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内容简介

　　大气湍流的随机扰动严重地影响光学系统的成像性能，《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》对湍流效应的自适应光学（Adaptive Optics，AO）图像复原问题进行了研究和探讨。张丽娟、李东明、杨进华、王珺楠、李超然著的《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》主要从两个方面研究自适应光学图像复原问题：一是研究自适应光学系统的构成及光学成像原理，提出了自适应光学系统改进及仿真，实现自适应光学图像波前畸变的实时补偿或校正；二是研究经AO校正后的自适应光学图像复原理论及算法。主要内容包括湍流对成像影响的分析与仿真、自适应光学系统与波前复原方法、基于小波域的Contourlet变换的自适应光学图像去噪算法、基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧联合去卷积算法、与正则化相结合的改进期望值大化方法的多帧自适应光学图像复原算法以及基于双校正器的自适应光学系统的改进方法与仿真分析。
　　《基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究》可作为光学工程专业的研究生教材，也可供自适应光学领域的科研人员、从事光学仪器工作的工程技术人员参考。

内页插图

目录

第1章绪论1
1.1知识背景1
1.2自适应光学技术的研究和应用情况2
1.3自适应光学图像复原技术的研究现状与进展6
1.3.1图像复原技术概述7
1.3.2AO图像复原技术的研究进展10
1.4自适应光学图像复原基本模型11
1.4.1自适应光学图像退化模型11
1.4.2自适应光学图像噪声模型13
1.4.3经典图像复原方法14
1.5图像质量评价方法19
1.5.1图像主观质量评价方法19
1.5.2图像客观质量评价方法19
1.6本书的课题来源及组织结构23
1.6.1本书的课题来源23
1.6.2本书的组织结构23
1.7小结25
参考文献25第2章湍流对成像影响的分析与仿真33
2.1大气湍流的基本理论33
2.1.1大气湍流的参数描述33/基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究目录/2.1.2大气湍流模型35
2.1.3湍流的统计特性描述37
2.2湍流波前随机扰动的计算机仿真39
2.2.1傅里叶变换法39
2.2.2Zernike多项式法41
2.3大气光学性对AO成像的影响分析47
2.3.1大气光学特性的机理47
2.3.2大气介质的光学传递函数OTF49
2.3.3大气湍流光学参数分析51
2.4小结53
参考文献54第3章自适应光学系统性能分析与波前复原技术56
3.1自适应光学系统构成56
3.1.1自适应光学系统的基本结构56
3.1.2波前探测器58
3.1.3波前校正器60
3.1.4波前控制器62
3.2云南天文台61单元AO成像系统64
3.2.1改造后的AO系统的光学结构64
3.2.2改造后的H�睸波前传感器64
3.2.3跟踪系统67
3.3自适应光学系统的成像原理69
3.4基于斜率探测技术的波前复原方法70
3.5基于波前复原技术的自适应光学系统实验研究73
3.61000mm AO系统对畸变波前的校正仿真研究78
3.7小结80
参考文献80第4章基于小波域的Contourlet变换法的自适应光学图像去噪算法83
4.1小波变换83
4.1.1小波变换的定义84
4.1.2小波分解的矩阵表示87
4.1.3一维退化模型的小波表示88
4.1.4二维退化模型的小波表示89
4.2WBCT的基本原理90
4.3基于WBCT的WBCTbATD去噪算法95
4.4WBCTbATD算法实现步骤98
4.5WBCTbATD算法实验98
4.6小结105
参考文献105第5章基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧
联合去卷积算法108
5.1自适应光学图像的PSF重建算法109
5.1.1AO图像PSF的先验模型109
5.1.2基于波前相位信息的PSF重建方法111
5.1.3基于非等晕成像效应的PSF重建112
5.2帧选择技术研究116
5.2.1AO图像退化性质117
5.2.2基于方差统计特性的帧选择技术118
5.2.3序列图像的帧选择实验120
5.3基于FS�睲LJD算法的多帧AO图像联合去卷积122
5.3.1PSF带宽有限约束122
5.3.2基于FS�睲LJD的多帧联合去卷积图像高清晰复原算法123
5.3.3FS�睲LJD算法的实现125
5.4实验结果及分析126
5.5小结130
参考文献130第6章基于正则化与改进期望值最大化算法的自适应光学图像复原132
6.1基于图像功率谱密度及约束图像支持域的去噪方法132
6.2期望值最大化方法原理简介135
6.3AO图像代价函数模型及参数估计137
6.3.1建立AO图像的代价函数模型137
6.3.2RT�睮EM算法的参数估计138
6.3.3建立多帧AO图像的代价函数模型141
6.4基于RT�睮EM算法的多帧AO图像高清晰复原142
6.5AO图像复原实验及结果分析144
6.5.1仿真图像复原实验144
6.5.2双星图像复原实验146
6.5.3天体观测实验148
6.6小结150
参考文献150第7章基于双校正器的自适应光学系统的改进与仿真分析152
7.1双校正器的组合方式分析152
7.2基于双校正器自适应光学系统像差解耦算法154
7.3基于双校正器的自适应光学系统的改进156
7.4实验结果和分析159
7.5小结163
参考文献163第8章总结与展望165
8.1本书所做的研究工作165
8.2本书研究的创新之处166
8.3今后的研究方向与展望168

