技术领域
[0001] 本
发明属于自适应光学技术领域，是针对自适应光学成像系统中哈特曼波前探测器电子倍增增益的控制方法。涉及自适应系统对空间运动目标
跟踪成像过程中目标
亮度不断变化而对哈特曼波前探测器中的
信号强度实时控制的技术，本质上是自适应控制哈特曼波前探测器背部的EMCCD的电子倍增增益。
背景技术
[0002] 利用望远镜对天体目标进行观测时，由于大气
湍流的随机干扰，成像光波前发生动态畸变，导致望远镜成像
分辨率下降。连接于望远镜终端的自适应光学系统可实时探测和校正大气湍流造成的畸变波前，以恢复望远镜理想的高分辨率成像。哈特曼波前探测器是当前自适应系统中广泛应用的波前探测器。该探测器由前置的微透镜阵列与位于微透镜阵列焦平面上的相机组成，微透镜阵列将入射波前分割为子波前的阵列，使通过的光束在每个微透镜后的相机上会聚成点状光斑，计算光斑质心
位置获得子波前的倾斜信息，进而重构出入射的整体畸变波前。图1展示了哈特曼波前探测器输出的一幅典型光斑阵列图像，微透镜会聚光斑位于离散的相机
像素上，质心位置由像素上离散亮度分布的质心公式计算出来。
[0003] 目标亮度越强
信噪比越高，光斑的质心计算受噪声干扰越小，哈特曼波前探测器的探测
精度越高；而目标亮度变弱时哈特曼波前探测器的探测精度下降，更严重的是大气湍流会造成接收口径内
能量分布不均匀，某些光斑亮度会低于检出限，引起很大的波前探测误差。为了提高暗弱目标的波前探测精度，哈特曼波前探测器中的相机大多使用电子倍增型的EMCCD，通过设置适宜的电子倍增增益提高信噪比，减少弱暗光斑丢失的几率。
[0004] 下面为叙述方便将“电子倍增增益”简称为“增益”。如何确定一个适宜的增益，是使用基于EMCCD的哈特曼波前探测器的关键问题，尤其运动目标在被跟踪成像过程中亮度发生较大变化时，设置固定的增益值不是造成局部信号亮度过饱和就是丢失弱暗光斑。例如，当观测围绕地球运动的
人造卫星时，望远镜接收到的主要是人造卫星对太阳的反射光，反射光强随着人造卫星与太阳、地面望远镜的相对位置而变化【杨莉，在轨卫星星等建模与计算，应用光学，35(3)，365-370(2014)】，进而导致入射到哈特曼波前探测器中的信号光能量随之变化。如果设置的增益偏高有可能会在观测过程中出现EMCCD亮度过饱和而不能正常工作，如果设置的增益偏低又有可能会出现信噪比不足、局部光斑丢失甚至被观测目标丢失的情况。因此需随着被观测目标亮度的变化，自适应地控制哈特曼波前探测器的增益，以实现稳定的高信噪比，达到高精度波前探测的目的。
发明内容
[0005] 本发明针对运动目标观测中亮度发生变化的问题，对哈特曼波前探测器的增益进行自适应控制，目的是使哈特曼波前探测器保持较高的信噪比，同时避免亮度过饱和。
[0006] 下面详述本发明的方法。
[0007] 由哈特曼波前探测器的技术
说明书查出饱和亮度值IL；针对一个亮度恒定的被观测目标，首先将哈特曼波前探测器的增益GEM设置为初始增益G0＝10，统计哈特曼波前探测器采集的每一
帧光斑阵列中像素上的最高亮度值Im的起伏变化，逐渐增大哈特曼波前探测器的增益，使监测到的最高亮度值Im逐渐逼近并小于哈特曼波前探测器的饱和亮度值IL；在此条件下统计200帧～500帧中像素上的最高亮度值Im，计算其相对统计帧数的均值 Im相对最高亮度均值 的均方差值σm；为使哈特曼波前探测器在
采样中不出现过饱和且接近饱和，需限定最高亮度均值 等于理想最高亮度值 令 等于3.0σm～3.2σm，其中σm为哈特曼波前探测器的技术特征参数，只要测得σm就能使 值被确定下来，因此理想最高亮度值 也是哈特曼波前探测器的技术特征参数。
