基于短曝光斑點圖統(tǒng)計特性的幸運(yùn)成像選幀方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于天文測量與光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于短曝光斑點圖統(tǒng)計 特性的Lucky Imaging選幀方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 1978年，F(xiàn)ried指出，光波經(jīng)過端流大氣后形成的短曝光像，存在一定比例接近于 望遠(yuǎn)鏡衍射極限的圖像，這些圖像對應(yīng)的由大氣湍流導(dǎo)致的波前畸變在望遠(yuǎn)鏡入瞳上可以 忽略，因此被稱為"幸運(yùn)"圖像（lucky images)。
[0004] Lucky Imaging技術(shù)是目前迅速發(fā)展起來的選幀技術(shù)，其基本原理是對目標(biāo)進(jìn)行 大量連續(xù)短曝光成像，按照一定的像質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)將受大氣湍流影響比較小的圖像挑選出來 進(jìn)行配準(zhǔn)疊加得到分辨率明顯提高的圖像，是地面望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)高分辨成像的一種比較有效 的方法，由于其算法簡單、造價低廉，已被天文界所關(guān)注。
[0005] 理論上，只要有合適的Lucky Imaging像質(zhì)評價函數(shù)，無論是點源目標(biāo)、還是擴(kuò)展 目標(biāo)均可以運(yùn)用Lucky Imaging來克服大氣湍流的影響。目前在天文上，點源暗弱目標(biāo)的 探測通常采用基于Strehl Ratio的Lucky Imaging，然而以Strehl Ratio作為像質(zhì)評價函 數(shù)并不適于擴(kuò)展目標(biāo)，而今擴(kuò)展目標(biāo)的傳統(tǒng)像質(zhì)評價函數(shù)大多是基于圖像灰度或灰度梯度 統(tǒng)計方法(如直方圖、梯度等)，這些方法容易受到圖像本身細(xì)節(jié)變化的影響，特別是對于太 陽這樣表面結(jié)構(gòu)不斷演化的目標(biāo)，有時更多的反應(yīng)的是目標(biāo)的變化而非像質(zhì)，因此如何選 擇合適的像質(zhì)評價函數(shù)對Lucky Imaging選幀至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，從短曝光斑點圖統(tǒng)計特性出發(fā)，提出 了一種新的Lucky Imaging像質(zhì)評價選幀方法，與傳統(tǒng)的基于圖像本身的像質(zhì)評價函數(shù)相 比，這種方法的優(yōu)點在于該方法將與目標(biāo)有關(guān)的量已從像質(zhì)評價函數(shù)中消除，評價函數(shù)只 包含與大氣湍流參數(shù)有關(guān)的量，因此能夠更準(zhǔn)確地反映出大氣湍流引起的像質(zhì)變化。另外， 通過該選幀方法可以為后續(xù)的圖像重建提供更多可靠的高頻信息，有利于提高圖像重建效 果。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 基于短曝光斑點圖統(tǒng)計特性的Lucky Imaging選幀方法，包括如下步驟： 步驟（1 )，在觀測目標(biāo)無變化的時間段內(nèi)，通過CCD或CMOS相機(jī)獲取觀測目標(biāo)的短曝光 斑點圖；所述的短曝光斑點圖數(shù)量多100 ; 步驟（2)，對步驟（1)獲取的短曝光斑點圖進(jìn)行預(yù)處理以消除的呆象元、圖像上的污點 和響應(yīng)不均勻性； 步驟（3)，對經(jīng)步驟（2)預(yù)處理后的短曝光斑點圖進(jìn)行相關(guān)位移疊加獲得平均短曝光 像； 步驟（4)，根據(jù)步驟（2)預(yù)處理后的短曝光斑點圖和步驟（3)得到的平均短曝光像，通 過式（5 )計算頻譜比值，
^OTFiCits 為平均綜合光學(xué)傳遞函數(shù)； 步驟（5)，根據(jù)步驟（4)計算得到的頻譜比值，然后通過式（6)~(8)計算Lucky Imaging 像質(zhì)評價函數(shù)ImageQ ;然后按從大到小的順序?qū)mageQ進(jìn)行排序，ImageQ的最大值對應(yīng) 的圖像即為像質(zhì)相對最好的"幸運(yùn)"圖像；
