jì)算機(jī)9中，之后獲得的每幀探測(cè)信號(hào)都需扣除此 背底圖像。
[0047] 3)設(shè)置電源1輸出較低的恒定電流，使得光纖光源2出射剛剛超過(guò)哈特曼波前探測(cè) 器7檢出限的暗弱光，設(shè)置哈特曼波前探測(cè)器7的增益G EM=1，保持光纖光源2的亮度恒定，采 集500幀哈特曼波前探測(cè)器7實(shí)時(shí)探測(cè)的光斑陣列圖像，存入計(jì)算機(jī)9中，每幀探測(cè)信號(hào)都扣 除背底圖像，計(jì)算每一幀平均光斑最大亮度Ia、最高亮度值Im和子孔徑亮度N;再統(tǒng)計(jì)連續(xù) 500幀的平均光斑最大亮度記為ζ、最高亮度均值I和子孔徑亮度平均值Nape3r。
[0048] 4)保持增益Gem=I，設(shè)置光纖光源2的亮度逐漸增加，每改變一次亮度后，重復(fù)一遍 3) 中步驟，并記錄所得到的系列ζ、Fa和子孔徑亮度平均值Nape^繪制增益Gem=I條件下的 ζ、：ζ:分別隨子孔徑亮度平均值Nape3r的變化曲線。
[0049] 5)設(shè)置不同的增益Gem=100、200、300、400、500、600,每改變一次Gem后，重復(fù)一遍 4) 中步驟;繪制圖4(a)所示的ζ-Λ^-組直線；繪制圖4(b)所示的第二組直線;利 用增益Gem=600條件下獲得的500幀光斑陣列的平均光斑最大亮度Ia、最高亮度值Im和最高 亮度均值U十算此條件下的1 3起伏范圍A Ia、Im相對(duì)?；值的均方差值〇m，得到Δ Ia ? 80ADU、 Om ? lOOOADUo
[0050] 6)利用圖4(a)中的一組7：直線，用每一直線斜率除以相應(yīng)增益Gem得出增益 Gem= 100、200、300、400、500、600下的6個(gè)1^的特例值，然后對(duì)6個(gè)特例值求平均得出較準(zhǔn)確 的1 = 0.384;利用圖4(b)的一組直線，同樣用每一直線斜率除以相應(yīng)增益Gem得出 Gem= 100、200、300、400、500、600下的6個(gè)1^的特例值，然后對(duì)6個(gè)特例值求平均得出較準(zhǔn)確 的 km=0.781〇
[0051] 7)接下來(lái)確定哈特曼波前探測(cè)器7的理想最高亮度值4,:
[0052]依據(jù)哈特曼波前探測(cè)器7的技術(shù)手冊(cè)，其背部的EMCCD的飽和亮度值Il = 16300ADU;再由5)步驟求得的1000ADU，令/, - 7；"v =3.丨σ,"，即可以獲得哈特曼波前探測(cè) 器7的理想最高亮度值13()()() ADU..
[0053] 將上述步驟求得的Tffl^khka以及監(jiān)測(cè)量Ia和相應(yīng)的63代入(2)式即可求出當(dāng)前應(yīng) 給哈特曼波前探測(cè)器7施加的增益Gms。
[0054] 8)進(jìn)一步設(shè)置增益控制的其它條件:哈特曼波前探測(cè)器7背部的EMCCD每一次增益 改變需要延遲時(shí)間At = 50ms，限定平均光斑最大亮度13的檢測(cè)時(shí)間間隔T = 55ms;由第5) 步驟知A Ia ? 80ADU，故設(shè)置增益調(diào)整控制判斷條件為：當(dāng)前幀的平均光斑最大亮度Ia和上 一幀的平均光斑最大亮度之差滿(mǎn)足I 2 240ADU;設(shè)置初始增益Go = 10。
[0055] 9)將所求得的哈特曼波前探測(cè)器7的技術(shù)特征參數(shù)
[0056] T^=l30(K)ADlJ、km=0.781、ka = 0.384、Δ Ia? 80ADU、T = 50ms，
[0057] 代入哈特曼波前探測(cè)器7的增益自適應(yīng)控制程序中，
[0058] 設(shè)置初始增益Go= 10;
[0059] 自適應(yīng)循環(huán):每隔T檢測(cè)一次Ia;
[0060] 判斷是否 |la-Ia*|2 3AIa;
[0061 ]是，則依據(jù)(2)式計(jì)算Gms，將當(dāng)前增益值63調(diào)整為Gms;否，則保持G a;
[0062] 進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