[0008] 为了即时控制哈特曼波前探测器的信号亮度，还需要寻找一个判断每帧信号亮度的参量。因此再将一帧光斑阵列上每个光斑在像素上的亮度最大值相对阵列中的光斑数计算平均值记为Ia，简称为平均光斑最大亮度Ia。Ia相对Im要稳定得多，作为即时判断每帧信号亮度的监测参量。进一步找出Ia与 的关系即可以通过即时监测每帧的平均光斑最大亮度Ia来控制增益使哈特曼波前探测器的 成立。依据CCD光强I的线性方程【Stanislav Vitek,Jiri Hozman,Image quality influenced by selected image sensor parameters,Proc.SPIE9273,92732J(2003).】
[0009] I＝k·Naper·GEM (1)
[0010] 其中I对应本发明中的Ia、Im；k为相对I的常量系数，即Ia、Im相应的k为ka、km，看出k也是哈特曼波前探测器的技术特征参数，需要说明的是各参量的平均值以及特征值，如Im的统计平均值 和特征值 都与Im是同一性质的参量，故对应同一常量系数k，由于参量平均值的离散误差小，(1)式左侧的I应尽可能使用参量平均值；(1)式中的Naper为对应被观测目标亮度等级的参量，是在GEM＝1的条件下光斑阵列上每一个微透镜子孔径内所有像素上的亮度信号之和相对子孔径数的平均值N、再相对所采集的所有光斑阵列的N求平均值得出Naper，简称N为子孔径亮度、Naper为子孔径亮度平均值。令ka为当前帧平均光斑最大亮度Ia的常量系数，哈特曼波前探测器当前帧的增益为Ga，km为 的常量系数，对应 条件的哈特曼波前探测器调整后的增益Gms须满足下式：
[0011]
[0012] 由(2)式可以看出：事先测得哈特曼波前探测器的技术特征参数ka、km和理想最高亮度值 即可以由当前帧探测数据Ia和Ga计算得到所需调整的增益值Gms，施加这一新的增益，即可完成一次增益控制。
[0013] 为测量哈特曼波前探测器的技术特征参数ka、km常量系数和理想最高亮度值做哈特曼波前探测器输出亮度信号I与EMCCD增益关系的检测，搭建如图2所示的检测光学系统。检测光学系统由电源1、光纤
光源2、小孔光阑3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、哈特曼波前探测器7、湍流屏8、计算机9组成。光路中各元件的作用为：电源1为可编程信号发生器，用以给光纤光源2供电，控制其亮度变化，模拟运动目标在被观测中信号亮度I的变化；小孔光阑3的直径为100μm，使通过小孔光阑3的光成为点光源，该点光源位于第一透镜4的前焦点上，使通过第一透镜4的光束为平行光束；第二透镜5与第三透镜6共焦点，使通过第一透镜4的平行光束缩束为与哈特曼波前探测器7口径匹配的平行光束而全部进入哈特曼波前探测器7，湍流屏8定量模拟产生一定强度的大气湍流，
模拟信号采集过程中大气湍流对信号亮度I的扰动；计算机9中装有控制哈特曼波前探测器7的控制
软件，且与哈特曼波前探测器7相连，实时读取、处理哈特曼波前探测器7的亮度信号I，进行增益的调整。
[0014] 哈特曼波前探测器7的技术特征参数ka、km常量系数和理想最高亮度值 的测量步骤如下：
[0015] 1)遮光条件下测量哈特曼波前探测器7的暗背底，测量500帧，计算平均每帧像素上的亮度值分布并记录为背底图像。之后获得的每帧探测信号都需扣除背底图像。
[0016] 2)使得光纤光源2出射刚刚超过哈特曼波前探测器7检出限的暗弱光且保持恒定，增益GEM＝1，采集200帧～500帧光斑阵列图像，将每帧探测信号都扣除背底图像后计算每一帧平均光斑最大亮度Ia、最高亮度值Im和子孔径亮度N，按照探测帧数排序绘制Im和Ia的变化曲线如图3所示，看出Im的变化起伏程度高于Ia，而Ia相对稳定，通过Ia判断当前帧光斑阵列的亮度更为合适；再统计平均连续200帧～500帧的平均光斑最大亮度记为 最高亮度均值 和子孔径亮度平均值Naper。
