大视场巡天望远镜波前曲率传感方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及望远镜技术领域，特别是涉及一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法、装置、设备及介质。

背景技术

望远镜口径的增加不仅可以有效地提高对临近目标的分辨能力，同时还以平方规律提升望远镜的集光能力，可有效提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，最终实现对更加深远的宇宙的探索。因此，大口径大视场望远镜是未来验证宇宙学最新理论、增加时域天文等领域学术话语权的关键。

大口径大视场望远镜在近二十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，八米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。不论是在占领“太空高地”保障国土安全方面，还是在探测存在撞击威胁的小行星等天文学邻域，均存在较大的差距。为了进一步发挥大口径大视场望远镜的探测能力，通过主动光学对望远镜中的各个主要部件进行独立、实时的面形校正与姿态控制，不仅可以降低对光学加工、系统装配精度的要求，还可以有效地放宽对大型跟踪架刚度的要求，降低系统运动惯量。相对于高分辨成像望远镜，大口径大视场望远镜观测任务更加紧张，更长的观测时间会直接影响结果为所面临的外部观测环境更加的恶劣。

目前，一般利用相位差异技术求解大视场巡天望远镜系统的波前相位，该技术是基于波前经过存在差异的光学系统(如引入少量的离焦)后产生的变化，利用优化迭代的方法进行波前相位的求解。但是，对于大视场巡天系统而言，相位差异技术单一像差量程小于一个波长的特点，导致其无法有效地针对巡天望远镜像差较大的边缘视场；同时，天光背景与渐晕造成的光瞳非均匀照明，对相位恢复的精度也会造成影响。因此，相位差异技术在巡天主动光学望远镜波前传感系统的应用，目前还存在着诸多限制因素。

因此，如何精确地求解波前相位，以提高整个主动光学系统的校正效果，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法、装置、设备及介质，可以更精确地求解波前相位信息，降低校正时间，提高校正精度。其具体方案如下：

一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法，包括：

对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；

获取所述离焦星点图的边界，将所述离焦星点图分割成多个子孔径区域；所述子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；

在所述纯内部区域内，求解出所述纯内部区域对应的波前曲率；

在所述含边界的区域内，求解出所述含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；

将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得所述望远镜的波前相位信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，获取所述离焦星点图的边界，包括：

利用膨胀运算将所述离焦星点图的孔洞进行平滑；

利用腐蚀运算将所述离焦星点图的边缘进行还原；所述边缘对应的像素同时含有光瞳边界斜率信息以及光瞳内部曲率信息；

利用膨胀运算将所述离焦星点图的边界逐层取出。

优选地，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，所述子孔径区域是按照像素阵列排布的方向分割而成。

优选地，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，波前斜率的参数包括斜率方向和斜率大小；所述斜率方向垂直于波前曲率的方向。

优选地，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，所述主焦点组件包括科学终端；所述错位型曲率传感器设置在所述科学终端的内部。

本发明实施例还提供了一种大视场巡天望远镜波前曲率传感装置，包括：

曲率传感成像模块，用于对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；

子孔径分割模块，用于获取所述离焦星点图的边界，将所述离焦星点图分割成多个子孔径区域；所述子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；

纯内部区域计算模块，用于在所述纯内部区域内，求解出所述纯内部区域对应的波前曲率；

边界区域计算模块，用于在所述含边界的区域内，求解出所述含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；

信息整理分析模块，用于将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得所述望远镜的波前相位信息。

本发明实施例还提供了一种大视场巡天望远镜波前曲率传感设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法，包括：对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；获取离焦星点图的边界，将离焦星点图分割成多个子孔径区域；子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；在纯内部区域内，求解出各纯内部区域对应的波前曲率；在含边界的区域内，求解出含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得望远镜的波前相位信息。

本发明在系统完成粗对准后，通过曲率传感的方式得到离焦星点图，再通过分区域的方式获取不同的子孔径区域，分别对仅包含曲率的区域和同时包含曲率和斜率的区域进行求解，最后综合整理分析，可以使最终求解的波前传感的结果更精确，降低了整个主动光学系统的校正时间，提高了整个主动光学系统的校正精度，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。此外，本发明还针对大视场巡天望远镜波前曲率传感方法提供了相应的装置、设备及计算机可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实用性，该装置、设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的大视场巡天望远镜波前曲率传感方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的望远镜系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的子孔径区域的平面示意图；

图4为本发明实施例提供的子孔径区域的立体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的曲率传感的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的大视场巡天望远镜波前曲率传感装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；

