一种大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法

本发明涉及空间望远镜图像处理，具体提供一种大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法。

背景技术：

1、随着空间技术的发展，空间望远镜性能逐渐成为各国角逐的又一高地，集光能力和分辨率是体现望远镜性能的重要指标，而两者均受主镜有效口径的限制。采用单镜面的“整体式”空间望远镜（如哈勃）由于受到反射镜制造、系统集成、整机运载发射等限制，有效口径难以进一步增大。采用“拼接式”的结构形式可有效突破上述限制，是研制大口径空间望远镜的有效途径之一。

2、与“整体式”空间望远镜相比，“拼接式”空间望远镜在像质校正方面存在巨大挑战。一方面，拼接子镜模块在轨机械定位精度为毫米量级，而为保证“拼接式”望远镜与“整体式”望远镜具有相同的观测性能，拼接子镜在轨失调量的解算精度需要达到纳米量级，而在轨实现纳米量级的解算和控制代价较大；另一方面，采用拼接式主镜显著增加了系统像质对于空间扰动的敏感度，对像质保持提出严峻挑战。而在轨空间热、力学等环境扰动因素持续存在，难以单纯依靠机械结构长久保持子镜之间纳米级精度。

3、采用非盲/盲去卷积的空间图像复原技术，通过图像后处理手段，可以有效降低“拼接式”空间望远镜依靠硬件条件对在轨像质校正与像质保持的精度需求。而采用非盲/盲去卷积的空间图像复原方法，均以高精度估计真实psf为核心，而估计psf具有病态性质，在算法层面难以进一步提高psf估计精度，即图像复原精度难以进一步提高。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，通过获取特定视场的波像差，基于不同类型波像差系数随视场分布规律，由特定视场波像差推导出任意视场波像差，进而获得任意视场psf，利用已知的psf替代非盲去卷积时通过估算获得的psf，提高了拼接式空间望远镜在轨图像复原精度。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，包括：

4、s1：构建拼接式空间望远镜不同频率波像差与视场分布关系；

5、s2：构建任意视场像面psf图像的强度二维矩阵与对应视场波像差的关系；

6、s3：通过设置在特定视场处的波前传感装置采集像面psf图像，计算特定视场的波像差；

7、s4：通过特定视场的波像差计算获得任意视场的波像差，并由任意视场的波像差构建任意视场的像面psf图像强度二维矩阵，实现拼接式空间望远镜图像高精度复原。

8、优选的，s1中，根据拼接式空间望远镜的每个拼接子镜的波像差特性，利用fringezernike多项式将所有拼接子镜组成的子系统级波像差表示为：

9、；

10、其中，表示在给定视场矢量和光瞳矢量下的子系统级波像差，为第个拼接子镜的光瞳函数，为第个拼接子镜、第阶项的fringe zernike系数，为拼接子镜的数量，为fringe zernike多项式的阶数，为光学系统结构参数矩阵，为第个拼接子镜的光瞳离轴矢量，为fringe zernike多项式中第个拼接子镜的第阶项；

11、利用fringe zernike多项式将所有非拼接子镜的全口径波像差表示为：

12、；

13、其中，表示在给定视场矢量和光瞳矢量下的非拼接子镜的全口径波像差，表示非拼接子镜的fringe zernike系数；

14、由子系统级波像差和非拼接子镜的全口径波像差计算得到拼接式空间望远镜的系统波像差为：

15、；

16、其中，表示在给定视场矢量和光瞳矢量下的系统波像差。

17、优选的，s2中，任意视场像面psf图像的强度二维矩阵与对应视场波像差的关系式为：

18、；

19、其中，为像面psf图像的强度二维矩阵，i为虚数单位，为入射光波长，为像面坐标向量，表示傅里叶逆变换，为归一化光瞳二维矩阵，为噪声项。

20、优选的，波前传感装置为波前传感器。

21、优选的，通过波前传感装置分别采集在焦psf图像和离焦psf图像，基于相位差原理计算特定视场的波像差。

22、优选的，s4中，通过图像分块复原方法进行图像高精度复原，将拼接式空间望远镜在轨采集的大视场图像分割为多个子区域，利用特定视场的波像差推导出每个子区域对应视场的波像差，并由每个子区域对应视场的波像差构建每个子区域对应视场的像面psf图像强度二维矩阵，实现拼接式空间望远镜图像高精度复原。

23、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

24、本发明通过波前传感器实测的像面psf图像计算特定视场的波像差，基于不同频率波像差与视场的分布规律系，由实测的特定视场波像差推导出任意视场波像差，进而可以获得任意视场的psf，进而通过图像分块复原的方法提高大视场图像复原精度，本发明解决了拼接式空间望远镜图像非盲去卷积时所需的psf均为估算获得的弊端，通过波前传感器实测获得的psf实现了大视场图像恢复，提高了望远镜观测性能。而现有技术中，空间望远镜图像复原过程中的psf均通过算法估计得到，难以克服估计psf存在的病态性质，本发明通过实测推导得到的psf更接近于真实情况，能够有效提高复原精度，对于降低拼接式空间望远镜在轨依靠硬件条件对像质校正、像质保持精度的需求，提高拼接式空间望远镜在轨图像复原精度，提高拼接式空间望远镜观测性能具有重要意义。

25、此外，现有方法中也存在基于实测psf进行图像复原的方法，但这种方法是需要在拼接式空间望远镜主焦面上采集不同视场的psf，利用实测的多个psf进行图像复原，但该方法的复原精度取决于采集的不同视场psf数量，采集的视场psf数量越多，复原精度越高，这种方法的psf采集过程十分繁琐，工作量极大。

技术特征：

1.一种大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，所述s1中，根据拼接式空间望远镜的每个拼接子镜的波像差特性，利用fringe zernike多项式将所有拼接子镜组成的子系统级波像差表示为：

3.如权利要求2所述的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，所述s2中，任意视场像面psf图像的强度二维矩阵与对应视场波像差的关系式为：

4.如权利要求1所述的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，所述波前传感装置为波前传感器。

5.如权利要求4所述的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，通过所述波前传感装置分别采集在焦psf图像和离焦psf图像，基于相位差原理计算所述特定视场的波像差。

6.如权利要求1所述的大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，其特征在于，所述s4中，通过图像分块复原方法进行图像高精度复原，将拼接式空间望远镜在轨采集的大视场图像分割为多个子区域，利用所述特定视场的波像差推导出每个子区域对应视场的波像差，并由每个子区域对应视场的波像差构建每个子区域对应视场的像面psf图像强度二维矩阵，实现拼接式空间望远镜图像高精度复原。

技术总结本发明涉及空间望远镜图像处理技术领域，具体提供一种大视场拼接式空间望远镜图像高精度复原方法，根据望远镜光学参数构建不同频率波前像差随视场分布关系，并基于傅里叶光学理论任意视场像面PSF图像的强度二维矩阵与对应视场波像差的关系，通过望远镜上设置的波前传感器实测特定视场的像面PSF图像，基于实测的像面PSF图像计算特定视场的波像差，并通过不同频率波前像差随视场分布规律以及像面PSF图像的强度二维矩阵与波像差的关系，推导出任意视场的PSF，利用由实测PSF推导出的任意视场的PSF，通过图像分块复原的方法实现拼接式空间望远镜图像高精度复原。本发明采用实测PSF进行图像复原，解决了传统非盲去卷积时采用估算PSF的弊端，提高了复原精度。技术研发人员：白晓泉,谷茜茜,许博谦,鞠国浩,高雁,杜一民,刘雨轩受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/13