CN113280932B - 相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法 - Google Patents

相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法具体包括如下步骤：步骤1，基于传感器子孔径阵列对光斑的辐照功率和响应电压特性，定义一个响应率参数R(i,j)，作为参考变量；步骤2，根据步骤1中定义的响应率参数R(i,j)，设置一个阈值T，判断并检测出焦平面的坏点，并将坏点处的响应率的值置零去除；步骤3，采用坏点周围的有效点信息对步骤2检测的坏点位置的信息进行插值预测和代替补偿；步骤4，重复执行步骤2～3，进行动态波前坏点去除与补偿，直到步骤2中设置的阈值范围内检测不到坏点，输出此时的光斑阵列图。采用本发明能够实现对坏点的有效去除与补偿，以减小AO***的校正误差。

Description

相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法。
背景技术
激光在大气中传输时，大气湍流会引起光像抖动和光强闪烁等畸变现象，自适应光学(AO)技术被广泛用于校正由大气湍流引起的畸变波前，波前传感器是AO***的重要组成部分，夏克－哈特曼波前传感器(SHWS)是目前应用较为广泛的波前传感器。它由微透镜阵列和放置在微透镜阵列焦平面上的光电探测器组成。微透镜阵列将入射波前分割为许多微小的子孔径，入射波前经过微透镜聚焦在子孔径的焦平面上，然后使用CCD相机等光电探测器件来获得各个子孔径内在焦平面处的光强分布状况。虽然相机的制造工艺在不断发展，但是相机靶面上仍然可能会有一定数量的坏点(失效的信号点)存在。
当激光受到大气强湍流运动的影响，或者***光路被噪声覆盖，又或者观察目标信号弱小时，哈特曼波前传感器的部分子孔径将接收不到有效的光信号或者接收到错误的信号。这种情况在闭环AO***中，经过持续叠加会造成波前探测误差增大，而且会引起变形镜驱动器的不稳定，因此需要对这部分子孔径的坏点进行有效处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，采用该方法能够实现对坏点的有效去除与补偿，以减小AO***的校正误差。
本发明所采用的技术方案是，相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，基于传感器子孔径阵列对光斑的辐照功率和响应电压特性，定义一个响应率参数R(i,j)，作为参考变量；
步骤2，根据步骤1中定义的响应率参数R(i,j)，设置一个阈值T，判断并检测出焦平面的坏点，并将坏点处的响应率的值置零去除；
步骤3，采用坏点周围的有效点信息对步骤2检测的坏点位置的信息进行插值预测和代替补偿；
步骤4，重复执行步骤2～3，进行动态波前坏点去除与补偿，直到步骤2中设置的阈值范围内检测不到坏点，输出此时的光斑阵列图。
本发明的特点还在于：
步骤1的具体过程为：
假设波前传感器为M×N的焦平面子孔径阵列，M和N分别是焦平面子孔径像元的行数和列数，在不受大气湍流影响下，采用工作频率稳定的平面波前激光束对准入射时，每个子孔径对光斑信号的响应率R(i,j)定义为各像元在单位辐照功率下的输出电压，表达式为：
Figure BDA0003027602760000021
式中，i＝1-M，j＝1-N，P(i,j)为第(i,j)像元所接收到的辐照功率，V(i,j)为第(i,j)像元对于辐照功率P(i,j)的响应电压。
步骤2的具体过程为：
所述坏点包括异常过亮和异常过暗像元，如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足下式，则判定该像元为过亮坏点：
Figure BDA0003027602760000031
其中，
Figure BDA0003027602760000032
h和d分别是过亮像元和过暗像元个数；
如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足如下关系式，则判定该像元为过暗坏点：
Figure BDA0003027602760000033
将检测到的含有坏点的子孔径的响应值置零，来去除缺光子孔径。
步骤3的具体过程为：
选取与坏点子孔径相邻的8个插值补偿点，具体为：
以P(i,j)为中心的8个相邻子孔径辐照功率分别表示为P(i,j-1)、P(i,j+1)、P(i-1,j-1)、P(i-1,j+1)、P(i-1,j)、P(i+1,j-1)、P(i+1,j+1)、P(i+1,j)；
若8个相邻的子孔径光斑都是有效的点，则直接选用进行步骤4；
若8个相邻的子孔径光斑的其中某个子孔径光斑是坏点，就在该光斑的相邻处就近选取下一个正常元做插值点。