[0063] 10)設(shè)置電源1輸出正弦形狀變化電流，使光纖光源2輸出的信號(hào)光強(qiáng)度發(fā)生大幅 度的迅速變化，遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際被觀測(cè)目標(biāo)的光強(qiáng)變化范圍與速度;設(shè)置固定增益Gem=I，記錄 哈特曼波前探測(cè)器7實(shí)時(shí)探測(cè)的光斑陣列信號(hào)，計(jì)算每幀中平均光斑最大亮度1 3和最高亮 度值Im，按幀序列排布的UPIm均呈現(xiàn)為正弦形狀的曲線，周期與電源1輸出的正弦電流周 期一致，Gem=I條件下的UPIm曲線如圖5(a)所示，其中曲線41為波動(dòng)幅值約40ADU、峰值只 有70ADU的平均光斑最大亮度I a的曲線，曲線42為波動(dòng)幅值約70ADU、峰值只有120ADU的最 高亮度值1^的曲線;設(shè)置Gem= 100、200，分別在每個(gè)增益條件下重復(fù)上述的13和Im的檢測(cè)，但 這兩個(gè)條件下的最高亮度值1^均在正弦信號(hào)的強(qiáng)度上升過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)飽和，增益自動(dòng)重置 為1，未完成完整曲線的測(cè)量。
[0064] 11)保持電源1輸出正弦形狀變化電流，記錄哈特曼波前探測(cè)器7實(shí)時(shí)探測(cè)的光斑 陣列信號(hào)，開(kāi)啟增益自適應(yīng)控制程序，每隔A t = 50ms計(jì)算一幀的平均光斑最大亮度Ia和最 高亮度值L，再由13計(jì)算出理想最高亮度值ζ?對(duì)應(yīng)的增益Gms，自適應(yīng)控制增益，使最高亮度 值I m和平均光斑最大亮度Ia曲線中的正弦波動(dòng)幾乎祛除，如圖5(b)所示，其中曲線51為增益 控制后平均強(qiáng)度升高至6000ADU的平均光斑最大亮度I a的曲線，曲線52為增益控制后平均 強(qiáng)度升高至11500ADU的最高亮度值1?的曲線。
[0065] 計(jì)算了在上述正弦形光信號(hào)輸出條件下設(shè)置不同固定增益GEM=1、100、200和采用 自適應(yīng)增益控制的哈特曼波前探測(cè)器7中的信噪比SNR，如圖6所示，其中曲線61為增益Gem= 1時(shí)的信噪比SNR曲線，曲線64為采用自適應(yīng)增益控制的信噪比SNR曲線，垂直線62為增益Gem = 100條件下哈特曼波前探測(cè)器7由于過(guò)飽和采集信號(hào)的截止線，所采集到的部分信號(hào)信噪 比SNR曲線與曲線64重合，垂直線63為增益Gem= 200條件下哈特曼波前探測(cè)器7由于過(guò)飽和 采集信號(hào)的截止線，所采集到的部分信號(hào)信噪比SNR曲線也與曲線64重合。圖6的結(jié)果說(shuō)明， 對(duì)應(yīng)光纖光源2的最低輸出信號(hào)I a = 35ADU時(shí)，Gem=I增益下的信噪比SNR只有12,而Gem達(dá)到 100時(shí)信噪比SNR達(dá)到上限22，Gem再增至200信噪比SNR仍為22;隨著光纖光源2的輸出信號(hào)增 強(qiáng)，Gem=I時(shí)的信噪比SNR最高增至22,而Gem為100和200固定增益的信號(hào)強(qiáng)度先后出現(xiàn)過(guò)飽 和而使信噪比SNR曲線垂直落下與Gem=I的SNR曲線重合，只有自適應(yīng)增益控制的信噪比SNR 升至30，可見(jiàn)自適應(yīng)增益控制不僅使弱亮度目標(biāo)的探測(cè)信噪比有效提高，使整個(gè)探測(cè)過(guò)程 保持于信噪比的上限，同時(shí)避免了基于EMCCD的哈特曼波前探測(cè)器的信號(hào)過(guò)飽和。