一种用于天文目标成像的系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术能够得到大视场天文目标的清晰成像。

【技术实现步骤摘要】
一种用于天文目标成像的系统
本专利技术属于天文目标成像
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题是：本专利技术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。本专利技术的技术方案一是：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)。本专利技术的技术方案二是：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：(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，λmean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：(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Iunfocus＝{I1unfocus,I2unfocus,…Ipunfocus}，在焦相机(6)采集的图像序列为Ifocus＝{I1focus,I2focus,…Ipfocus}。对于Iunfocus序列中的其中一幅离焦图像Ikunfocus(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(aj,bj)共有N个，像素点的灰度值为Kj,1≤j≤N：(公式四)计算独立点目标对应的图像均匀度指数(公式五)第五步，筛选出幸运图像区域。针对独立点目标Ai(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Ifocus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：(公式六)则该图像区域为独立点目标Ai(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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；在第一相机(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；第二相机(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：利用第二相机(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第一相机(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文静，张煊喆，刘泽金，曹毓，宁禹，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43