Анализ ошибок измерений в методе порогового центроида с использованием кросс-корреляционного алгоритма

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Hangcheng Zhou, Xiaoyu Ma, Changhui Rao Measurement error analysis of cross correlation algorithm with threshold centroiding method (Анализ ошибок измерений в методе порогового центроида с использованием кросс-корреляционного алгоритма) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 3. С. 47–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-03-47-55

Hangcheng Zhou, Xiaoyu Ma, Changhui Rao Measurement error analysis of cross correlation algorithm with threshold centroiding method (Анализ ошибок измерений в методе порогового центроида с использованием кросс-корреляционного алгоритма) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2019. V. 86. № 3. P. 47–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-03-47-55

Ссылка на англоязычную версию:

Hangcheng Zhou, Xiaoyu Ma, and Changhui Rao, "Measurement error analysis of a cross correlation algorithm with a threshold centroiding method," Journal of Optical Technology. 86(3), 166-172 (2019). https://doi.org/10.1364/JOT.86.000166

Аннотация:

Проведено детальное теоретическое исследование ошибок измерений в методе порогового центроида с использованием кросс-корреляционного алгоритма, учитывающее не только дисперсии шума и пространственного распределения сигнала в изображении, размер эталонного изображения и параметры датчика изображения, но также ширину и пороговые значения кросс-корреляционной функции.
Полученные формулы для вычисления ошибок кросс-корреляционного алгоритма с оптимальным значением порогового уровня, равным 0,6035, пригодны для произвольных условий выборки и протяженных целей.

Проведено сравнение теоретических результатов с результатами экспериментальных измерений ошибок кросс-корреляционного алгоритма при наблюдении различных солнечных пятен с использованием датчика волнового фронта Шека–Гартмана. Показано хорошее согласие этих результатов между собою.

Ключевые слова:

кросс-корреляционный алгоритм, метод порогового центроида, ошибки измерения, датчик волнового фронта, протяженные цели

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (контракт № 11178004). Авторы выражают благодарность академику Wenhan Jiang, профессору Xunjun Rao, доктору Jinsheng Yang, доктору Lanqiang Zhang и другим коллегам из Института оптики и электроники Китайской академии наук за их ценные советы и помощь в выполнении данной работы.

Коды OCIS: 100.0100, 100.3008, 110.0110, 110.1080

Список источников:

1. Rimmele T.R., Marino J. Solar adaptive optics // Living Rev. Sol. Phys. 2011. V. 8. № 2. P. 1–92.
2. Rao C.H., Zhu L., Zhang L.Q., Rao X.J., et al. Second generation solar adaptive optics for 1-m new vacuum solar telescope at the Fuxian solar observatory // Chin. Opt. Lett. 2015. V. 13. № 12. P. 120101-1–3
3. Rao C.H., Zhu L., Rao X.J., et al. First generation solar adaptive optics system for 1-m new vacuum solar telescope at fuxian solar observatory // Res. Astron. Astrophys. 2016. V. 16. № 2. P. 19–26.
4. Rao C.H., Zhu L., Rao X.J., et al. Instrument description and performance evaluation of a high-order adaptive optics system for the 1-m new vacuum solar telescope at Fuxian solar observatory // Astrophys. J. 2016. V. 833. № 2. P. 210–219.
5. Luhe O.V.D. Wavefront error measurement technique using extended, incoherent light sources // Opt. Eng. 1988. V. 27. № 12. P. 1078–1087.
6. Luhe O.V.D. Widener A.L., Rimmele T., et al. Solar feature correlation tracker for ground-based telescopes // Astron. Astrophys. 1989. V. 224. № 1–2. P. 351–360.
7. Rao C.H., Jiang W.H., Ling N., et al. Correlation tracking algorithms for low-contrast extended object // Intern. Soc. Optics and Photonics. San Diego, 2002. V. 4494. P. 245–251.
8. Zhou H.C., Zhang L.Q., Zhu L., et al. Comparison of correlation algorithms with correlating shack-hartmann wave-front images // in Real-time Photonic Measurements, Data Management, and Processing II / Beijing, 2016. V. 10026. P. 100261B.
9. Rao C.H., Zhu L., Rao X.J., et al. 37-element solar adaptive optics for 26-cm solar fine structure telescope at Yunnan astronomical observatory // Chin. Opt. Lett. 2010. V. 8. № 10. P. 966–968.

