用于相關哈特曼-夏克波前傳感器的在軌零位標定方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學測量技術(shù)領域，尤其涉及一種用于相關哈特曼-夏克波前傳感器 的在軌零位標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于點目標的哈特曼-夏克波前傳感器已經(jīng)在天文自適應光學等領域得到了廣泛 應用。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，光能利用率高，適于實時波前探測等優(yōu)點。但在有些應用 場合，被觀測目標不是點目標而是擴展目標，例如觀測太陽的天文望遠鏡，對地面景物進行 觀測的空間光學遙感器等，這時需要采用基于擴展目標的哈特曼夏克波前傳感器測量波前 誤差。
[0003] 無論擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器還是點目標哈特曼-夏克波前傳感器，由于 各子透鏡光軸位置不理想等原因，都需要用參考波前對其進行零位標定。對于點目標哈特 曼-夏克波前傳感器，求取波前畸變引起的光斑偏移，需要知道在入射光波沒有畸變時每個 光斑的準確位置。類似地，對于擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器，求取波前畸變引起的子 圖像間的相對平移，需要知道在沒有波前畸變時子圖像間的相對位置差，該相對位置差需 要引入?yún)⒖计矫娌ㄟM行測定。
[0004] -般獲取參考平面波的方法是在光軸上放置一個被照明的針孔(微米級），由針孔 發(fā)出光可以近似為理想的球面波，球面波被透鏡準直后即為參考平面波。對于擴展目標哈 特曼夏克波前傳感器，在完成零位標定后需要將針孔移出光路并在原針孔位置處放入視場 光闌，視場光闌的中心也同樣位于光軸上，即需要進行針孔和視場光闌之間的切換。切換機 構(gòu)一般采用精密的步進電機實現(xiàn)針孔和視場光闌的準確定位。但切換機構(gòu)的引入會增加系 統(tǒng)的成本和復雜性，降低系統(tǒng)的可靠性?？臻g光學遙感器對系統(tǒng)的體積、重量和功耗都有嚴 格限制，對可靠性也要求極高，因此不能采用傳統(tǒng)基于切換機構(gòu)的標定方法。
[0005] 圖1為現(xiàn)有的切換裝置，方形的視場光闌可以限制子孔徑圖像的大小，針孔用于標 定擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器的零位。該切換裝置一般通過精密的步進電機實現(xiàn)針 孔或視場光闌的準確定位。標定時將針孔置于光軸上，針孔發(fā)出的光被準直后形成參考平 面波作為標定光束，標定光束在探測器上形成的圖像即參考波前圖像(光斑陣列）。在進行 波前傳感時將針孔切換為方形視場光闌，光闌中心位于光軸上，對擴展目標進行觀測時在 探測器上形成被測波前圖像。由于被測波前圖像中心與參考波前圖像光斑質(zhì)心之間的位置 偏移量直接反映了子孔徑內(nèi)波前斜率的大小，由此可以重構(gòu)出全孔徑內(nèi)波前誤差分布。
[0006] 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情 況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影 響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電 機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控 制變的非常的簡單。利用步進電機實現(xiàn)針孔和視場光闌的切換在地面實驗裝置中是可行 的，但步進電機包含有運動部件，在空間遙感器上使用時對衛(wèi)星平臺的穩(wěn)定有不利影響，可 靠性也不滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于相關哈特曼-夏克波前傳感器的在軌零位標定 方法，省去了傳統(tǒng)零位標定過程中使用的切換機構(gòu)，避免了切換過程可能引入的定位誤差。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0009] -種用于相關哈特曼-夏克波前傳感器的在軌零位標定方法，所述傳感器沿光軸 方向依次包括視場光闌、中繼透鏡、陣列透鏡以及成像探測器，其中的視場光闌位于基板的 幾何中心，光軸通過視場光闌的中心;視場光闌附近的基板上設置有兩個相對所述幾何中 心對稱分布的針孔;兩個所述針孔上均設置有發(fā)光二極管，所述標定方法具體包括如下步 驟：
[0010]步驟1、打開其中一個發(fā)光二極管，照明所在的針孔，發(fā)光二極管（的光被針孔衍射 產(chǎn)生理想球面波，該球面波經(jīng)過中繼透鏡后變?yōu)槠矫娌?，平面波?jīng)過陣列透鏡在成像探測 器上成陣列光斑圖像;記錄并計算陣列光斑圖像中的每一個像元光斑此時的質(zhì)心位置；
[0011] 步驟2、打開另一個發(fā)光二極管，照明所在的針孔，在成像探測器上成陣列光斑圖 像后，記錄并計算每一個像元光斑此時的質(zhì)心位置；
[0012] 步驟3、針對成像探測器上的任意像元光斑，根據(jù)步驟1得到的質(zhì)心位置P1和步驟2 得到的質(zhì)心位置P2,得到參考位置Ρ0:Ρ0=(Ρ1+Ρ2)/2;以此類推，得到所有像元光斑的參考 位置后，采用各像元光斑參考位置對各自的零位進行標定。
[0013] 所述針孔與視場光闌的中心越近越好。
[0014] 較佳的，像元光斑的質(zhì)心位置(x，y)的計算方法為：
[0016]式中，i和j分別表示子圖像的行和列標號，表示像元(i，j)的灰度。
[0017]較佳的，所述發(fā)光二極管(4)采用LED貼片。
[0018]本發(fā)明具有如下有益效果：
[0019] 本發(fā)明采用兩個位于光軸外的針孔分別獲得光斑質(zhì)心偏差后，再獲得相當于軸上 針孔的零位偏差，使用該零位偏差進行標定，該方法簡單易行，還省去了傳統(tǒng)零位標定過程 中使用的切換機構(gòu)，避免了切換過程可能引入的定位誤差，具有簡單可靠的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有的擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器的零位標的切換裝置；
[0021] 圖2為擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器原理圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明的復合視場光闌的結(jié)構(gòu)示意圖的立體圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明的復合視場光闌的結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視圖。
[0024]其中，卜基板，2-視場光闌，3-針孔，4-發(fā)光二極管。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0026] 本發(fā)明提供一種用于擴展目標哈特曼-夏克波前傳感器的零位標定方法。本發(fā)明 改進后的擴展目標哈特曼-