一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法

1.本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种哈特曼波前传感器同时测量两个信标光束波前的复原方法，尤其涉及一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法。


背景技术：

2.哈特曼波前传感器作为一种简洁、高效的光束波前相位测量器件，已被广泛地应用于光学检测、激光光束净化、激光通信、天文观测等领域。经典的哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列与光电探测器构成。近年来，面对不断拓展的应用领域和应用场景，哈特曼波前传感器的探测对象已不再局限于传统的单点源目标的波前畸变。为实现波前探测机制的突破，针对多信标、多目标的宽视场多视线波前信息重构已经成为波前传感领域的研究热点。
3.2010年，annecostille等人发表了关于mcao系统闭环层析控制的文章。文中采用了7
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7孔径分割的宽视场hs波前传感器同时探测3颗导星和1个观测目标，描述了多目标光束共衍射阵列成像的方案[annecostilleetal.,widefieldadaptiveopticslaboratory demonstrationwithclosed-looptomographiccontrol,j.opt.sci.am.a27(3):469-483,2010]。文中的波前重构策略将子孔径图像按不同视线进行区域再分割，根据先验条件从多光斑图像中分割成三个小区域的单光斑图像，然后采用经典质心算法和波前重构算法获取波前信息。2015年，lebaoyang等人介绍了一种用于视网膜宽视场观测的多目标hs波前传感器[lebao yangetal.,multiple-objectshack
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hartmannwavefrontsensordesignforawidefieldofviewon theretina,chineseopt.lett.13(12):120801-1-5,2015]，也采用了多视线光束同时进入单个波前传感器成像的方案。该方法限定子孔径内多个子光斑落在不同的固定区域，以多光斑排列规整为波前重构前提，波前重构算法依据限定条件对子孔径作子区域分割处理，继而用传统算法复原波前。从上述两种方案原理可以看出，现有的多视线波前重构方法依赖人为设置的限定条件和光斑落点位置的先验信息，算法上不能实现自主的多光斑质心定位，在工程实现与应用中存在严重限制。因此，有必要发展具有真正适应多视线波前探测场景的多光斑质心自动定位方法。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术方案的需要人为干预或先验信息的缺陷，且不采用复杂的图像匹配方法，以双视线光斑阵列图像重心落于两者正中心为小概率事件的前提假设，在保证光斑质心计算效率的前提下，采用简单的质心计算方法，提供一种新颖的基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，根据双视线哈特曼波前传感器光斑图像本身的特征信息，按照简单的迭代式、变波门质心计算流程，即可实现对子孔径内两个视线对应的子光斑的质心位置计算，即实现对双视线光斑的快速、准确、自动定位计算。
[0005]
本发明的技术解决方案是：
[0006]
一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，应用于通过哈特曼波前传感器采
集得到的子孔径光斑图像，该方法采用变波门、迭代式的质心运算实现对双视线光斑质心的定位，且包括以下步骤：
[0007]
步骤1：提取当前子孔径光斑图像，所述子孔径光斑图像中具有双视线光束的子光斑图像；采用质心计算公式，计算当前子孔径光斑图像中的数据重心位置，即双视线子光斑图像的整体质心；
[0008]
步骤2：以双视线子光斑图像的整体质心为中心，从子光斑图像中截取新的图像区域进行质心计算得到新的质心数据，所述新的图像区域的宽度小于所述子光斑图像；
[0009]
步骤3：以新的质心为中心，进一步缩小质心计算图像区域宽度，截取更小的区域进行质心计算，更新质心位置数据；
[0010]
步骤4：重复步骤3，直至缩小的质心计算图像区域宽度等于事先设定的第一视线最小框选宽度，则计算最小框选宽度下的质心位置数据，作为当前子孔径光斑图像中的第一视线子光斑图像的质心数据；
[0011]
步骤5：将子孔径光斑图像中当前最小框选宽度内的图像数据置零处理，即在子孔径光斑图像中去除第一视线子光斑图像信息；
[0012]
步骤6：计算去除第一视线子光斑图像信息后的新的质心位置，并以该质心位置为中心不断缩小质心计算图像区域宽度，迭代进行质心计算，更新质心数据；
[0013]
步骤7：当步骤6中的质心计算图像区域宽度等于事先设定的第二视线最小框选宽度时，输出当前质心数据作为当前子孔径光斑图像中的第二视线子光斑图像的质心数据；
[0014]
步骤8：更换当前子孔径光斑图像，执行步骤1～7所述的质心计算流程，直到遍历完哈特曼波前传感器采集到的每一个有效的子孔径光斑图像，即可得到每一个子孔径光斑图像的双视线光斑质心信息，从而得到双视线光斑阵列中每一个视线对应的光斑阵列质心数据。
[0015]
进一步的，所述子孔径光斑图像为经过噪声、干扰信号去除预处理的光斑图像数据。
[0016]
