基于相位差法的高分辨率液晶自适应光学技术研究

CIOMP OpenIR

	基于相位差法的高分辨率液晶自适应光学技术研究
	徐梓浩
学位类型	博士
导师	杨程亮 ; 穆全全
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	自适应光学相位差法液晶波前校正器相位恢复图像重建技术
摘要	目前,国际上绝大多数的望远镜都配备有自适应光学系统,自适应光学技术已经成为天文探测必不可少的工具。传统的自适应光学系统采用变形镜进行波前的校正,但变形镜受限于驱动单元数少,在大口径望远镜上的应用面临着诸多难题。液晶自适应光学技术突破了驱动单元数少的限制,表现出可观的应用前景。但系统存在响应时间长等缺陷,其校正后的图像分辨率无法达到衍射极限。1979年,相位差法(Phase diversity,PD)由Gonsalves首次提出,该方法能对系统光瞳上的波前进行探测,同时重建出高清晰度的目标图像。该方法对点目标和扩展目标均适用。本文将相位差法与液晶自适应光学技术相结合,实现具有相位差技术的液晶自适应可见光高分辨率成像。首先详细分析了相位差法的基本理论。根据傅里叶光学理论,阐述了光学系统的物像关系。详细介绍相位差法的物理模型,根据极大似然估计法,推导目标评价函数和物函数的数学表达式。完成点目标和扩展目标的相位差仿真实验,验证其对二者的适用性。分析离焦量误差、两通道光强误差和图像平移效应对相位差波前探测精度的影响,并给出相应的解决方法。针对相位差法的动态探测范围较小的问题,对相位差法中的非线性最优化算法进行了研究。本文提出了有效的改善方案,采用了基于混沌初始化的混合粒子群算法来提高相位差法的动态探测范围。混沌运动的遍历性保证群体初始化的多样性,择优操作使初始群体具有较优的位置。粒子群算法的全局收敛性降低了算法陷入局部极值的可能性,自然选择机制的使用提高了粒子群算法的局部搜索精度。首先,分析了粒子数和迭代次数对算法收敛性的影响,并给出了粒子数和迭代次数的收敛阈值。其次,分析了混合粒子群算法对不同幅值像差的探测精度,结果表明,相比于传统局部优化算法,混合粒子群算法使相位差法的动态探测范围获得大幅度地提升。最后,实验验证了混合粒子群算法的可行性。针对具有相位差技术的液晶自适应光学系统展开研究。提出了二步高分辨成像方法,先利用液晶自适应技术对大气湍流进行开环校正,然后采用相位差法对校正后的残余波前进行探测,消除残余波前。设计了新型的具有相位差技术的液晶自适应光学系统,通过对一个液晶校正器旋转小角度来实现分束成像,并对该液晶校正器施加开环校正和相位差函数的叠加信号,同步实现开环校正和离焦图像采集。相比于传统相位差光学结构,本方法能降低不可调制零级光所带来的相位差波前探测误差,并且能实现对相位差函数的优化。首先,分析了不可调制光对相位差波前探测精度的影响,结果表明,对于大湍流而言,在0-1级光能量比1/15-1/3的范围内,大部分的探测误差百分比低于5%,最大误差百分比低于10%;对于小湍流而言,大部分的探测误差百分比低于10%,最大误差百分比低于20%;相比于传统相位差光学结构,本方法具有更高的波前探测精度。其次,进行单色光高分辨率成像实验,结果表明,相比于开环校正后的图像,经相位差处理后,图像的最高空间分辨率由20.16lp/mm提升至35.92lp/mm,图像的结构相似度SSIM也由80.34%提高为89.78%。最后,进行不同信噪比情况下的单色光成像实验,利用BM3D去噪技术对退化图像进行去噪预处理,解决了不同程度的噪声对图像重建质量的不利影响。针对相位差法在液晶自适应光学系统宽波段成像的应用进行了研究。相位差法的前提是单色光或准单色光照明,宽波段成像时需要对算法进行修正。通过仿真实验,宽波段成像修正算法的波前探测精度随离散采样波长数的增加而提升,算法的计算量大,不利于实际工程应用。本文提出一种在宽波段成像下的基于光谱能量曲线的最小误差单色光近似方法,将光谱能量面积左右等分所对应的单色光作为宽波段成像的最佳近似单色光。首先,分析了退化单色光图像与退化宽波段图像的相似性,结果表明,本方法所选择的单色光退化图像与宽波段退化图像具有最高的相似性。其次,研究本方法在宽波段成像下的波前探测精度,结果表明,相比于光谱范围内的其它单色光,本方法具有更高的波前探测精度。再次,研究本方法的光谱范围适用性,结果表明,对于不同谱宽,本方法的波前探测精度均最高,具有高度的光谱适用性。最后,将本方法应用至液晶自适应宽波段成像系统,实现了该方法在工程上的应用。本论文所获得的结论证明,通过对相位差法的算法改进及其在液晶自适应系统工程应用上所面临问题的研究,实现了结合相位差技术的液晶自适应可见光高分辨率成像。该研究展示了其在大口径望远镜系统的应用优势,对于我国经济、军事和天文研究等领域具有重要的研究意义和应用价值。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61638
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	徐梓浩. 基于相位差法的高分辨率液晶自适应光学技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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基于相位差法的高分辨率液晶自适应光学技术（8769KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文