需要说明的是，提升大视场巡天望远镜口径，可以有效地提高暗弱目标探测信噪比、实现对更加深远宇宙的探索；针对大视场巡天望远镜越来越大的口径，为了充分发挥望远镜的极限探测能力、保证光学成像质量，本发明通过波前传感系统实现主要光学元件的面形校正与姿态控制，可以克服大视场巡天望远镜光学系统自身特点(如成像质量对光学元件失调误差敏感)与望远镜结构刚度不足的耦合影响；

另外，如图2所示，以主焦点式的大口径大视场巡天望远镜为例，利用粗对准环节对大口径主焦点组件进行对准后，波前传感器实现成像，得到的离焦星点图与望远镜的主镜面是一一对应的。这里的波前传感器选用错位型曲率传感器，均位于主焦点组件对应的焦面两侧，主焦点组件包括科学终端，该错位型曲率传感器可以设置在科学终端的内部，即在终端中内置错位型曲率传感器，设光源照明强度为无饱和，主焦点组件进行离焦运动时，错位型传感器基于两侧离焦光强分布的差分，可以对波前曲率进行估计；

S102、获取离焦星点图的边界，将离焦星点图分割成多个子孔径区域；子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；

需要说明的是，曲率传感是通过离焦的星点像，对曲率进行估计，实现重建波前。它的边缘处跟波前的斜率相关，理论上可以裁掉边缘，但是在实际检测过程中，由于用像素取样，在边缘处就会产生曲率跟斜率都有的情况下，因此，为了使波前传感更加高精度，本发明将星点像分割成多个区域，对不同区域进行分类计算。如图3所示，虚线表示边界，虚线最下方的区域全部为纯内部区域，该纯内部区域仅包括曲率，虚线所在的区域全部为含边界的区域，该区域为曲率斜率混合的区域；如图4所示，圆环状正下方对应的像素为纯内部区域的像素(Pixel in Donut)，在圆环状的边缘线正下方对应的像素为含边界的区域的像素(Pixel on Boundary)，圆环状外边区域对应的像素为外部区域的像素(Pixel out ofDonut)，该外部区域与波前不产生任何的关系，可不做考虑；

S103、在纯内部区域内，求解出纯内部区域对应的波前曲率；

S104、在含边界的区域内，求解出含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；

可以理解的是，只将纯内部区域进行波前信息计算，方法较为简单，但如果单纯只进行曲率计算的话，它对一阶导数的这个边界条件是没有约束的，所以本发明为了进一步使波前传感更加高精度，同时考虑了要将斜率影响的区域的影响降到最低，在计算完纯内部区域的波前曲率后，还需同时兼顾含边界的区域，利用极大似然估计约束波前斜率的参数，这样得到的结果和实际光强分布会尽量地吻合；

S105、将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得望远镜的波前相位信息。

在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，在系统完成粗对准后，通过曲率传感的方式得到离焦星点图，再通过分区域的方式获取不同的子孔径区域，分别对仅包含曲率的区域和同时包含曲率和斜率的区域进行求解，最后综合整理分析，可以使最终求解的波前传感的结果更精确，降低了整个主动光学系统的校正时间，提高了整个主动光学系统的校正精度，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

需要说明的是，曲率传感器的基本原理为光瞳处波前局部的曲率变化，所对应的焦内像与焦外像的光强分布会发生对应的变化。

具体地，如图5所示，P

其中，ρ为微透镜阵列的光瞳内M(x,y)点的向量坐标，I(ρ)为M(x,y)的光强度，Φ(ρ)为M(x,y)点波前相位，

这里可以看出，曲率传感器得到的焦内像、焦外像的光强分布，与波前相位的二阶导数(即曲率)和一阶导数(即斜率)都有关系，主要区域还是和二阶导数(即曲率)有关。但是图像的边缘处和整个波前相位的一阶导数(即斜率)是息息相关的，为了解决这个一阶导数(即斜率)对这个内部区域的影像，所以本发明用分割区域的方式来进行计算。