[0017] 3)保持增益GEM＝1，设置光纤光源2的亮度逐渐增加，每改变一次亮度后，重复一遍2)中步骤，并记录所得到的系列 和子孔径亮度平均值Naper；绘制所设置增益GEM下的分别随子孔径亮度平均值Naper的变化曲线。
[0018] 4)设置光纤光源2的亮度为步骤3)中所使用的最低亮度，然后设置不同的增益GEM，每改变一次GEM后，重复一遍3)中步骤，得到 和 两组线性关系如图4；图4(a)为不同增益GEM下的一组 直线，用每一直线斜率除以相应增益GEM得出多个ka的特例值，此处为6个，然后对6个特例值求平均得出较准确的ka；图4(b)为不同增益GEM下的一组直线，同样用每一直线斜率除以相应增益GEM得出多个km的特例值，此处也为6个，然后对6个特例值求平均得出较准确的km。
[0019] 5)接下来确定哈特曼波前探测器7的理想最高亮度值
[0020] 由哈特曼波前探测器7的技术手册查出其背部的EMCCD的饱和亮度值IL；再由上一步骤测量 直线关系时获得的最大增益GEM下的 和200帧～500帧最高亮度值Im，这些Im已接近并小于哈特曼波前探测器的饱和亮度值IL，利用这200～500个最高亮度值Im和最高亮度均值 计算出Im相对最高亮度均值 的均方差值σm，再令 等于3.0σm～3.2σm，即可以获得哈特曼波前探测器7的理想最高亮度值
[0021] 将上述步骤求得的 km、ka以及监测量Ia和相应的Ga代入(2)式即可求出当前应给哈特曼波前探测器7施加的增益Gms。
[0022] 进一步设置增益控制的其它条件：哈特曼波前探测器7背部的EMCCD每一次增益改变需要延迟时间数十毫秒，记为Δt，限定平均光斑最大亮度Ia的检测时间间隔T∈[Δt,Δt+10ms]的范围；另外监测量即平均光斑最大亮度Ia自身存在起伏，按照图3所示的Ia曲线，统计对应 条件的Ia曲线起伏范围，记为ΔIa，故设置增益调整控制判断条件为：当前帧的平均光斑最大亮度Ia和上一帧的平均光斑最大亮度Ia*之差满足|Ia-Ia*|≥3ΔIa，当该条件成立时，需对当前增益Ga进行调整，否则无需对增益Ga进行调整；设置初始增益G0＝10。
[0023] 综上所述，哈特曼波前探测器7的增益自适应控制程序的思路为：
[0024] 常量参数： ΔIa、σm、Δt、km、ka、ΔGa；
[0025] G0＝10；
[0026] 循环：每隔Δt检测Ia；
[0027] 判断是否|Ia-Ia*|≥3ΔIa；
[0028] 是，则依据(2)式计算Gms，将当前增益值Ga调整为Gms；否，则保持Ga；
[0030] 图1是哈特曼波前探测器输出的一幅典型光斑阵列图像，微透镜会聚光斑于离散的相机像素上。
[0031] 图2是测量哈特曼波前探测器的亮度线性方程常量系数的检测光学系统，由电源1、光纤光源2、小孔光阑3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、哈特曼波前探测器7、湍流屏
8、计算机9组成。其中电源1为可编程信号发生器，用以给光纤光源2供电，控制其亮度变化；
小孔光阑3的直径为100μm，使通过小孔光阑3的光成为点光源，该点光源位于第一透镜4的前焦点上，使通过第一透镜4的光束为平行光束；第二透镜5与第三透镜6共焦点，使通过第一透镜4的平行光束缩束为与哈特曼波前探测器7口径匹配的平行光束而全部进入哈特曼波前探测器7，湍流屏8定量模拟产生一定强度的大气湍流；计算机9中装有控制哈特曼波前探测器7的控制软件，且与哈特曼波前探测器7相连，实时读取、处理哈特曼波前探测器7的探测信号强度I，进行增益的调整。
