一种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

望远镜口径的增加可有效地提高对临近目标的分辨能力，同时以平方规律提升望远镜的集光能力，提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，以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几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。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。

曲率传感器由Roddier在1988年所提出，其基本原理为通过焦前与焦后像的光强分布估计波前曲率变化，并解算波前信息。因具有结构简单、解算稳定、孔径遮拦影响小等优点，基于波前曲率的波前传感技术已经成为自适应光学重要的前端基础，因此，可基于曲率传感求解大视场巡天望远镜系统的波前相位。曲率传感作为焦面波前传感策略，其另一个优势在于可对拓展目标进行检测，以增强系统的成像特性。但是，为获得更大的动态范围以及误差的灵敏度，现有的曲率传感多选择离焦量较大的形式，在此情况下会导致一些距离较近的星体的离焦星点像发生重叠，该现象将导致可用于波前传感的导星数量迅速下降，进而影响闭环曲率传感的校正能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种巡天望远镜波前曲率传感方法、装置、设备及介质，可以提高曲率传感的校正能力，更精确地求解波前信息。其具体方案如下：

一种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，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；

当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；

以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；

根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图，具体包括：

对两个离焦星点像的非重叠区域的光强分布进行统计学分析；

通过插值预测法获取两个离焦星点像的重叠区域的光强分布信息；

利用统计学分析结果、获取的所述光强分布信息以及本地数据库中的光强分布数据进行迭代分析，仿真出两个离焦星点像的光强分布图。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，具体包括：

从仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图中得到所述双自然导星的光强差距；

若所述双自然导星的光强差距大于等于两个视星等时，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像；其中，选择的离焦星点像的光强强度高于舍去的离焦星点像的光强强度；

若所述双自然导星的光强差距小于两个视星等时，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，具体包括：

当两个离焦星点像的非重叠区域大于等于重叠区域时，各取两个离焦星点像且位于非重叠区域内的一半星点像；

将各取出的一半星点像整合成一个完整离焦星点像。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，具体还包括：

当两个离焦星点像的非重叠区域小于重叠区域时，将两个离焦星点像的光通量调为一致，并分离出两个离焦星点像的重叠部分与非重叠部分；

将分离出的两个离焦星点像的重叠部分与非重叠部分整合成为一个完整的离焦星点像。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息，具体包括：

将选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布为输入，以泽尼克多项式系数为输出，训练神经网络；

通过训练好的所述神经网络，得到望远镜的波前信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，在传感器成像之后，在仿真得到两个离焦星点像的光强分布图之前，还包括：

利用膨胀运算将离焦星点像的孔洞进行平滑；

利用腐蚀运算将离焦星点像的边缘进行还原。

本发明实施例还提供了一种巡天望远镜波前曲率传感装置，包括：

成像模块，用于对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；

仿真模块，用于当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；

处理模块，用于以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；

计算模块，用于根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。

本发明实施例还提供了一种电子设备，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，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。

通过本发明提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法可以提高曲率传感的校正能力，使最终获得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，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曲率传感的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于深度学习的曲率传感原理示意图。

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，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；

需要说明的是，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；利用两块错位摆放的探测器；

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，波前传感器可实现成像。考虑到大口径大视场巡天望远镜光学系统紧凑、多谱段观测以及焦面空间紧凑的等特点，这里的波前传感器选用错位型曲率传感器，即利用两块错位摆放的传感器，通过分割视场同时获得临近视场内目标的焦前焦后像成为了最为可行的选择。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、当得到的双自然导星(即两个自然导星)对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；

S103、以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；

S104、根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。

在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，包括：首先对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；然后以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；最后根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。通过该方法可以提高曲率传感的校正能力，使最终获得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，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2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，▽为梯度算子，▽Φ(ρ)为波前斜率，▽

