CN105278093A - 一种用于天文目标成像的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天文目标成像系统。技术方案包括望远镜物镜，宽谱偏振分光棱镜，中央控制装置，数字微反射器件式空间光调制器，第一相机，第二相机，第一中继镜，第二中继镜，第三中继镜，第四中继镜，宽谱段1/4波片。第一中继镜位于望远镜物镜与宽谱偏振分光棱镜之间；第二中继镜位于宽谱偏振分光棱镜与第二相机之间；第三中继镜位于宽谱偏振分光棱镜与数字微反射器件式空间光调制器之间；第四中继镜位于宽谱偏振分光棱镜与第一相机之间。宽谱段1/4波片位于宽谱偏振分光棱镜与第三中继镜之间。第一中继镜、第二中继镜、第三中继镜、第四中继镜分别正对宽谱偏振分光棱镜的四个可用的表面摆放。本发明能够得到大视场天文目标的清晰成像。

Description

一种用于天文目标成像的系统

技术领域

本发明属于天文目标成像技术领域，涉及一种天文目标清晰成像方法与系统，进一步是涉及一种通过评价点目标的离焦图像质量来实现天文目标清晰成像的方法和系统。

背景技术

目前用于天文目标成像的方法主要有三种，分别是自适应光学方法、图像退卷积方法和幸运成像方法。自适应光学方法成本高昂且只能在小视场范围内起作用。图像退卷积方法较为耗时且对成像质量的改善也较有限。幸运成像的方法通过对目标的长时间拍摄，从图像序列中筛选出成像优良者予以叠加从而获得天文目标的清晰成像,该方法实现简单、成本低廉，已被广泛采用。

为筛选出像质优良的图像,幸运成像方法需要相应的图像质量评价手段，常见的有斯特列尔比法和灰度梯度评价法，斯特列尔比法通过计算图像中点目标的能量集中度来评价成像质量。然而图像质量的优劣是与大气湍流的强度相关的，点目标的能量集中度这一指标无法精确描述大气湍流的强度，因此用于评价图像质量时不恰当。灰度梯度评价法通过计算图像中目标轮廓对比度来评价成像质量，该方法应用于扩展的天文目标时，因为图像中包含很多个等晕区，每个等晕区的成像质量独立变化，会导致整幅清晰图像出现的概率很低，从而使选取的图像存在局部区域模糊严重的问题。

大气湍流的机理复杂，会使目标发出的光场受到随机干扰。传统的成像手段通过目标扰动光场进行相互叠加获得成像结果，该过程没有利用大气扰动信息，从图像中无法重建出真实的光场分布。因此在不利用导星辅助成像的情况下，直接从目标图像中难以判断其成像是否受到大气干扰，或者干扰的程度是多少。

发明内容

发明要解决的技术问题是：本发明基于一种新的天文目标成像系统，提供一种新的天文目标成像方法，该方法通过评价一个或多个独立点目标的离焦图像的均匀度来实现幸运图像区域的选取，将不同幸运图像区域拼接得到大视场天文目标的清晰成像。

本发明的技术方案一是：

一种天文目标成像系统，包括望远镜物镜(1)，宽谱偏振分光棱镜(2)，中央控制装置(3)，数字微反射器件(DigitalMicroDevice，DMD)式空间光调制器(4)，第一相机(5)，第二相机(6)，第一中继镜(7)，第二中继镜(8)，第三中继镜(9)，第四中继镜(10)，宽谱段1/4波片(11)，其特征在于：第一中继镜(7)位于望远镜物镜(1)与宽谱偏振分光棱镜(2)之间，其焦平面所在位置

与望远镜物镜(1)焦平面所在位置重合；第二中继镜(8)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第二相机(6)之间，其焦平面所在位置与第二相机(6)的感光面所在位置重合；第三中继镜(9)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与数字微反射器件式空间光调制器(4)之间，其焦平面所在位置与数字微反射器件式空间光调制器(4)感光面所在位置重合；第四中继镜(10)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第一相机(5)之间，其焦平面所在位置与第一相机(5)的感光面所在位置错开一定距离，该距离称为离焦量，焦平面在第一相机(5)感光面的前方和后方均可。宽谱段1/4波片(11)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第三中继镜(9)之间。第一中继镜(7)、第二中继镜(8)、第三中继镜(9)、第四中继镜(10)分别正对宽谱偏振分光棱镜(2)的四个可用的表面摆放，四个中继镜的主轴均垂直于宽谱偏振分光棱镜(2)的相应正方形表面且通过正方形表面的中点。中央控制装置(3)分别与第一相机(5)、第二相机(6)以及数字微反射器件式空间光调制器(4)电连接。