[0032] 图3是光纤光源2的亮度恒定、哈特曼波前探测器7在一固定增益GEM下探测信号强度I的
波动曲线。其中曲线11和12分别为每帧中平均光斑最大亮度Ia与最高亮度值Im的波动曲线，13为最高亮度均值 14为Im相对 的均方差值σ。
[0033] 图4是哈特曼波前探测器7在不同增益设置下、光纤光源2的亮度逐渐增加探测信号强度I与子孔径亮度平均值Naper的线性关系，图中每一条线的斜率为亮度线性方程系数k与设置增益GEM的乘积。其中(a)是统计平均的平均光斑最大亮度 与子孔径亮度平均值Naper的线性关系，直线21、22、23、24、25、26分别对应增益GEM＝100、200、300、400、500、600，由(a)组直线的平均斜率能够求出ka；(b)是最高亮度均值 与子孔径亮度平均值Naper的线性关系，直线31、32、33、34、35、36分别对应增益GEM＝100、200、300、400、500、600，由(b)组直线的平均斜率能够求出km。
[0034] 图5是模拟探测信号强度以正弦形迅速变化时通过自适应增益控制后的稳定信号强度的效果。其中(a)是GEM＝1时正弦形迅速变化的探测信号强度I，曲线41为波动幅值约40ADU、峰值只有70ADU的平均光斑最大亮度Ia的曲线，曲线42为波动幅值约70ADU、峰值只有120ADU的最高亮度值Im的曲线；(b)是自适应增益控制后
正弦波动几乎祛除的稳定信号强度I的效果，曲线51为增益控制后强度升高至约6000ADU的平均光斑最大亮度Ia的曲线，曲线52为增益控制后强度升高至约11500ADU的最高亮度值Im的曲线。
[0035] 图6是在正弦形
光信号输出条件下设置不同固定增益GEM＝1、100、200和采用自适应增益控制的哈特曼波前探测器7中对应一个正弦周期的信噪比变化曲线，其中曲线61为增益GEM＝1时的信噪比SNR曲线，曲线64为采用自适应增益控制的信噪比SNR曲线，垂直线62为增益GEM＝100条件下哈特曼波前探测器7由于过饱和采集信号的截止线，所采集到的部分信号信噪比SNR曲线与曲线64重合，垂直线63为增益GEM＝200条件下哈特曼波前探测器7由于过饱和采集信号的截止线，所采集到的部分信号信噪比SNR曲线也与曲线64重合。
具体实施方式
[0036] 模拟被观测目标的光强度发生大幅度的迅速变化，采用本发明方法对哈特曼波前探测器增益进行自适应控制，提高弱信号时的探测信噪比。实施步骤及效果如下：
[0037] 1)搭建如图2所示的模拟光路系统，由电源1、光纤光源2、小孔光阑3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、哈特曼波前探测器7、湍流屏8、计算机9组成。
[0038] 电源1为可编程信号发生器，用以给光纤光源2供电，控制其亮度变化；小孔光阑3的直径为100μm，使通过小孔光阑3的光成为点光源，该点光源位于第一透镜4的前焦点上，使通过第一透镜4的光束为平行光束；第二透镜5与第三透镜6共焦点，使通过第一透镜4的平行光束缩束为与哈特曼波前探测器7口径匹配的平行光束而全部进入哈特曼波前探测器7，湍流屏8模拟大气湍流对哈特曼波前探测器7中光斑亮度分布影响；计算机9中安装控制哈特曼波前探测器7的控制软件及自适应增益控制程序，且与哈特曼波前探测器7相连，实时读取、处理哈特曼波前探测器7的信号强度I并进行自适应增益控制。
[0039] 光路系统中各元件的技术参数为：
[0040] 电源1，美国海洋光学公司，型号HL-2000-HP-232R，最大输出功率20W；