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：

δ(|ρ|-r)·▽Φ(r)→0；

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：

FFT(S)＝FFT[▽

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，在步骤S101传感器成像之后，在步骤S102仿真得到两个离焦星点像的光强分布图之前，还可以包括：利用“膨胀”运算将离焦星点像的孔洞进行平滑；利用“腐蚀”运算将离焦星点像的真正边缘进行还原。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，步骤S102仿真得到两个离焦星点像的光强分布图，具体可以包括：首先对两个离焦星点像的非重叠区域的光强分布进行统计学分析；在此需要说明的是，双自然导星离焦星点像之间最大的差别在于其亮度不同，本发明可利用非重叠区域进行亮度的统计学分析；然后通过插值预测法获取两个离焦星点像的重叠区域的光强分布信息；再利用统计学分析结果、获取的光强分布信息以及本地数据库中的光强分布数据进行迭代分析(不一致的地方可反复进行迭代)，就可以仿真出两个离焦星点像的光强分布图。在实际应用中，可利用两个星点像相互补迭代的基本思想，以重叠区域作为基准，通过迭代分析获得系统在该角度下的系统波前误差。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，步骤S103以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，具体可以包括：从仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图中得到双自然导星的光强差距；若双自然导星的光强差距大于等于两个视星等时，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像；其中，选择的离焦星点像的光强强度高于舍去的离焦星点像的光强强度，也就是说，选择光强强度高的离焦星点像，而较弱的离焦星点像可作为读出误差进行考虑；若双自然导星的光强差距小于两个视星等时，即当两个离焦星点像的亮度十分接近时，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，步骤S103中将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，如图3所示，具体可以包括：当两个离焦星点像的非重叠区域大于等于重叠区域时，即重合部分较少的情况下，各取两个离焦星点像且位于非重叠区域内的一半星点像，也就是说将两个离焦星点像有重叠区域的中间部分舍弃掉；将各取出的一半星点像整合成一个完整离焦星点像。

另外，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感方法中，步骤S103中将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像，如图3所示，具体还可以包括：当两个离焦星点像的非重叠区域小于重叠区域时，即重合部分较多的情况下，可采用对称的思想将对称部位相加求和，利用数值计算的方法，将两个离焦星点像的光通量调为一致，并分离出两个离焦星点像的重叠部分与非重叠部分；将分离出的两个离焦星点像的重叠部分与非重叠部分整合成为一个完整的离焦星点像。

在实际应用中，针对获得的离焦星点像可利用神经网络进行波前传感，由于大口径巡天望远镜的数值口径还未达到光刻机等仪器的水平，因此，在此利用标量衍射理论获得离焦星点像的光强分布，通过控制离焦量获得不同离焦水平的星点像。在此，可以生成多组(如2000组)焦前-焦后的离焦星点像组合，对其波前误差加入5％的随机误差，以此模拟不同视场间的像差差异。在具体实施时，步骤S104根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息，具体可以包括：首先将选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布为输入，以泽尼克多项式系数为输出，训练神经网络；然后通过训练好的神经网络，得到望远镜的波前信息。

在具体实施时，在执行步骤S104获得望远镜的波前信息之后，还可以包括：利用另一神经网络CNN，将波前相位信息(即各个视场所测得的低阶像差)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。

需要注意的是，由于望远镜进行巡天的过程中，需要切换不同的滤光片，然后形成伪彩色的图片，所有这种不同的滤光片会产生不一样的成像效果，如图4所示，在进行检测时，可以把这种变量作为因素考虑进去。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种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巡天望远镜波前曲率传感装置，具体可以包括：

成像模块，用于对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；

仿真模块，用于当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；

处理模块，用于以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；

计算模块，用于根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。

在本发明实施例提供的上述巡天望远镜波前曲率传感装置中，可以通过上述四个模块的相互作用，可以提高曲率传感的校正能力，使最终获得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，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

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电子设备，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，通过分别位于焦面两侧的两块错位的传感器成像；当得到的双自然导星对应的两个离焦星点像发生重叠时，仿真得到两个离焦星点像的光强分布图；以仿真得到的两个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，选择其中一个离焦星点像并舍去另一个离焦星点像，或，将两个离焦星点像转换为一个完整离焦星点像；根据选择的离焦星点像或转换得到的完整离焦星点像的光强分布，获得望远镜的波前信息。通过上述方法可以提高曲率传感的校正能力，使最终获得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，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。