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 哈特曼波前探測(cè)器電子倍增增益的自適應(yīng)控制方法，其特征是： 由哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)說(shuō)明書(shū)查出飽和亮度值II;針對(duì)一個(gè)亮度恒定的被觀測(cè)目 標(biāo)，首先將哈特曼波前探測(cè)器的增益站Μ設(shè)置為初始增益Go=10,統(tǒng)計(jì)哈特曼波前探測(cè)器采 集的每一帖光斑陣列中像素上的最高亮度值Im的起伏變化，逐漸增大哈特曼波前探測(cè)器的 增益，使監(jiān)測(cè)到的最高亮度值Im逐漸逼近并小于哈特曼波前探測(cè)器的飽和亮度值II;在此條 件下統(tǒng)計(jì)200帖~500帖中的最高亮度值Im，計(jì)算其相對(duì)統(tǒng)計(jì)帖數(shù)的均值，Im相對(duì)最高亮度 均值4的均方差值。m; 設(shè)定最高亮度均值的理想最高亮度值為，令4 等于3.〇〇m~3.化m; 再將一帖光斑陣列上每個(gè)光斑的亮度最大值相對(duì)陣列中的光斑數(shù)計(jì)算平均值記為la， 簡(jiǎn)稱(chēng)為平均光斑最大亮度la，作為即時(shí)判斷每帖信號(hào)亮度的監(jiān)測(cè)參量； 進(jìn)一步找出la與4的關(guān)系即可W通過(guò)監(jiān)測(cè)每帖的平均光斑最大亮度la來(lái)控制增益使哈 特曼波前探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度4 = 成立;依據(jù)CCD光強(qiáng)I的線性方程： I=k · Naper · Gem (1) 其中k為相對(duì)I的常量系數(shù)，I對(duì)應(yīng)本發(fā)明中的la、Im、ο，相應(yīng)的k為ka、km、k。，GeM為設(shè)置的 增益，Naper為對(duì)應(yīng)被觀測(cè)目標(biāo)亮度等級(jí)的參量，是在站M= 1的條件下一個(gè)微透鏡子孔徑內(nèi)所 有像素上的亮度信號(hào)之和相對(duì)一帖所有子孔徑的平均值，簡(jiǎn)稱(chēng)Naper為子孔徑亮度平均值； 令當(dāng)前帖平均光斑最大亮度為la、哈特曼波前探測(cè)器當(dāng)前帖的增益為Ga，對(duì)應(yīng)馬條 件的哈特曼波前探測(cè)器調(diào)整后的增益Gms須滿(mǎn)足下式：(2) 事先測(cè)得哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)ka、km和理想最高亮度值:ζ,，即可^由當(dāng)前 帖探測(cè)數(shù)據(jù)la和Ga計(jì)算得到所需調(diào)整的增益值Gms ; 增益控制的其它條件：哈特曼波前探測(cè)器(7)背部的EMCCD每一次增益改變需要延遲時(shí) 間數(shù)十毫秒，記為At,限定平均光斑最大亮度la的檢測(cè)時(shí)間間隔Te[ At, At+lOms]的范 圍；另外監(jiān)測(cè)量即平均光斑最大亮度la自身存在起伏，記為Ala,設(shè)置增益調(diào)整控制判斷條 件為：當(dāng)前帖的平均光斑最大亮度la和上一帖的平均光斑最大亮度la*之差滿(mǎn)足I > 3 A la，當(dāng)該條件成立時(shí)，需對(duì)當(dāng)前增益Ga進(jìn)行調(diào)整，否則無(wú)需對(duì)增益Ga進(jìn)行調(diào)整。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的哈特曼波前探測(cè)器電子倍增增益的自適應(yīng)控制方法，其特征 是所述的哈特曼波前探測(cè)器的技術(shù)特征參數(shù)ka、km常量系數(shù)和理想最高亮度值7"^勺測(cè)量方 法如下： 搭建檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)；檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)由電源（1)、光纖光源（2)、小孔光闊（3)、第一透鏡 (4)、第二透鏡（5)、第Ξ透鏡(6)、哈特曼波前探測(cè)器(7)、端流屏(8)、計(jì)算機(jī)(9)組成;光路 