为了表述更为直观，下文将第一相机(5)称为离焦相机(5)，第二相机(6)称为在焦相机(6)。

本发明的技术方案二是：

一种天文目标成像方法，利用技术方案一提供的天文目标成像系统，具体包括下述步骤：

第一步，设置成像坐标系：

在数字微反射器件式空间光调制器(4)的感光面上建立UOV坐标系，其中UOV坐标系原点O位于感光面的中心，U轴和V轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘。在离焦相机(5)的感光面上建立XO₁Y坐标系，其中XO₁Y坐标系原点O₁位于感光面的中心，X轴和Y轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘。在焦相机(6)的感光面上建立X₁O₂Y₁坐标系，其中X₁O₂Y₁坐标系原点O₂位于感光面的中心，X₁轴和Y₁轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘。

第二步，选择出适合用于离焦光场评价的独立点目标。

利用在焦相机(6)进行连续的图像采集获得天文目标图像，若某幅天文目标图像中至少存在两个点目标通过下面的三次筛选，则停止图像采集：

第一次筛选：选择亮度足够强的点目标。亮度足够强的点目标是指该点目标在离焦相机(5)所采集的对应图像中像素平均灰度值大于设定的阈值，根据实际情况设置阈值，通常设置阈值为10。假设满足该筛选条件的点目标个数为e(e≥2)。

第二次筛选：在已筛选出的e个点目标中，假设其中某一个点目标与其最临近的点目标之间的距离为d，若d满足公式一，则通过第二次筛选：

$d>24.4\frac{{\mathrm{\λ}}_{mean}\×F}{D}$ (公式一)

公式一中F为望远镜物镜(1)的焦距，D为望远镜物镜(1)口径，λ_mean为观测目标的光谱辐射平均波长。

假设经过第二次筛选后点目标个数为f(1≤f≤e)。

第三次筛选：在已筛选出的f个点目标中，某个点目标与其最临近的点目标之间的距离为d₁，若d₁满足公式二，则通过第三次筛选：

$d_1>\frac{\left|Z\right|\×D}{F}$ (公式二)

公式二中的Z为离焦量。

设通过以上三次筛选后剩余的点目标为独立点目标，个数为M(1≤M≤f)。

第三步，控制空间光调制器特定区域实现入射光反射。

调整数字微反射器件式空间光调制器(4)的微小反射镜的倾斜角度，使不包括独立点目标的区域对应的光线经数字微反射器件式空间光调制器(4)的反射后发生偏转而损失掉。只有独立目标点发出的光线直接平面反射，反射光由于两次经过了宽谱1/4波片，因此偏振态发生了90度偏转，随后该光线在经过宽谱偏振分光棱镜(2)时传播方向产生90°的折转，最终进入离焦相机(5)用于成像。

经过上述步骤，天文目标成像系统的状态调整完成，利用调整好的天文目标成像系统进行下面的多幅图像采集和筛选。

第四步，计算各个独立点目标对应的离焦图像均匀度指数。

令离焦相机(5)和在焦相机(6)同步工作，假设分别采集了p幅图像，离焦相机(5)采集的图像序列为I_unfocus＝{I¹ _unfocus,I² _unfocus,…I^p _unfocus}，在焦相机(6)采集的图像序列为I_focus＝{I¹ _focus,I² _focus,…I^p _focus}。

对于I_unfocus序列中的其中一幅离焦图像I^k _unfocus(1≦k≦p)，设该图像中第i个独立点目标在离焦相机(5)感光面上对应配准点的坐标为(xⁱ,yⁱ)，独立点目标对应于XO₁Y坐标系中的满足公式四的像素点(a_j,b_j)共有N个，像素点的灰度值为K_j,1≤j≤N：

${(a_j-x^i(1+\frac{Z}{F}\left)\right)}^2+{(b_j-y^i(1+\frac{Z}{F}\left)\right)}^2\≤\frac{\left|Z\right|\×D}{2F}$ (公式四)