对于自适应光学系统，一般离焦量(即离焦平面和焦平面的距离)仅为几个焦深，在离焦平面上形成的离焦星点像十分接近光瞳形状，由此可以认为：

其中，δ为光强变化曲率，r为光斑的半径；

故近场电磁波的传输方程通过近似可得：

其中，Δz为焦前离焦平面P

又因为在离焦平面上形成的离焦星点像十分接近光瞳形状，因此可认为：2I

设

对上式两端同时进行傅里叶变换，可得：

由此，对上式进行傅里叶变换逆运算，即可得：

其中，

根据离焦光强分布公式，可获得离焦平面上随各个成像位置点(x,y)的变化的离焦光强分布I(x,y)，离焦光强分布公式如下：

其中，I

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，在进行形态学分析前，需要针对离焦星点像一些探测器坏点、饱和点、以及散斑噪声造成的图形缺陷，因此，步骤S102获取离焦星点图的边界，具体可以包括：首先利用“膨胀”运算将离焦星点图的孔洞进行平滑；然后利用“腐蚀”运算将离焦星点图的真正的边缘进行还原；边缘对应的像素同时含有光瞳边界斜率信息以及光瞳内部曲率信息；最后利用“膨胀运算”将离焦星点图的边界逐层取出。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，如图3所示，子孔径区域可以按照像素阵列排布的方向分割而成。可以理解的是，错位型传感器是基于两侧离焦光强分布的差分，对波前曲率进行估计，在建立波前传感过程中可以对差分区域进行分割，其分割方法与像素阵列方向相同。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感方法中，波前斜率的参数包括斜率方向和斜率大小，也就是说，用一个向量对波前斜率进行描述，这样可以确定边界的法向在哪个方向；这里的斜率方向垂直于波前曲率的方向。

具体地，在每个子孔径之内，采用傅里叶变换方法进行求解。将子孔径分为两类，分别为：1、纯内部区域S

接下来，利用极大似然估计进行子孔径综合，首先在利用边界条件获得参数

设观测值y是一个随机变量，其概率密度p依赖于未知参数

设观测值y∈R

当Σ未知时，首先利用最小二乘估计得到

求

可得极大似然估计。

需要说明的是，本发明也可以利用最小二乘估计法来约束波前斜率的参数。但是，利用极大似然估计法，不论残差偏离正态分布是否为白噪声时，都可达到相同的渐进方差，因此，极大似然法的鲁棒性要远远好于最小二乘估计法。

在具体实施时，在执行步骤S105获得望远镜的波前相位信息之后，还可以包括：建立变换矩阵，将波前相位信息采用Zernike系数表达与执行元件驱动量之间的关系。具体地，首先获取主焦点组件相对主镜的偏离信息，然后以获得的波前相位信息(即各个视场所测得的低阶像差)为输入，以获取的主焦点组件相对主镜的偏离信息为输出，建立并训练神经网络，之后通过训练好的神经网络解算各个视场所测得的低阶像差，获得主焦点组件对应的偏离量。这样可以使神经网络输出与实际位置误差的二次方和最小。利用该神经网络可以得到改正镜组姿态误差，包括倾斜、平移、面内旋转。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种大视场巡天望远镜波前曲率传感装置，由于该装置解决问题的原理与前述一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法相似，因此该装置的实施可以参见大视场巡天望远镜波前曲率传感方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的大视场巡天望远镜波前曲率传感装置，如图6所示，包括：

曲率传感成像模块11，用于对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；

子孔径分割模块12，用于获取离焦星点图的边界，将离焦星点图分割成多个子孔径区域；子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；

纯内部区域计算模块13，用于在纯内部区域内，求解出各纯内部区域对应的波前曲率；

边界区域计算模块14，用于在含边界的区域内，求解出含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；

信息整理分析模块15，用于将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得望远镜的波前相位信息。

在本发明实施例提供的上述大视场巡天望远镜波前曲率传感装置中，可以通过上述五个模块的相互作用，可以使最终求解的波前传感的结果更精确，降低了整个主动光学系统的校正时间，提高了整个主动光学系统的校正精度，进而提高望远镜对深空领域的观测精度。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

相应的，本发明实施例还公开了一种大视场巡天望远镜波前曲率传感设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的大视场巡天望远镜波前曲率传感方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的大视场巡天望远镜波前曲率传感方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明实施例提供的一种大视场巡天望远镜波前曲率传感方法，包括：对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过位于焦面两侧的错位型曲率传感器成像，得到离焦星点图；获取离焦星点图的边界，将离焦星点图分割成多个子孔径区域；子孔径区域被分成未含边界的纯内部区域和含边界的区域；在纯内部区域内，求解出各纯内部区域对应的波前曲率；在含边界的区域内，求解出含边界的区域对应的波前曲率和波前斜率，并利用极大似然估计约束波前斜率的参数；将求解出的波前曲率和约束后的波前斜率进行综合整理分析，获得望远镜的波前相位信息。这样可以使最终的波前传感的结果求解的更精确，降低了整个主动光学系统的校正时间，提高了整个主动光学系统的校正精度，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。此外，本发明还针对大视场巡天望远镜波前曲率传感方法提供了相应的装置、设备及计算机可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实用性，该装置、设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的大视场巡天望远镜波前曲率传感方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。