10. Luhe O.V.D. A study of a correlation tracking method to improve imaging quality of ground-based solar telescopes // Astron. Astrophys. 1983. V. 119. № 1. P. 85–94.
11. Rao C.H., Zhu L., Rao X.J., et al. Performance of the 37-element solar adaptive optics for the 26 cm solar fine structure telescope at Yunnan astronomical observatory // Appl. Opt. 2010. V. 49. № 10. P. G129–G135.
12. Marino J. Expected performance of solar adaptive optics in large aperture telescopes // Opt. Eng. 2012 V. 51. № 10. P. 101709-1–7.
13. Miura N., Yokoyama F., Nefu M., et al. Optical setup and wavefront sensor for solar adaptive opticsat the domeless solar telescope, Hida observatory // Adaptive Optics Systems II. 2010. V. 7736. P. 773654-1–8.
14. Cao W., Gorceix N., Coulter R., et al. Scientific instrumentation for the 1.6 m new solar telescope in big bear // Astron. Nachr. 2010. V. 331. № 6. P. 636–639.
15. Lukin V., Botygina N., Emaleev O., et al. Wavefront sensors for adaptive optical systems // Meas. Sci. Rev. 2010. V. 10. № 3. P. 102–107.
16. Löfdahl M.G. Evaluation of image-shift measurement algorithms for solar Shack-Hartmann wavefront sensors // Astron. Astrophys. 2010. V. 524. P. 1–19.
17. Johansson U. Cross-correlation techniques with different interpolation methods in adaptive optics // Degree of Master. Stockholm University, Faculty of Science, Department of Astronomy. Institute for Solar Physics, 2010.
18. Bailey H.H., Blackwell F.W., Lowery C.L., et al. Image correlation: Part 1. Simulation and analysis // Rand Corp. Santa Monica CA. 1976. V. 2057. № 1-PR. P. 1–67.
19. Wessely H.W. Image correlation. Part II. Theoretical basis // Rand Corp. Santa Monica Calif. 1976. V. 2057. № 2-PR. P. 1–32.
20. Wessely H.W. Real time and post facto solar image correction // Proc. 13th National Solar Observatory. Sacramento Peak Summer Workshop. 1993. P. 124–128.
21. Michau V., Conan J.M., Fusco T. Shack-Hartmann wavefront sensing with extended sources // Atmospheric Optical Modeling, Measurement, and Simulation II. Intern. Soc. Optics and Photonics / California, 2006. V. 6303. P. 63030B.
22. Marino J. Long exposure point spread function estimation from solar adaptive optics loop data // Thesis. Ph D. New Jersey Institute of Technology, 2011.
23. Berkefeld T., Schmidt W., Soltau D., et al. The wave-front correction system for the sunrise balloon-borne solar observatory // Sol. Phys. 2011. V. 268. № 1. P. 103–123.
24. Cain S.C. Design of an image projection correlating wavefront sensor for adaptive optics // Opt. Eng. 2004. V. 43. № 7. P. 1670–1681.
25. Michau V. Calcul de la precision de mesure d’un analyseur de Shack-Hartmann fonctionnant avec une source etendue // in Internal. ONERA Report / Onera, France, 2002.
26. Dvornychenko V.N. Bounds on (deterministic) correlation functions with application to registration // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1983. V. 2. № 2. P. 206–213.
27. Huang T.S., Tsai R.Y. Image sequence analysis: Motion estimation // in Image Sequence Analysis / Berlin: Springer Heidelberg, 1981. P. 1–18.
28. Bainbridge-Smith A., Lane R.G. Determining optical flow using a differential method // Image Vision Comput. 1997. V. 15. № 1. P. 11–22.
29. Liu Z., Xu J., Gu B. Z., et al. New vacuum solar telescope and observations with high resolution // Res. Astron. Astrophys. 2014. V. 14. № 6. P. 705–718.
30. Guo Y.M., Ma X.Y., Rao C.H. Optimal closed-loop bandwidth of tip-tilt correction loop in adaptive optics system // Acta Physica Sinica. 2014. V. 63. № 6. P. 069502-1–5.