计算独立点目标对应的图像均匀度指数

$I_i^k=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left|K_j-\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{K}_j}{N}\right|$ (公式五)

第五步，筛选出幸运图像区域。

针对独立点目标A_i(1≤i≤M)，共有P个图像均匀度指数假设该序列中值最小的元素所对应的序号为q(1≦q≦P)。对I_focus序列中第q帧在焦图像，假设在焦图像上任意一块图像区域内的像素点(x₁,y₁)若满足公式六：

${(x_1-x_1^i)}^2+{(y_1-y_1^i)}^2\≤C$

$24.4\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{mean}\&times;F}{D}<C<\frac{min\left(\right(H/2-\left|x_1\right|),(W/2-\left|y_1\right|\left)\right)}{2}$ (公式六)

则该图像区域为独立点目标A_i(1≤i≤M)对应的幸运图像区域。公式六中H和W分别为离焦相机传感器的物理高度和宽度，C是人为设置的幸运图像选择半径。对其它独立点目标对应的图像实施相同操作，可同样得到相应的幸运图像区域。

第六步，对筛选出的所有图像区域实施拼接。

建立一幅和在焦相机(6)所获得的图像相同尺寸的初始图像，初始图像中每个像元的灰度值为零，然后分如下两种情况处理：

情况一，若两个不同的独立点目标对应的幸运图像区域之间无重叠，则上述幸运图像区域内容的复制到初始图像的对应位置。

情况二，若两个不同的独立点目标对应的幸运图像区域之间存在重叠，则使用基于互信息的图像拼接方法将两个幸运图像区域拼接在一起，并复制到初始图像的对应位置。

经过上述处理后得到的初始图像即为成像结果。

本发明的有益效果是：使用一种全新的独立点目标光场评价方法取代传统的图像灰度评价法，同时结合硬件上的多个独立点目标光场的同时获取，达到对天文扩展目标多区域清晰成像的目的。本发明不但显著提高了获得幸运图像的概率，而且使得获取的目标图像清晰度更高。

附图说明

图1为本发明提供的天文目标成像系统原理示意图；

图2为具体实施流程图；

图3为实验中两个不同时刻获取的点目标离焦图像；

图4为图3对应的两个时刻点目标的在焦图像。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

图1中，焦距相同的中继镜7、8、9、10的焦比应大于望远镜物镜1的焦比。宽谱偏振分光棱镜2的光波段可根据目标辐射特性(如可见光波段或红外波段)选择。宽谱偏振分光棱镜2的尺寸应满足由中继透镜1出射的光线全部能射入，中继镜7、8、9、10应该尽可能的靠近宽谱偏振分光棱镜2安装，以降低成像的渐晕效应。图中在焦相机6和离焦相机5向中央控制装置3发送图像数据。中央控制装置3分别通过控制信号线向在焦相机6和离焦相机5发送图像采集控制信号；中央控制装置3通过控制信号线向数字微反射器件式空间光调制器4发送控制信号，控制空间光调制器4特定区域的偏振态。离焦相机5感光面的离焦量的设置依据如下：设大气湍流相干长度(即Freid常数)为γ₀，则离焦量Z应满足如下公式：

$5\&times;\frac{F^2\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_{mean}}{{\mathrm{\&gamma;}}_0^2}<\left|Z\right|<2\&times;\frac{F\&times;min(H,W)}{D}$ (公式七)

公式七中Z可以为正数或负数，正数表明相机向远离望远镜物镜1的方向离焦，负数表明相机向靠近望远镜物镜1的方向离焦。本发明涉及的望远镜物镜1以折射式望远镜物镜为最佳。本发明涉及的相机采用工业相机。本发明涉及的中央控制装置3采用通用计算机或专用的控制器(如采用DSP或FPGA实现)均可。

对本发明技术方案二的某些步骤进行详细解释。

第二步，选择出适合用于离焦光场评价的独立点目标。本步骤中，在焦相机6单独的连续工作，采集多帧图像，直到图像中出现适合用于离焦光场评价的独立点目标时才停止采集图像。选择出的独立点目标数量视大气湍流强度和具体的天文目标特性决定。本步骤的第二条件中“最临近的目标”指的可以是点目标也可以是扩展目标。