前言/序言

本书针对我国空对地遥感观测成像、地对空观测成像和空中目标的光学成像探测系统的观测图像高分辨率复原和后处理的迫切需求，开展研究工作。在湍流流场形成机理和光波在高速流场中传输的机理等自适应光学技术研究的基础上，首先研制和建立自适应光学系统实验仿真模型以及对自适应光学(Adaptive Optics，AO)系统成像分析，然后研究自适应光学图像的复原算法，为实现高速飞行器成像制导系统上的应用提供理论和技术支撑。
大气湍流的随机扰动严重地影响光学系统的成像性能，本书对湍流效应的自适应光学图像复原问题进行了研究和探讨。本书主要从两个方面研究自适应光学图像复原问题： 一是研究自适应光学系统的构成及光学成像原理，提出了自适应光学系统改进及仿真，实现自适应光学图像波前畸变的实时补偿或校正；二是研究经AO校正后的自适应光学图像复原理论及算法。
全书共8章，各章的主要内容如下。
第1章绪论。本章主要介绍知识背景、自适应光学技术的研究和应用情况、自适应光学图像复原技术的研究现状与发展、自适应光学图像复原基本模型、图像质量评价方法、本书的课题来源及组织结构。本章是以后各章研究工作的基础。
第2章湍流对成像影响的分析与仿真。本章介绍本书所用到的一些基本原理，包括大气湍流的基本理论、湍流波前随机扰动的计算机仿真、大气光学性对AO成像的影响分析等内容。本章为后续章节的自适应光学系统波前重构及波前校正提供理论基础。
第3章自适应光学系统性能分析与波前复原技术。本章的研究内容包括自适应光学系统构成、云南天文台61单元AO成像系统、自适应光学系统的成像原理、基于斜率探测技术的波前复原方法、基于波前复原技术的自适应光学系统实验研究、1000mm AO系统对畸变波前的校正仿真研究。本章内容是本书的重点，是本书的核心内容之一。/基于自适应光学的大气湍流退化图像复原技术研究前言/第4章基于小波域的Contourlet变换法的自适应光学图像去噪算法。本章的研究内容包括小波变换、WBCT的基本原理、基于WBCT的WBCTbATD去噪算法、WBCTbATD算法实现步骤、WBCTbATD算法实验。本章把多尺度、多方向Contourlet变换的思想引入自适应光学图像去噪过程。
第5章基于帧选择技术和极大似然估计的自适应光学图像多帧联合去卷积算法。本章的研究内容包括自适应光学图像的PSF重建算法、帧选择技术、基于FS�睲LJD算法的多帧AO图像联合去卷积、实验结果及分析。本章内容也是本书的核心内容之一。
第6章基于正则化与改进期望值最大化算法的自适应光学图像复原。本章具体研究内容包括基于图像功率谱密度及约束图像支持域的去噪方法、期望值最大化方法原理简介、AO图像代价函数模型及参数估计、基于RT�睮EM算法的多帧AO图像高清晰复原、AO图像复原实验及结果分析。本章提出与正则化相结合的改进期望值最大化方法的多帧自适应光学图像复原算法，也是本书的核心内容之一。
第7章基于双校正器的自适应光学系统的改进与仿真分析。本章的研究内容包括双校正器的组合方式分析、基于双校正器自适应光学系统像差解耦算法、基于双校正器的自适应光学系统的改进、实验结果和分析。本章的研究内容能够有效地提高像差的空间校正能力。
第8章总结与展望。本章作为本书的结尾，总结全书的主要研究内容和结论，阐述主要创新点，并对后续工作进行了展望。
随着自适应光学成像技术的广泛应用，本书的适用领域包括空对地遥感观测成像、地对空观测成像、空中目标观测成像、激光传输、激光腔内像差校正、人眼像差的检测与校正、光束整形、激光相干层析等领域，并在各应用领域具有广阔的发展前景。
本书是在长春工业大学资助下，以及国家留学基金资助项目(No.201508220093)、吉林省教育厅十二五重点规划项目等支持下完成的。值此专著完成之际，诚挚感谢长春工业大学的资金支持，感谢长春理工大学信息化中心苏伟教师、澳大利亚联邦科学与工业组织数据61所(CSIRO Data61)孙长明科学家的热情帮助和指点，感谢云南天文台提供实验数据，对参考文献中的作者们表示衷心的感谢。
本书由张丽娟和李东明共同执笔，参加本书编写工作的还有杨进华、王珺楠、李超然等老师。
由于作者水平所限，加之自适应光学领域纵深宽广，书中难免有考虑不周之处，诚请读者和同行专家批评指正。
作者的电子邮箱： ldm0214@163.com

作 者2017年4月 于长春
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