[发明专利]基于图像特征匹配的空间望远镜在轨像差补偿方法

说明书

基于图像特征匹配的空间望远镜在轨像差补偿方法，属于空间望远镜在轨调校领域，包括：利用矢量像差理论，建立次镜、调焦镜各位姿自由度失调量与任意视场位置处的波像差改变量之间的映射关系；利用傅里叶光学理论，进一步建立次镜、调焦镜各位姿自由度失调量与任意视场位置处的恒星点斑离焦图像灰度信息之间的映射关系；利用低阶切比雪夫矩提取实际采集的多个恒星点斑离焦图像特征，计算出多个恒星点斑离焦图像的特征向量；建立目标函数、优化求解补偿量。本发明通过利用空间大口径天文望远镜主成像区域多个不同视场的恒星点斑图像对补偿全视场像差所需的次镜、调焦镜的调整量进行计算，实现对空间大口径天文望远镜在轨像差的补偿。

技术领域

本发明属于空间大口径望远镜在轨调校技术领域，具体涉及一种基于图像特征匹配的空间望远镜在轨像差补偿方法。

背景技术

空间大口径天文望远镜易受振动、温度变化等影响发生镜面位姿失调，需要在轨对系统失调产生的像差进行校正。传统失调校正方法往往需要利用额外的波前传感器探测几个特定视场的像差系数，以此计算失调量。然而，实际空间大口径天文望远镜波前传感过程往往较为复杂。一方面，需要安装夏克·哈特曼波前传感器或者(利用相位恢复技术)安装焦面探测器进行波前探测，都需要额外的器件(相位恢复技术可能还需要额外的调焦过程)。另一方面，这些波前传感器自身往往需要进行标定之后才能达到精度要求，而在轨标定进一步增加了系统复杂度。另外，波前探测过程需要几个特定的视场区域有合适的恒星(亮度合适)，这往往需要特定的天区指向。所以，波前探测过程往往需要调整整个空间大口径天文望远镜的指向，代价较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像特征匹配的空间望远镜在轨像差补偿方法，其通过利用空间大口径天文望远镜主成像区域多个不同视场的恒星点斑图像对补偿全视场像差所需的次镜、调焦镜的调整量进行计算，从而实现对空间大口径天文望远镜在轨像差的补偿。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的基于图像特征匹配的空间望远镜在轨像差补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、利用矢量像差理论，建立次镜、调焦镜各位姿自由度失调量与光学系统有效视场范围内任意视场位置处的波像差改变量之间的映射关系；

步骤二、利用傅里叶光学理论，进一步建立次镜、调焦镜各位姿自由度失调量与光学系统有效视场范围内任意视场位置处的恒星点斑离焦图像灰度信息之间的映射关系；

步骤三、利用低阶切比雪夫矩提取实际采集的多个恒星点斑离焦图像特征，计算出多个恒星点斑离焦图像的特征向量；

步骤四、建立目标函数、优化求解补偿量：

利用步骤一和步骤二得到的结果计算出光学系统有效视场范围内任意视场位置处的恒星点斑离焦图像与失调量向量及视场位置坐标处对应的另一个特征向量；

以次镜、调焦镜失调量向量为自变量，以步骤三得到的特征向量与上述得到的特征向量之间的空间距离为目标函数，利用数值最优化算法求解目标函数最小时所对应的系统等效失调量，该失调量的相反数即为补偿量。

进一步的，步骤一的具体过程如下：

在失调状态下，特定视场位置处，第j项像差系数＝为：

式中，表示二维视场位置坐标，h_x表示视场位置横坐标，h_y表示视场位置纵坐标；v＝[v₁,v₂,v₃,...v_m]^T表示由m项失调自由度代表的失调量向量；表示在未失调状态下视场位置坐标处的第j项像差系数；表示视场位置坐标处由失调引起的第j项像差系数改变量；上角标T表示转置。

根据矢量像差理论，将表示为视场位置坐标的线性函数：