[0041] 光纤光源2，大恒新纪元科技公司，型号为GCI-020107；
[0042] 小孔光阑3，大恒新纪元科技公司，型号为GCO-01100；
[0043] 第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6的焦距分别为200mm、200mm、100mm；
[0044] 哈特曼波前探测器7中的微透镜阵列由20×20个呈正方形排列的微透镜组成，其背部的EMCCD是英国e2v Technologies公司的产品，型号为CCD220，其饱和亮度值IL＝214ADU≈16300ADU，在超过8％的像素上出现亮度过饱和时增益自动重置为1，增益改变需要延迟时间Δt＝50ms，具有120×120个像素、像素尺寸为48μm，每一个微透镜对应6×6像素的
子窗口；微透镜孔径d＝288μm，焦距f＝19.35mm，光斑的爱里斑直径为2.44λf/d＝90μm，其中
波长λ＝550nm；
[0045] 湍流屏8是美国Lexitek.Inc.公司的产品，型号为Near-Index-MatchTM phase plate，自带控制盒，能够控制产生符合要求的大气湍流，此处设置湍流强度对应大气相干长度10cm、望远镜接收口径2m、格林伍德
频率为50Hz。
[0046] 2)遮光条件下测量哈特曼波前探测器7的暗背底，测量500帧，计算平均每帧像素上的亮度值分布并记录为背底图像，存入计算机9中，之后获得的每帧探测信号都需扣除此背底图像。
[0047] 3)设置电源1输出较低的恒定
电流，使得光纤光源2出射刚刚超过哈特曼波前探测器7检出限的暗弱光，设置哈特曼波前探测器7的增益GEM＝1，保持光纤光源2的亮度恒定，采集500帧哈特曼波前探测器7实时探测的光斑阵列图像，存入计算机9中，每帧探测信号都扣除背底图像，计算每一帧平均光斑最大亮度Ia、最高亮度值Im和子孔径亮度N；再统计连续500帧的平均光斑最大亮度记为 最高亮度均值 和子孔径亮度平均值Naper。
[0048] 4)保持增益GEM＝1，设置光纤光源2的亮度逐渐增加，每改变一次亮度后，重复一遍3)中步骤，并记录所得到的系列 和子孔径亮度平均值Naper；绘制增益GEM＝1条件下的分别随子孔径亮度平均值Naper的变化曲线。
[0049] 5)设置不同的增益GEM＝100、200、300、400、500、600，每改变一次GEM后，重复一遍4)中步骤；绘制图4(a)所示的 一组直线；绘制图4(b)所示的 第二组直线；利
用增益GEM＝600条件下获得的500帧光斑阵列的平均光斑最大亮度Ia、最高亮度值Im和最高亮度均值 计算此条件下的Ia起伏范围ΔIa、Im相对 值的均方差值σm，得到ΔIa≈80ADU、σm≈1000ADU。
[0050] 6)利用图4(a)中的一组 直线，用每一直线斜率除以相应增益GEM得出增益GEM＝100、200、300、400、500、600下的6个ka的特例值，然后对6个特例值求平均得出较准确的ka＝0.384；利用图4(b)的一组 直线，同样用每一直线斜率除以相应增益GEM得出GEM＝100、200、300、400、500、600下的6个km的特例值，然后对6个特例值求平均得出较准确的km＝0.781。
[0051] 7)接下来确定哈特曼波前探测器7的理想最高亮度值
[0052] 依据哈特曼波前探测器7的技术手册，其背部的EMCCD的饱和亮度值IL＝16300ADU；再由5)步骤求得的σm≈1000ADU，令 即可以获得哈特曼波前探测
器7的理想最高亮度值
[0053] 将上述步骤求得的 km、ka以及监测量Ia和相应的Ga代入(2)式即可求出当前应给哈特曼波前探测器7施加的增益Gms。