进一步的，所述质心计算公式采用计算图像数据重心的方法，包括重心算法或加权式重心算法。
[0017]
进一步的，所述步骤4中的事先设定的第一视线最小框选宽度大于第一视线单个子光斑像素宽度，即不小于设计微透镜聚焦艾里光斑的全宽尺寸。
[0018]
进一步的，所述步骤7中的事先设定的第二视线最小框选宽度大于第二视线单个子光斑像素宽度，即不小于设计微透镜聚焦艾里光斑的全宽尺寸。
[0019]
本发明打破了常规方法中需要预先确定双视线光斑分别在子孔径内图像的成像区域和方位，也不采用复杂的图像匹配算法，无需改动硬件，采用变波门的质心计算方法即可完成对双视线光斑的定位，具有实现简单、通用性强的特点，为哈特曼波前传感器实现对双视线光束波前探测提供了一种有效的质心定位算法，可直接应用于各类宽视场双视线哈特曼波前传感器中。
[0020]
本发明与现有技术相比有如下优点：有别于现有双视线质心计算方法常用的相关算法或者划分区域方法，采用简单的质心计算方式即可实现对两组子光斑的分别定位，具有明显的速度、效率优势，可为符合先验条件下的双视线哈特曼波前传感器的波前重构提供一种高效的双视线光斑质心计算技术路线，对现提升宽视场双视线哈特曼波前传感器的
波前测量效率具有明显的应用价值。
附图说明
[0021]
图1为本发明的方法实现原理流程图；
[0022]
图2为本发明实施例中宽视场双视线哈特曼波前传感器探测示意图；
[0023]
图3为本发明实施例中双视线哈特曼波前传感器光斑阵列图像；
[0024]
图4为及本发明方法对双视线光斑阵列图像的质心定位结果。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026]
图1为本发明所述基于重心偏移的双视线光斑重心计算方法原理流程图。图2为本发明实施例一中典型的宽视场哈特曼波前传感器探测双视线光束波前的工作原理图。如图2所示，第一视线入射传感器的信标光源1和第二视线入射传感器的信标光源2的出射光束分别经过大气3传输后一部分进入哈特曼波前传感器视场，且分别形成第一视线光束4和第二视线光束5，双视线光束经过微透镜阵列6之后同时聚焦形成两组光斑阵列聚焦像，光电探测器7感光面位于微透镜阵列6的焦面上采集两组不同视线的光斑阵列图像。微透镜阵列6的有效微透镜阵列数为16
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16，入射光束光瞳形状为标准圆形，每个子孔径图像大小为32
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32像素。
[0027]
图3为典型的双视线光束入射下光电探测器7采集到的光斑阵列图像。从图中可以看出，在圆形有光区域内的每一个微透镜都形成了两个光点，分别对应了入射的两个视线光束。图中每个方形框对应着一个波前复原有效子孔径。以图中第一行最左边的第一个有效子孔径命为第1号有效子孔径，采取从左到右、从上到下的顺序依次编号每一个有效子孔径，至最下面一行最右的第188个有效子孔径，一共188个有效子孔径。下面通过以下步骤依次为计算每个子孔径内的双视线光斑质心。
[0028]
步骤1：提取第1号有效子孔径光斑图像，图像大小为32
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32像素，采用图像阈值算法去除子孔径图像中的噪声与干扰信号，对经过阈值处理的子孔径图像采用质心计算公式，计算第1号有效子孔径对应双视线子光斑图像数据的重心位置，即双视线子光斑图像的整体质心。
[0029]
步骤2：以步骤1中得到的双视线子光斑图像的整体质心为中心，从子光斑图像中截取新的图像质心计算区域，截取图像的大小为30
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30，计算截取子光斑图像的新的质心数据。
[0030]
步骤3：以新的图像质心数据为中心，缩小质心计算图像区域宽度，图像区域宽度每次缩小2个像素，等效半宽以1个像素递减，截取更小的区域进行质心计算，并更新质心位置数据。
[0031]
步骤4：重复步骤3，直至缩小的质心计算图像区域宽度等于事先设定的最小框选宽度，实施例一中事先设定最小的子光斑图像宽度为6个像素，即迭代停止的最小质心计算图像区域为6
×
6像素，此时获取的质心标记为第1号子孔径的第一视线子光斑的质心数据。
[0032]
步骤5：将子孔径光斑图像中当前最小框选宽度内6
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6像素的图像数据置零处理，在子孔径光斑图像中去除第一视线子光斑图像信息。
[0033]
步骤6：计算去除第一视线子光斑图像信息的新的32
×
32像素子孔径光斑图像质心，并以当前图像质心为中心不断缩小质心计算图像区域宽度进行质心计算，更新质心数据，实施例一设定的图像区域宽度缩小步长为2个像素。
[0034]
步骤7：当步骤6中的质心计算图像区域宽度等于事先设定的最小框选宽度时，输出当前质心数据作为第1号子孔径的第二视线子光斑的质心数据。
[0035]
步骤8：对哈特曼波前传感器第2～188号子孔径图像执行步骤1～7的质心计算流程，即可得到每一个有效子孔径的双视线光斑质心信息，从而得到双视线光斑阵列中每一个视线对应的光斑阵列质心数据。
[0036]
典型的质心定位结果如图4所示。图中每个子孔径内都准确地定位了两个光斑，两个光斑的质心位置分别以圆圈和十字叉标记表示。所有有效子孔径内圆形标记质心数据构成第一视线光斑阵列质心信息，所有有效子孔径内十字叉标记质心数据构成第二视线光斑阵列质心信息。
[0037]
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

