一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，所述算法包括如下步骤：步骤一：建立包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型；步骤二：基于最大似然方法建立针对衍射光学成像系统的相位差异波前反演模型；步骤三：基于标量衍射理论推导离焦衍射位相表达式及离焦衍射效率表征模型；步骤四：针对衍射成像的空间移变特性，基于等晕区分块思想对焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像进行分块处理；步骤五：利用基于模拟退火的粒子群算法对相位差异波前反演模型进行全局最优化求解，输出不同视场对应波前信息。本发明专利技术可为未来超大口径薄膜衍射光学成像系统的空间应用提供支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法
本专利技术属于光学遥感成像领域，涉及一种衍射光学成像系统波前反演算法，具体涉及一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法。
技术介绍
薄膜衍射光学成像系统具有超大口径、加工周期短、成本低、轻量化等特点，已成为未来高轨卫星空间载荷的重要发展方向。但受限于衍射成像机制，与传统的折反射式系统相比，薄膜衍射光学成像系统存在多种像差，波前畸变大，导致图像质量退化严重。波前畸变的高精度反演对于系统优化设计与性能评估、图像质量提升等应用任务具有科学研究意义和工程应用价值。由于目前薄膜衍射受制于薄膜透过率和衍射效率的限制，基于薄膜衍射材料的卫星主镜能量利用率低、信噪比低，因此基于分光光路的波前传感方法难以适用。夏克-哈特曼波前传感器等波前探测技术不仅需要硬件支持，还需要对波前进行分光进而造成较大的光能损失，这将造成在轨波前反演方法的复杂程度和成本大大提高。而相位差异法是一种基于在轨图像的波前反演方法，该方法仅需要利用一组焦面图像和离焦图像便可实现波前信息反演，能量利用率高、设备简单、成本低廉，更适用于薄膜衍射光学成像系统波前反演。然而，传统的相位差异法存在以下不足：(1)仅适用于PSF空间近似不变的折反射式系统，无法应用于PSF空间移变特性复杂的薄膜衍射光学成像系统；(2)未将衍射效率引入成像特性表征模型，因此无法全面表征衍射效率等特性对成像质量的影响。综上分析，有必要从衍射光学成像系统成像机理、系统特性出发，开展适用于衍射光学成像系统的波前反演算法研究。
技术实现思路
本专利技术针对现有波前反演方法无法全面适用于衍射光学成像系统以及受制于硬件等问题，提供了一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法。该算法将传统相位差异波前反演算法的适用范围由原有的折反射式系统扩展到了衍射式系统，可为未来超大口径薄膜衍射光学成像系统的空间应用提供支持。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，包括如下步骤：步骤一：基于衍射光学成像系统的成像特性，建立包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型，所述衍射光学成像特性表征模型的数学表达形式为：G(ωx,ωy)＝[ηintH(ωx,ωy)+(1-ηint)δ(x,y)]F(ωx,ωy)+N；式中，G、F、N分别是退化图像、原始图像、随机噪声的频谱；H为衍射光学成像系统在轨传递函数；ηint为成像衍射效率；(wx,wy)为成像视场角；步骤二：结合步骤一的衍射光学成像特性表征模型，基于最大似然方法建立针对衍射光学成像系统的相位差异波前反演模型，所述相位差异波前反演模型的数学表达形式为：式中，I为焦面图像对应强度分布，Id为离焦图像对应强度分布，OTFfocus为焦面图像对应的光学传递函数，OTFdefocus为离焦图像对应光学传递函数；步骤三：基于标量衍射理论推导离焦衍射位相表达式及离焦衍射效率表征模型，其中：所述离焦衍射位相表达式为：式中，F#＝f/D，f为焦距；D为光瞳直径；λ为光学系统成像波长；εNorm,ηNorm代表光瞳面的归一化坐标；d为离焦距离；所述离焦衍射效率数学表达式为：式中，φa＝m-φ，其中m为衍射级次，φ为相位延迟；d为离焦距离；f为焦距。步骤四：结合步骤一中的衍射成像的空间移变特性，基于等晕区分块思想对焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像进行分块处理，具体步骤如下：基于将每个小块视为等晕区的前提下，首先确定焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像中不同方向及视场的分块中心位置，然后均匀选择焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像上不同方向，随后根据算法解算精度要求及衍射系统空间移变适应性需求确定分块尺寸，最后设计分块间重叠间隔，根据不同系统不同需求调整分块策略；步骤五：结合步骤三中的离焦衍射位相及衍射效率表达式和步骤四中的分块结果，利用基于模拟退火的粒子群算法对步骤二中的相位差异波前反演模型进行全局最优化求解，输出不同视场对应波前信息，具体步骤如下：首先利用粒子群算法初始化每个粒子参数，包括位置和速度，然后评价每个粒子适应值，判断全局最优值是否到达停止或达到指定最大迭代次数，若满足则进入模拟退火算法，首先设置初始温度，然后在粒子群解算结果的邻域内随机选择新解，并对解算结果进行更新，若解算结果满足要求或者到达最低温度，退出循环，输出解算结果。