步骤3中，根据8个相邻子孔径的相关性，确定插值补偿的加权系数，具体为：
若8个相邻点都不是坏点，即8个相邻的子孔径光斑都是有效点，则插值补偿值为：
Figure BDA0003027602760000041
此时，8个点对中心坏点的信号贡献是相等的，取a＝b＝c＝d＝e＝f＝g＝h＝1/8；
若8个相邻点的其中某个相邻点为坏点，假设P(i-1,j)为坏点，则用下一点P(i-2,j)代替，此时，补偿值为：
Figure BDA0003027602760000042
此时，取a＝c＝d＝e＝f＝h＝1/8，b＝1/16，g＝3/16。
本发明的有益效果是，本发明基于夏克-哈特曼波前传感器焦平面数据响应特性和相邻像元间的相关性，提出一种无线相干通信波前校正中对子孔径光斑坏点进行有效检测和插值补偿的算法，实现对坏点的有效去除与补偿，以减小AO***的校正误差。
附图说明
图1是本发明相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法中应用的波前传感器工作原理图。
图中，1.信号入射光线，2.透镜阵列，3.CCD相机，4.CCD焦平面成像阵列。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，定义像元响应率。
基于传感器子孔径阵列对光斑的辐照功率和响应电压特性，定义一个响应率参数，作为参考变量。如图1所示，信号入射光线1照射到透镜阵列2上，透镜阵列2与CCD相机3连接，从而形成了CCD焦平面成像阵列4。
假设波前传感器为M×N的焦平面子孔径阵列，M和N分别是焦平面子孔径像元的行数和列数。在不受大气湍流影响下，采用工作频率稳定的平面波前激光束对准入射时，每个子孔径对光斑信号的响应率R(i,j)定义为各像元在单位辐照功率下的输出电压，表达式为：
Figure BDA0003027602760000051
式中，i＝1-M，j＝1-N，P(i,j)为第(i,j)像元所接收到的辐照功率，V(i,j)为第(i,j)像元对于辐照功率P(i,j)的响应电压。
步骤2，坏点检测去除。
根据步骤1中定义的响应率，设置一个阈值T，判断并检测出焦平面的坏点，将坏点处的响应率的值置零去除。
坏点包括异常过亮和异常过暗像元，如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足下式，则判定该像元为过亮坏点。
Figure BDA0003027602760000052
公式(2)中，阈值T选10％。
焦平面上有效像元响应率的平均值为：
Figure BDA0003027602760000053
式中，M和N分别是焦平面子孔径像元的行数和列数，h和d分别是过亮像元和过暗像元个数。
如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足如下关系式，则判定该像元为过暗坏点。
Figure BDA0003027602760000061
公式(4)中，阈值T选10％。
将检测到的含有坏点的子孔径的响应值置零，来处理掉缺光子孔径。
步骤3，线性插值补偿算法。
由于相邻子孔径光斑具有极高的相关性，采用坏点周围的有效点信息对步骤2检测的坏点位置的信息进行插值预测和代替补偿。
选用坏点周围相邻8点有效数据进行插值计算；
步骤3.1，选取与坏点子孔径相邻的8个插值补偿点。以P(i,j)为中心的8个相邻子孔径辐照功率分别表示为P(i,j-1)、P(i,j+1)、P(i-1,j-1)、P(i-1,j+1)、P(i-1,j)、P(i+1,j-1)、P(i+1,j+1)、P(i+1,j)。如果这相邻8个子孔径光斑都是有效的点，则直接选用进行下一个步骤；假如其中某个子孔径光斑是坏点，就在其相邻处就近选取下一个正常元做插值点。8个插值补偿点的分布如下表1所示：
表1
(i-1,j-1) (i-1,j) (i-1,j+1)
(i,j-1) (i,j) (i,j+1)
(i+1,j-1) (i+1,j) (i+1,j+1
步骤3.2，确定插值加权系数。
根据8个相邻子孔径的相关性，确定插值补偿的加权系数。
如果8个相邻点都不是坏点，则插值补偿值为：
Figure BDA0003027602760000071
这时8个点对中心坏点的信号贡献是相等的，取
a＝b＝c＝d＝e＝f＝g＝h＝1/8；
如果其中某个相邻点为坏点，假设P(i-1,j)为坏点，则用下一点P(i-2,j)代替，此时，补偿值为：
Figure BDA0003027602760000072
此时，取a＝c＝d＝e＝f＝h＝1/8，b＝1/16，g＝3/16。其他情况，以此类推。
步骤4，重复步骤2～3，进行动态波前坏点去除与补偿，直到步骤2中设置的阈值范围内检测不到坏点，输出此时的光斑阵列图。