第三步，控制空间光调制器特定区域实现入射光反射。在实施本步骤的过程中，在焦相机6和离焦相机5是通常不工作的，它们并不需要采集图像。数字微反射器件式空间光调制器4的特定区域一旦选定且实现了偏振态偏置，则在焦相机6和离焦相机5开始工作，进行图像采集。

第七步，对筛选出的所有图像区域实施拼接。本步骤采用的基于互信息的图像拼接方法是公知方法和手段，方法的具体流程和相关详细介绍参见文献(周虎，杨建国，李蓓智.基于互信息测度的平面图像拼接及其测量技术，东华大学学报自然科学版，2011年第6期)。

为了证明本发明方法的可行性，我们开展了仿真实验。仿真实验中，天文目标成像系统的望远镜物镜1的口径为80mm，焦距为480mm，使用的中继透镜7、8、9、10的直径为25.4mm，焦距为50mm，离焦相机5和在焦相机6选择了Thorlabs公司的黑白工业相机，二者通过硬件连接实现了同步触发工作的功能。仿真实验中使用一台研华公司生产的工控计算机作为中央控制装置3。为了方便而清楚地证明实验结果，利用系统对距离约700m的一个点目标成像，图3的左图和右图是仿真实验中由离焦相机5在两个不同时刻采集到的该点目标的离焦图像。从图中对比可发现：在不同的时刻，由于大气湍流的程度不同，点目标的离焦图像均匀度也不一样。图4为图3所获得图像对应时刻条件下由在焦相机6采集到的目标在焦图像，(左图对左图，右图对右图)图中可见，当离焦图像均匀度较好时，对应的在焦图像的成像质量明显较好，上述实验说明离焦图像的均匀度反映出图像受湍流影响的程度，离焦图像中均匀度指数最高的图像对应着受湍流影响最小的在焦图像，从而说明利用离焦图像的均匀度指标可以判断大气湍流对成像的影响程度，并可根据该判断标准筛选出成像质量最好的在焦图像。因此本实验为本发明的方法可行性提供支撑。

Claims (2)

1.一种天文目标成像系统，包括望远镜物镜(1)、宽谱偏振分光棱镜(2)、中央控制装置(3)、数字微反射器件式空间光调制器(4)、第一相机(5)、第二相机(6)、第一中继镜(7)、第二中继镜(8)、第三中继镜(9)、第四中继镜(10)、宽谱段1/4波片(11)，其特征在于：第一中继镜(7)位于望远镜物镜(1)与宽谱偏振分光棱镜(2)之间，其焦平面所在位置与望远镜物镜(1)焦平面所在位置重合；第二中继镜(8)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第二相机(6)之间，其焦平面所在位置与第二相机(6)的感光面所在位置重合；第三中继镜(9)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与数字微反射器件式空间光调制器(4)之间，其焦平面所在位置与数字微反射器件式空间光调制器(4)感光面所在位置重合；第四中继镜(10)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第一相机(5)之间，其焦平面所在位置与第一相机(5)的感光面所在位置错开一定距离，该距离称为离焦量；宽谱段1/4波片(11)位于宽谱偏振分光棱镜(2)与第三中继镜(9)之间；第一中继镜(7)、第二中继镜(8)、第三中继镜(9)、第四中继镜(10)分别正对宽谱偏振分光棱镜(2)的四个可用的表面摆放，四个中继镜的主轴均垂直于宽谱偏振分光棱镜(2)的相应正方形表面且通过正方形表面的中点；中央控制装置(3)分别与第一相机(5)、第二相机(6)以及数字微反射器件式空间光调制器(4)电连接。

2.一种天文目标成像方法，利用权利要求1提供的天文目标成像系统，具体包括下述步骤：

第一步，设置成像坐标系：

在数字微反射器件式空间光调制器(4)的感光面上建立UOV坐标系，其中UOV坐标系原点O位于感光面的中心，U轴和V轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘；在离焦相机(5)的感光面上建立XO₁Y坐标系，其中XO₁Y坐标系原点O₁位于感光面的中心，X轴和Y轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘；在焦相机(6)的感光面上建立X₁O₂Y₁坐标系，其中X₁O₂Y₁坐标系原点O₂位于感光面的中心，X₁轴和Y₁轴分别平行于感光面的水平边缘和垂直边缘；