技术特征：
1.一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，应用于通过哈特曼波前传感器采集得到的子孔径光斑图像，其特征在于，该方法采用变波门、迭代式的质心运算实现对双视线光斑质心的定位，且包括以下步骤：步骤1：提取当前子孔径光斑图像，所述子孔径光斑图像中具有双视线光束的子光斑图像；采用质心计算公式，计算当前子孔径光斑图像中的数据重心位置，即双视线子光斑图像的整体质心；步骤2：以双视线子光斑图像的整体质心为中心，从子光斑图像中截取新的图像区域进行质心计算得到新的质心数据，所述新的图像区域的宽度小于所述子光斑图像；步骤3：以新的质心为中心，进一步缩小质心计算图像区域宽度，截取更小的区域进行质心计算，更新质心位置数据；步骤4：重复步骤3，直至缩小的质心计算图像区域宽度等于事先设定的第一视线最小框选宽度，则计算最小框选宽度下的质心位置数据，作为当前子孔径光斑图像中的第一视线子光斑图像的质心数据；步骤5：将子孔径光斑图像中当前最小框选宽度内的图像数据置零处理，即在子孔径光斑图像中去除第一视线子光斑图像信息；步骤6：计算去除第一视线子光斑图像信息后的新的质心位置，并以该质心位置为中心不断缩小质心计算图像区域宽度，迭代进行质心计算，更新质心数据；步骤7：当步骤6中的质心计算图像区域宽度等于事先设定的第二视线最小框选宽度时，输出当前质心数据作为当前子孔径光斑图像中的第二视线子光斑图像的质心数据；步骤8：更换当前子孔径光斑图像，执行步骤1～7所述的质心计算流程，直到遍历完哈特曼波前传感器采集到的每一个有效的子孔径光斑图像，即可得到每一个子孔径光斑图像的双视线光斑质心信息，从而得到双视线光斑阵列中每一个视线对应的光斑阵列质心数据。2.根据权利要求1所述的一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，其特征在于：所述子孔径光斑图像为经过噪声、干扰信号去除预处理的光斑图像数据。3.根据权利要求1所述的一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，其特征在于：所述质心计算公式采用计算图像数据重心的方法，包括重心算法或加权式重心算法。4.根据权利要求1所述的一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，其特征在于：所述步骤4中的事先设定的第一视线最小框选宽度大于第一视线单个子光斑像素宽度，即不小于设计微透镜聚焦艾里光斑的全宽尺寸。5.根据权利要求1所述的一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，其特征在于：所述步骤7中的事先设定的第二视线最小框选宽度大于第二视线单个子光斑像素宽度，即不小于设计微透镜聚焦艾里光斑的全宽尺寸。

技术总结
本发明涉及一种基于重心偏移的双视线光斑质心计算方法，利用双视线哈特曼波前传感器光斑图像的信息特征，采用变波门的迭代式质心计算，即可实现分别对子孔径内两个视线对应子光斑的质心位置定位。本发明别于现有双视线质心计算方法常用的相关算法或者划分区域方法，采用简单的质心计算方式即可实现对两组子光斑的分别定位，具有计算量的明显优势，可为符合先验条件下的双视线哈特曼波前传感器的波前重构提供一种高效的双视线光斑质心计算技术路线。术路线。术路线。


技术研发人员：王帅 张逸群 金睿焱 赵旺 赵孟孟 杨平 谭毅 赖柏衡 高泽宇
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/12