论文部分内容阅读
空间天气预警和太阳物理的研究需要对太阳进行大视场实时高分辨力观测。大气湍流的影响使得天文成像的分辨力严重下降。自适应光学系统可以实时校正畸变波前得到接近衍射极限的目标像。然而传统自适应光学系统的校正能力受到系统硬件的限制对大气湍流引入的像差只能部分校正,同时由于受限于大气湍流的非等晕性,其校正视场最多只有几十角秒。目前除了采用多层共轭自适应光学系统外,获得大视场高分辨力太阳像的主要手段是事后图像处理方法,而将传统自适应光学校正与图像处理技术相结合是获得大视场实时高分辨力图像的主要手段。本文以斑点图像重建方法为研究对象,开展了一系列针对太阳图像重建方面的研究工作。论文的主要研究内容及创新点有:首先,研究了斑点图像重建算法的理论基础和实现步骤,在此基础上分析了系统静态像差对斑点图像重建精度的影响。理论分析结果指出只要系统静态像差在大气湍流相干长度尺寸内不存在显著变化,就不会影响之后的目标功率谱复原精度。针对系统静态像差对目标傅里叶相位复原精度的影响,在分析几种常见系统静态像差的基础上,指出理想情况下在离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会引入额外的相位值。然而由于实际图像在有限统计帧数的情况下并不能完全消除大气湍流的影响,引入相位误差。而传递函数幅值的下降进一步增大了相位误差。针对这种情况,本文提出了一种利用系统像差之间斜率关系的补偿方法,理论分析和仿真证实了这种方法可以有效的抑制系统像差的影响,提高相位重建精度。其次,研究了自适应光学系统校正后的斑点图像重建算法。首先分析了自适应光学系统的校正特性,在此基础上介绍了几种国内外进行自适应校正后斑点图像重建的方法,并分析了每一种方法的特点。对采集到的自适应光学系统校正后的太阳像进行斑点图像重建结果表明斑点图像重建能够进一步提高自适应校正后图像的分辨力。然而进一步分析表明,其图像重建的精度具有一定的区域性,在锁定区域重建结果的对比度相对提高幅度最小。这主要是由于残余波前误差的统计信息不再满足Kolmogorov谱,导致理论斑点传递函数偏离实际斑点传递函数,而这种差异在锁定区域最大。因此在大视场内获得高分辨力成像需要采用新的斑点传递函数。最后,提出了自适应校正后斑点传递函数计算的新方法。在分析了自适应校正后光学传递函数和点扩散函数的性质与残余波前统计信息关系的基础上,借鉴了两个分别在点扩散函数晕的宽度上和对应斯特列尔比概率分布意义上等效的相干长度值,分别用于斑点传递函数低频和高频处幅值的计算。仿真结果显示新的斑点传递函数较传统的斑点传递函数能够更好的拟合实际自适应光学系统校正后的斑点传递函数,在不同的湍流环境和自适应系统校正能力下均可以得到更高的重建精度。对37单元自适应光学系统采集到的实际太阳图像的重建结果也证实了这种计算自适应校正后斑点传递函数方法的有效性。本文在太阳大视场高分辨力图像重建技术所取得的研究成果,对于获取太阳活动区精细结构图像,观察太阳大气在其内部空间和时间尺度中的物理变化过程,从而发现太阳耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发活动的动力学起源等具有重要的理论研究参考和工程应用价值。本研究工作对于夜天文高分辨力成像观测也有重要的参考作用和指导意义。