中各元件的作用為：電源（1)為可編程信號(hào)發(fā)生器，用W給光纖光源(2)供電，控制其亮度變 化，模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在被觀測(cè)中信號(hào)亮度I的變化;小孔光闊（3)的直徑為100μπι，使通過(guò)小孔 光闊（3)的光成為點(diǎn)光源，該點(diǎn)光源位于第一透鏡(4)的前焦點(diǎn)上，使通過(guò)第一透鏡(4)的光 束為平行光束;第二透鏡(5)與第Ξ透鏡(6)共焦點(diǎn)，使通過(guò)第一透鏡(4)的平行光束縮束為 與哈特曼波前探測(cè)器（7) 口徑匹配的平行光束而全部進(jìn)入哈特曼波前探測(cè)器（7)，端流屏 (8)定量模擬產(chǎn)生一定強(qiáng)度的大氣端流，模擬信號(hào)采集過(guò)程中大氣端流對(duì)信號(hào)亮度I的擾 動(dòng);計(jì)算機(jī)(9)中裝有控制哈特曼波前探測(cè)器(7)的控制軟件，且與哈特曼波前探測(cè)器(7)相 連，實(shí)時(shí)讀取、處理哈特曼波前探測(cè)器(7)的亮度信號(hào)I，進(jìn)行增益的調(diào)整； 基于所搭建的檢測(cè)系統(tǒng)，哈特曼波前探測(cè)器(7)的技術(shù)特征參數(shù)ka、km常量系數(shù)和理想 最高亮度值ζ?的測(cè)量步驟如下： 1) 遮光條件下測(cè)量哈特曼波前探測(cè)器(7)的暗背底，測(cè)量500帖，計(jì)算平均每帖像素上 的亮度值分布并記錄為背底圖像，之后獲得的每帖探測(cè)信號(hào)都需扣除背底圖像； 2) 使得光纖光源(2)出射剛剛超過(guò)哈特曼波前探測(cè)器(7)檢出限的暗弱光且保持恒定， 增益站Μ=1，采集200帖~500帖光斑陣列圖像，將每帖探測(cè)信號(hào)都扣除背底圖像后計(jì)算每一 帖平均光斑最大亮度la、最高亮度值Im和子孔徑亮度Ν，再統(tǒng)計(jì)平均連續(xù)200帖~500帖的平 均光斑最大亮度記為4、最高亮度均值4和子孔徑亮度平均值Naper ; 3) 保持增益站M=l，設(shè)置光纖光源(2)的亮度逐漸增加，每改變一次亮度后，重復(fù)一遍2) 中步驟，并記錄所得到的系列石、4和子孔徑亮度平均值Naper;繪制所設(shè)置增益Gem下的 Λ、7：分別隨子孔徑亮度平均值Naper的變化曲線； 4) 設(shè)置光纖光源(2)的亮度為步驟3)中所使用的最低亮度，然后設(shè)置不同的增益Gem,每 改變一次站Μ后，重復(fù)一遍3 )中步驟，得到7：, - Waper、石-的^。"兩組線性關(guān)系；先針對(duì) 組線性關(guān)系，用每一直線斜率除W相應(yīng)增益站Μ得出一個(gè)ka的特例值，然后對(duì)全組的特例值 求平均得出較準(zhǔn)確的ka;再用同樣方法從最組線性關(guān)系中求得km; 5) 由哈特曼波前探測(cè)器(7)的技術(shù)手冊(cè)查出其背部的EMCCD的飽和亮度值II;再由上一 步驟測(cè)量直線關(guān)系時(shí)獲得的最大增益Gem下的4和200帖~500帖最高亮度值Im，運(yùn) 些Im已接近并小于哈特曼波前探測(cè)器的飽和亮度值II，利用運(yùn)200~500個(gè)最高亮度值Im和 最高亮度均值?，計(jì)算出Im相對(duì)最高亮度均值而的均方差值〇m，再令4-J胃等于3.0〇m~3.化m，即可W獲得哈特曼波前探測(cè)器(7)的理想最高亮度值7m,。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK105842848SQ201610423714
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】宣麗, 李大禹, 張佩光, 王少鑫, 曹召良, 穆全全, 楊程亮, 姚麗雙, 劉永剛, 彭增輝, 徐煥宇, 張杏云, 王啟東, 王玉坤, 朱召義
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所