第二步，选择出适合用于离焦光场评价的独立点目标：

利用在焦相机(6)进行连续的图像采集获得天文目标图像，若某幅天文目标图像中至少存在两个点目标通过下面的三次筛选，则停止图像采集：

第一次筛选：选择亮度足够强的点目标；亮度足够强的点目标是指该点目标在离焦相机(5)所采集的对应图像中像素平均灰度值大于设定的阈值，根据实际情况设置阈值；假设满足该筛选条件的点目标个数为e，e≥2；

第二次筛选：在已筛选出的e个点目标中，假设其中某一个点目标与其最临近的点目标之间的距离为d，若d满足公式一，则通过第二次筛选：

$d>24.4\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{mean}\&times;F}{D}$ (公式一)

公式一中F为望远镜物镜(1)的焦距，D为望远镜物镜(1)口径，λ_mean为观测目标的光谱辐射平均波长；

假设经过第二次筛选后点目标个数为f，1≤f≤e；

第三次筛选：在已筛选出的f个点目标中，某个点目标与其最临近的点目标之间的距离为d₁，若d₁满足公式二，则通过第三次筛选：

$d_1>\frac{\left|Z\right|\&times;D}{F}$ (公式二)

公式二中的Z为离焦量；

设通过以上三次筛选后剩余的点目标为独立点目标，个数为M，1≤M≤f；

第三步，控制空间光调制器特定区域实现入射光反射：

调整数字微反射器件式空间光调制器(4)的微小反射镜的倾斜角度，使不包括独立点目标的区域对应的光线经数字微反射器件式空间光调制器(4)的反射后发生偏转而损失掉；只有独立目标点发出的光线直接平面反射；

利用调整好的天文目标成像系统进行下面的多幅图像采集和筛选；

第四步，计算各个独立点目标对应的离焦图像均匀度指数；

令离焦相机(5)和在焦相机(6)同步工作，假设分别采集了p幅图像，离焦相机(5)采集的图像序列为I_unfocus＝{I¹ _unfocus,I² _unfocus,…I^p _unfocus}，在焦相机(6)采集的图像序列为I_focus＝{I¹ _focus,I² _focus,…I^p _focus}；

对于I_unfocus序列中的其中一幅离焦图像I^k _unfocus，1≦k≦p，设该图像中第i个独立点目标在离焦相机(5)感光面上对应配准点的坐标为(xⁱ,yⁱ)，1≤i≤M；独立点目标对应于XO₁Y坐标系中的满足公式四的像素点(a_j,b_j)共有N个，像素点的灰度值为K_j,1≤j≤N：

${(a_j-x^i(1+\frac{Z}{F}\left)\right)}^2+{(b_j-y^i(1+\frac{Z}{F}\left)\right)}^2\&le;\frac{\left|Z\right|\&times;D}{2F}$ (公式四)

计算独立点目标对应的图像均匀度指数

$I_i^k=\underset{j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|K_j-\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{K}_j}{N}|$ (公式五)

第五步，筛选出幸运图像区域；

针对独立点目标A_i，共有P个图像均匀度指数 …假设该序列中值最小的元素所对应的序号为q，1≦q≦P；对I_focus序列中第q帧在焦图像，假设在焦图像上任意一块图像区域内的像素点(x₁,y₁)若满足公式六：

${(x_1-x_1^i)}^2+{(y_1-y_1^i)}^2\&le;C$

$24.4\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{mean}\&times;F}{D}<C<\frac{min\left(\right(H/2-\left|x_1\right|),(W/2-|y_1\left|\right))}{2}$ (公式六)

则该图像区域为独立点目标A_i对应的幸运图像区域；公式六中H和W分别为离焦相机传感器的物理高度和宽度，C是人为设置的幸运图像选择半径；对其它独立点目标对应的图像实施相同操作，可同样得到相应的幸运图像区域；

第六步，对筛选出的所有图像区域实施拼接；

建立一幅和在焦相机(6)所获得的图像相同尺寸的初始图像，初始图像中每个像元的灰度值为零，然后分如下两种情况处理：

情况一，若两个不同的独立点目标对应的幸运图像区域之间无重叠，则上述幸运图像区域内容的复制到初始图像的对应位置；

情况二，若两个不同的独立点目标对应的幸运图像区域之间存在重叠，则使用基于互信息的图像拼接方法将两个幸运图像区域拼接在一起，并复制到初始图像的对应位置；

经过上述处理后得到的初始图像即为成像结果。