Claims (4)

1.相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，基于传感器子孔径阵列对光斑的辐照功率和响应电压特性，定义一个响应率参数R(i,j)，作为参考变量；
所述步骤1的具体过程为：
假设波前传感器为M×N的焦平面子孔径阵列，M和N分别是焦平面子孔径像元的行数和列数，在不受大气湍流影响下，采用工作频率稳定的平面波前激光束对准入射时，每个子孔径对光斑信号的响应率R(i,j)定义为各像元在单位辐照功率下的输出电压，表达式为：
Figure FDA0003493214180000011
式中，i＝1-M，j＝1-N，P(i,j)为第(i,j)像元所接收到的辐照功率，V(i,j)为第(i,j)像元对于辐照功率P(i,j)的响应电压；
步骤2，根据步骤1中定义的响应率参数R(i,j)，设置一个阈值T，判断并检测出焦平面的坏点，并将坏点处的响应率的值置零去除；
步骤3，采用坏点周围的有效点信息对步骤2检测的坏点位置的信息进行插值预测和代替补偿；
步骤4，重复执行步骤2～3，进行动态波前坏点去除与补偿，直到步骤2中设置的阈值范围内检测不到坏点，输出此时的光斑阵列图。
2.根据权利要求1所述的一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
所述坏点包括异常过亮和异常过暗像元，如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足下式，则判定该像元为过亮坏点：
Figure FDA0003493214180000021
其中，
Figure FDA0003493214180000022
h和d分别是过亮像元和过暗像元个数；
如果实际获得的第(i,j)像元的响应率满足如下关系式，则判定该像元为过暗坏点：
Figure FDA0003493214180000023
将检测到的含有坏点的子孔径的响应值置零，来去除缺光子孔径。
3.根据权利要求2所述的一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：
选取与坏点子孔径相邻的8个插值补偿点，具体为：
以P(i,j)为中心的8个相邻子孔径辐照功率分别表示为P(i,j-1)、P(i,j+1)、P(i-1,j-1)、P(i-1,j+1)、P(i-1,j)、P(i+1,j-1)、P(i+1,j+1)、P(i+1,j)；
若8个相邻的子孔径光斑都是有效的点，则直接选用进行步骤4；
若8个相邻的子孔径光斑的其中某个子孔径光斑是坏点，就在该光斑的相邻处就近选取下一个正常元做插值点。
4.根据权利要求3所述的一种相干光通信波前校正中去除与补偿子孔径光斑坏点的方法，其特征在于：所述步骤3中，根据8个相邻子孔径的相关性，确定插值补偿的加权系数，具体为：
若8个相邻点都不是坏点，即8个相邻的子孔径光斑都是有效点，则插值补偿值为：
Figure FDA0003493214180000031
此时，8个点对中心坏点的信号贡献是相等的，取a＝b＝c＝d＝e＝f＝g＝h＝1/8；
若8个相邻点的其中某个相邻点为坏点，假设P(i-1,j)为坏点，则用下一点P(i-2,j)代替，此时，补偿值为：
Figure FDA0003493214180000032
此时，取a＝c＝d＝e＝f＝h＝1/8，b＝1/16，g＝3/16。
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