为了提高星地光通信中捕获跟踪瞄准系统的目标探测精度,需要对面阵探测器上信标光斑位置探测的随机误差进行高精度分析评估。基于影响光斑探测的多种随机因素,建立了不依赖于目标信号点扩散函数的质心定位噪声等效角(NEA)模型,并仿真了不同因素对NEA的影响。结果显示,不同目标信号点扩散函数下的NEA的变化趋势相似: 随噪声的增大而增大,随信号强度的增大而减小,随光斑半径的增大而增大。不同目标信号点扩散函数下所计算出的NEA数值不同,最大差异小于30 %。研究结论为目标位置探测的随机误差提供了测量方法和理论分析依据,对远距离星地光通信链路的建立与保持具有重要意义。

对于暗弱目标探测,现有的方法仍然存在探测误差较大的问题,为了提高夏克-哈特曼波前探测器的质心探测精度,提出了一种改进的距离-幂指数质心探测算法。在不同情况下将所提算法与现有的几种质心算法进行对比,仿真结果表明,在不同信噪比、不同光斑直径、子区域不同像素等因素影响下,所提算法的质心探测误差低于其他算法的误差,且更为稳定。

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来, 能够实现高阶像差的精密测量, 是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上, 提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法, 实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明, 在理想条件下, 单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02λ(λ=632.8 nm)以内; 噪声水平小于10%时, 斜率和曲率信号的检测精度均在0.08λ以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。

为了探测高精度的远场光斑质心，本文提出了一种多光斑质心探测方法。该方法利用二维正交的衍射光栅，将远场单光斑扩展为多光斑阵列，通过增加探测光斑的输入信息量，提高质心探测精度。实验结果表明，远场多光斑质心探测精度比单光斑质心探测精度提高了近4倍，单个光斑质心探测误差均方根(RMS)为0.0385 pixels，16个多光斑阵列平均质心探测误差RMS为0.0099 pixels。相对于传统的质心探测方法，本文所采用的远场多光斑质心探测方法更为简便。

提出了一种提高夏克-哈特曼波前传感器光斑质心的定位精度算法, 分析了光斑质心的探测误差, 采用与光斑尺寸匹配的探测窗口及插值法提高了图像的分辨率, 并使用二阶矩算法计算了质心位置。采用该算法对含有噪声的光斑图进行图像处理与计算, 并给出了待测件的波前重构示意图。结果表明, 相对于传统算法, 该算法将质心的探测精度提高了约0.8倍。

由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度, 本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先, 对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像; 然后, 利用大津(OTSU)阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记, 最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割, 确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配, 故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明: 利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9, 比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍, 满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。

为提高哈特曼夏克波前传感器（HS-WFS）的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测，提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后，结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同，探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像，其质心探测误差仅为0.0442 pixel，比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测，得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098 λ，精度均方根(RMS)值达到0.0027 λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度，可用于高精度光学系统的检测。

激光大气传输会发生波前畸变，为了探测波前，采用哈特曼夏克(H-S)传感器来获取波前信息，采用算法对成像光斑进行质心定位，进而可以达到波前检测的目的。通过质心法对哈特曼夏克波前传感器得到的光斑图像进行处理，进而确定出其质心的位置和算法所需的时间。采用改进的象限法，通过检测光斑的边缘位置，进而确定出一个能将光斑圈住的矩形的大小和位置。根据几何学关系，针对不同位置的光斑采用不同的方法确定质心，进而可以得到质心的位置。通过与质心法对比仿真，结果显示两种算法的质心位置坐标很接近，算法的速度也很接近。

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。 研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点, 自动确定探测窗口, 计算实际质心、参考质心, 选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了 参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。 实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1λ以下, 获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。

分析了哈特曼(Hartmann)波前传感器传统阈值一阶矩质心算法的局限性，提出了一种改进算法，对质心探测窗口的大小先进行合理优化，再采用灰度积分图原理进行自动搜索，最后采用灰度平方加权质心算法进行质心计算。仿真分析验证了算法的可行性和优越性，有利于提高波前传感器质心探测精度。