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术在衍射光学系统成像表征模型的基础上，通过将衍射效率引入传统的相位差异法模型，并结合衍射系统透过率函数表达式，基于标量衍射理论推导了衍射光学成像系统离焦面离焦相位及衍射效率表征模型，从而提出了基于改进相位差异法的衍射光学成像系统波前反演方法。该方法所得波前信息能够反映卫星在轨成像全链路的像质退化特性，为薄膜衍射光学成像系统设计与性能评估提供支撑。2、本专利技术结合等晕区分块思想提升相位差异法的空间移变适应性，并利用基于模拟退火的粒子群算法对相位差异法目标函数进行了全局最优化求解，实现了针对不同成像视场、方向上衍射光学成像系统波像差系数的精确反演。相对于传统方法，该算法能够更加准确地获得衍射光学成像系统的波前信息，不仅能够提高相位差异法对PSF空间移变的适应性，还能为图像质量提升算法提供更精确的输入。3、本专利技术通过卫星在轨成像过程中的一幅焦面图像和一幅离焦图像获取衍射光学成像系统的波前信息，不需要额外的硬件设备即可实现衍射光学成像系统在轨波前的高精度测量反演，可大幅降低卫星系统在轨应用的复杂度与成本，为超大口径、超轻型、低成本、快速制造薄膜衍射光学成像系统的实际空间应用与未来发展提供技术支撑。4、本专利技术算法所得波前信息不仅能够反映卫星在轨成像全链路的像质退化特性，为薄膜衍射光学成像系统设计与性能评估提供支撑，而且可为在轨图像质量提升算法提供更准确的输入，从而提高薄膜衍射光学成像系统空间应用的可行性。附图说明图1为本专利技术基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法流程图；图2为相位差异法流程图；图3为衍射光学成像系统透过率函数；图4为衍射效率随离焦量的变化曲线；图5为分块策略示意图；图6为基于模拟退火法的粒子群算法流程图；图7为焦面图像；图8为离焦图像；图9为中心视场反演波前；图10为0.1度视场反演波前。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，所述算法从衍射光学系统的成像特性出发，建立了包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型，在此基础上建立了针对衍射光学成像系统的相位差异波前反演模型，同时基于标量衍射理论推导了离焦衍射位相表达式及离焦衍射效率表征模型，并结合等晕区分块思想提升了相位差异法的空间移变适应性，最后利用基于模拟退火的粒子群算法对目标函数进行了全局最优化求解。如图1所示，具体实施步骤如下：步骤一：基于衍射光学成像系统的成像特性，建立包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型。具体步骤如下：对于衍射光学成像系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，其特征在于所述算法包括如下步骤：步骤一：基于衍射光学成像系统的成像特性，建立包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型；步骤二：结合步骤一的衍射光学成像特性表征模型，基于最大似然方法建立针对衍射光学成像系统的相位差异波前反演模型；步骤三：基于标量衍射理论推导离焦衍射位相表达式及离焦衍射效率表征模型；步骤四：结合步骤一中的衍射成像的空间移变特性，基于等晕区分块思想对焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像进行分块处理；步骤五：结合步骤三中的离焦衍射位相及衍射效率表达式和步骤四中的分块结果，利用基于模拟退火的粒子群算法对步骤二中的相位差异波前反演模型进行全局最优化求解，输出不同视场对应波前信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，其特征在于所述算法包括如下步骤：步骤一：基于衍射光学成像系统的成像特性，建立包含衍射光学成像系统衍射效率和空间移变特性的衍射光学成像特性表征模型；步骤二：结合步骤一的衍射光学成像特性表征模型，基于最大似然方法建立针对衍射光学成像系统的相位差异波前反演模型；步骤三：基于标量衍射理论推导离焦衍射位相表达式及离焦衍射效率表征模型；步骤四：结合步骤一中的衍射成像的空间移变特性，基于等晕区分块思想对焦面空变退化图像和离焦面空变退化图像进行分块处理；步骤五：结合步骤三中的离焦衍射位相及衍射效率表达式和步骤四中的分块结果，利用基于模拟退火的粒子群算法对步骤二中的相位差异波前反演模型进行全局最优化求解，输出不同视场对应波前信息。2.根据权利要求1所述的基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，其特征在于所述衍射光学成像特性表征模型的数学表达形式为：G(ωx,ωy)＝[ηintH(ωx,ωy)+(1-ηint)δ(x,y)]F(ωx,ωy)+N；式中，G、F、N分别是退化图像、原始图像、随机噪声的频谱；H为衍射光学成像系统在轨传递函数；ηint为成像衍射效率；(wx,wy)为成像视场角。3.根据权利要求1所述的基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，其特征在于所述相位差异波前反演模型的数学表达形式为：式中，I为焦面图像对应强度分布，Id为离焦图像对应强度分布，OTFfocus为焦面图像对应的光学传递函数，OTFdefocus为离焦图像对应光学传递函数。4.根据权利要求3所述的基于相位差异法的衍射光学成像系统波前反演算法，其特征在于所述OTFf...

【专利技术属性】
技术研发人员：智喜洋，于頔，巩晋南，王达伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23