[0054] 8)进一步设置增益控制的其它条件：哈特曼波前探测器7背部的EMCCD每一次增益改变需要延迟时间Δt＝50ms，限定平均光斑最大亮度Ia的检测时间间隔T＝55ms；由第5)步骤知ΔIa≈80ADU，故设置增益调整控制判断条件为：当前帧的平均光斑最大亮度Ia和上一帧的平均光斑最大亮度Ia*之差满足|Ia-Ia*|≥240ADU；设置初始增益G0＝10。
[0055] 9)将所求得的哈特曼波前探测器7的技术特征参数
[0056] km＝0.781、ka＝0.384、ΔIa≈80ADU、T＝50ms，
[0057] 代入哈特曼波前探测器7的增益自适应控制程序中，
[0058] 设置初始增益G0＝10；
[0059] 自适应循环：每隔T检测一次Ia；
[0060] 判断是否|Ia-Ia*|≥3ΔIa；
[0061] 是，则依据(2)式计算Gms，将当前增益值Ga调整为Gms；否，则保持Ga；
[0062] 进入下一个循环。
[0063] 10)设置电源1输出正弦形状变化电流，使光纤光源2输出的信号光强度发生大幅度的迅速变化，远超过实际被观测目标的光强变化范围与速度；设置固定增益GEM＝1，记录哈特曼波前探测器7实时探测的光斑阵列信号，计算每帧中平均光斑最大亮度Ia和最高亮度值Im，按帧序列排布的Ia和Im均呈现为正弦形状的曲线，周期与电源1输出的正弦电流周期一致，GEM＝1条件下的Ia和Im曲线如图5(a)所示，其中曲线41为波动幅值约40ADU、峰值只有70ADU的平均光斑最大亮度Ia的曲线，曲线42为波动幅值约70ADU、峰值只有120ADU的最高亮度值Im的曲线；设置GEM＝100、200，分别在每个增益条件下重复上述的Ia和Im的检测，但这两个条件下的最高亮度值Im均在正弦信号的强度上升过程中出现过饱和，增益自动重置为1，未完成完整曲线的测量。
[0064] 11)保持电源1输出正弦形状变化电流，记录哈特曼波前探测器7实时探测的光斑阵列信号，开启增益自适应控制程序，每隔Δt＝50ms计算一帧的平均光斑最大亮度Ia和最高亮度值Im，再由Ia计算出理想最高亮度值 对应的增益Gms，自适应控制增益，使最高亮度值Im和平均光斑最大亮度Ia曲线中的正弦波动几乎祛除，如图5(b)所示，其中曲线51为增益控制后平均强度升高至6000ADU的平均光斑最大亮度Ia的曲线，曲线52为增益控制后平均强度升高至11500ADU的最高亮度值Im的曲线。
[0065] 计算了在上述正弦形光信号输出条件下设置不同固定增益GEM＝1、100、200和采用自适应增益控制的哈特曼波前探测器7中的信噪比SNR，如图6所示，其中曲线61为增益GEM＝1时的信噪比SNR曲线，曲线64为采用自适应增益控制的信噪比SNR曲线，垂直线62为增益GEM＝100条件下哈特曼波前探测器7由于过饱和采集信号的截止线，所采集到的部分信号信噪比SNR曲线与曲线64重合，垂直线63为增益GEM＝200条件下哈特曼波前探测器7由于过饱和采集信号的截止线，所采集到的部分信号信噪比SNR曲线也与曲线64重合。图6的结果说明，对应光纤光源2的最低
输出信号Ia＝35ADU时，GEM＝1增益下的信噪比SNR只有12，而GEM达到
100时信噪比SNR达到上限22，GEM再增至200信噪比SNR仍为22；随着光纤光源2的输出信号增强，GEM＝1时的信噪比SNR最高增至22，而GEM为100和200固定增益的信号强度先后出现过饱和而使信噪比SNR曲线垂直落下与GEM＝1的SNR曲线重合，只有自适应增益控制的信噪比SNR升至30，可见自适应增益控制不仅使弱亮度目标的探测信噪比有效提高，使整个探测过程保持于信噪比的上限，同时避免了基于EMCCD的哈特曼波前探测器的信号过饱和。