其中，abs (…）表示取模操作，angle (…）表示取相位操作； 式（7)是極坐標(biāo)下的積分表示形式，_代表徑向積分區(qū)域，Pi代表積分頻率環(huán)的內(nèi)徑， 代表積分頻率環(huán)的外徑； 式（8)中的_-表示Frobenius范數(shù)或1%范數(shù)，其定義為
[0008] 進(jìn)一步，優(yōu)選的是步驟（2)所述的預(yù)處理包括平場和暗場。
[0009] 進(jìn)一步，優(yōu)選的是步驟（5)所述的徑向積分區(qū)域選取望遠(yuǎn)鏡截止頻域內(nèi)的整個區(qū) 域，或者選取與獲取的短曝光斑點圖的平均視寧度Is有關(guān)的局部區(qū)域。
[0010] 本發(fā)明的機(jī)理： 大氣湍流的影響是造成天文目標(biāo)像質(zhì)退化的最主要的原因，對經(jīng)過湍流大氣成像的擴(kuò) 展目標(biāo)進(jìn)行像質(zhì)評價時，重要的是將有關(guān)目標(biāo)的信息消除，讓評價參數(shù)中只保留跟大氣有 關(guān)的信息。本發(fā)明通過對短曝光斑點圖和平均短曝光像的頻譜進(jìn)行分析，提出了能夠消除 目標(biāo)信息的Lucky Imaging選幀方法。
[0011] 在大氣一望遠(yuǎn)鏡綜合系統(tǒng)滿足線性空不變系統(tǒng)的假設(shè)前提下，短曝光斑點圖可 表示為： 在頻域坐標(biāo)系下：
其中議__示t時刻的短曝光斑點圖頻譜，___:表示目標(biāo)頻譜，'為 大氣一望遠(yuǎn)鏡綜合光學(xué)傳遞函數(shù)，光學(xué)傳遞函數(shù)是光瞳函數(shù)的自相關(guān)，即
式中★表示相關(guān)運(yùn)算，巧(XJ)為棄瞳函數(shù)，光瞳函數(shù)以模和相位的形式表示可寫 為：
式中為望遠(yuǎn)鏡的理想光瞳函數(shù)，表示t時刻大氣一一望遠(yuǎn)鏡的波前相位分 布。
[0012] 從上述關(guān)系式可以看出，與大氣湍流有關(guān)的量是光瞳函數(shù)Pt(x,y)或光學(xué)傳遞函 數(shù)_1__~，它們直接反應(yīng)了湍流大氣對像質(zhì)影響的程度。理論上，以:1_!|__作 為選幀評價函數(shù)將是比較理想的情況，然而在現(xiàn)實中，直接求取,?!??代價太大(可 通過自適應(yīng)(AO)或其它波前探測方法來實現(xiàn))，然而要消除等式（1)右邊的目標(biāo)頻譜函數(shù) O(UiV)相對簡單，可采用瞬時短曝光斑點圖的頻譜與平均短曝光像的頻譜比值來實現(xiàn)，BP 平均短曝光像的頻譜：
1111
從式（5)可以看出，在消除目標(biāo)干擾的同時，頻譜比值得到的是的近似值
該式與視寧度估算的譜比法很相似，不同之處在于：譜比法是模的平方的比值
,而頻譜比值的結(jié)男
是一個復(fù)數(shù)，這樣做的優(yōu)點在于：
是光瞳函數(shù)的自相關(guān)，其模和相位都反應(yīng)了湍流大氣對像質(zhì)的影響，因此綜合考慮頻譜比 值的模和相位，可以得到更全面像質(zhì)評價結(jié)果，提高評價精度。最終的Lucky Imaging像質(zhì) 評價函數(shù)定義為：
其中，式（7)是極坐標(biāo)下的積分表示形式，f代表徑向積分區(qū)域，其參數(shù)A和H代表積 分頻率環(huán)的內(nèi)徑和外徑，徑向積分區(qū)域可選取望遠(yuǎn)鏡截止頻域內(nèi)的整個區(qū)域，也可以選取 與該組短曝光斑點圖的平均視寧度有關(guān)的局部區(qū)域；式（8)中的|Mj表示Frobenius范 數(shù)或范數(shù)，其定義為
[0013] 本發(fā)明與其他Lucky Imaging選幀方法相比，具有以下優(yōu)點： 1、本發(fā)明方法可以有效消除目標(biāo)信息對像質(zhì)評價函數(shù)的影響，適用于點源、擴(kuò)展面源 等任何觀測目標(biāo)。
[0014] 2、本發(fā)明綜合考慮頻譜比值的模和相位對像質(zhì)評價函數(shù)的影響，可得到更全面的 像質(zhì)評價結(jié)果。
[0015] 3、本發(fā)明無需特殊的觀測模式和觀測設(shè)備，可以與日常觀測同時進(jìn)行，利用日常 觀測現(xiàn)有的成像設(shè)備，通過對觀測的天文目標(biāo)進(jìn)行短曝光成像即可實現(xiàn)。通過本發(fā)明選幀 方法可將受大氣湍流影響嚴(yán)重、像質(zhì)較差的圖像剔除，利于后續(xù)圖像處理，不僅可以縮短數(shù) 據(jù)重建所用的時間提高數(shù)據(jù)處理