本書主要從兩個方面研究自適應光學圖像復原問題: 一是研究自適應光學系統的構成及光學成像原理, 提出了自適應光學系統改進及仿真, 實現自適應光學圖像波前畸變的實時補償或校正; 二是研究經AO校正后的自適應光學圖像復原理論及算法。主要內容包括湍流對成像影響的分析與仿真、自適應光學系統與波前復原方法、基于小波域的Contourlet變換的自適應光學圖像去噪算法、基于幀選擇技術和極大似然估計的自適應光學圖像多幀聯合去卷積算法、與正則化相結合的改進期望值最大化方法的多幀自適應光學圖像復原算法以及基于雙校正器的自適應光學系統的改進方法與仿真分析。
本書針對我國空對地遙感觀測成像、地對空觀測成像和空中目標的光學成像探測系統的觀測圖像高分辨率復原和后處理的迫切需求，開展研究工作。在湍流流場形成機理和光波在高速流場中傳輸的機理等自適應光學技術研究的基礎上，首先研制和建立自適應光學系統實驗仿真模型以及對自適應光學(Adaptive Optics，AO)系統成像分析，然后研究自適應光學圖像的復原算法，為實現高速飛行器成像制導系統上的應用提供理論和技術支撐。
大氣湍流的隨機擾動嚴重地影響光學系統的成像性能，本書對湍流效應的自適應光學圖像復原問題進行了研究和探討。本書主要從兩個方面研究自適應光學圖像復原問題： 一是研究自適應光學系統的構成及光學成像原理，提出了自適應光學系統改進及仿真，實現自適應光學圖像波前畸變的實時補償或校正；二是研究經AO校正后的自適應光學圖像復原理論及算法。
全書共8章，各章的主要內容如下。
第1章緒論。本章主要介紹知識背景、自適應光學技術的研究和應用情況、自適應光學圖像復原技術的研究現狀與發展、自適應光學圖像復原基本模型、圖像質量評價方法、本書的課題來源及組織結構。本章是以后各章研究工作的基礎。
第2章湍流對成像影響的分析與仿真。本章介紹本書所用到的一些基本原理，包括大氣湍流的基本理論、湍流波前隨機擾動的計算機仿真、大氣光學性對AO成像的影響分析等內容。本章為后續章節的自適應光學系統波前重構及波前校正提供理論基礎。
第3章自適應光學系統性能分析與波前復原技術。本章的研究內容包括自適應光學系統構成、云南天文臺61單元AO成像系統、自適應光學系統的成像原理、基于斜率探測技術的波前復原方法、基于波前復原技術的自適應光學系統實驗研究、 1000mm AO系統對畸變波前的校正仿真研究。本章內容是本書的重點，是本書的核心內容之一。/基于自適應光學的大氣湍流退化圖像復原技術研究前言。
第4章基于小波域的Contourlet變換法的自適應光學圖像去噪算法。本章的研究內容包括小波變換、WBCT的基本原理、基于WBCT的WBCTbATD去噪算法、WBCTbATD算法實現步驟、WBCTbATD算法實驗。本章把多尺度、多方向Contourlet變換的思想引入自適應光學圖像去噪過程。
第5章基于幀選擇技術和極大似然估計的自適應光學圖像多幀聯合去卷積算法。本章的研究內容包括自適應光學圖像的PSF重建算法、幀選擇技術、基于FSMLJD算法的多幀AO圖像聯合去卷積、實驗結果及分析。本章內容也是本書的核心內容之一。
第6章基于正則化與改進期望值最大化算法的自適應光學圖像復原。本章具體研究內容包括基于圖像功率譜密度及約束圖像支持域的去噪方法、期望值最大化方法原理簡介、AO圖像代價函數模型及參數估計、基于RTIEM算法的多幀AO圖像高清晰復原、AO圖像復原實驗及結果分析。本章提出與正則化相結合的改進期望值最大化方法的多幀自適應光學圖像復原算法，也是本書的核心內容之一。
第7章基于雙校正器的自適應光學系統的改進與仿真分析。本章的研究內容包括雙校正器的組合方式分析、基于雙校正器自適應光學系統像差解耦算法、基于雙校正器的自適應光學系統的改進、實驗結果和分析。本章的研究內容能夠有效地提高像差的空間校正能力。
第8章總結與展望。本章作為本書的結尾，總結全書的主要研究內容和結論，闡述主要創新點，并對后續工作進行了展望。
隨著自適應光學成像技術的廣泛應用，本書的適用領域包括空對地遙感觀測成像、地對空觀測成像、空中目標觀測成像、激光傳輸、激光腔內像差校正、人眼像差的檢測與校正、光束整形、激光相干層析等領域，并在各應用領域具有廣闊的發展前景。
本書是在長春工業大學資助下，以及國家留學基金資助項目(No.201508220093)、吉林省教育廳十二五重點規劃項目等支持下完成的。值此專著完成之際，誠摯感謝長春工業大學的資金支持，感謝長春理工大學信息化中心蘇偉教師、澳大利亞聯邦科學與工業組織數據61所(CSIRO Data61)孫長明科學家的熱情幫助和指點，感謝云南天文臺提供實驗數據，對參考文獻中的作者們表示衷心的感謝。
本書由張麗娟和李東明共同執筆，參加本書編寫工作的還有楊進華、王珺楠、李超然等老師。
由于作者水平所限，加之自適應光學領域縱深寬廣，書中難免有考慮不周之處，誠請讀者和同行專家批評指正。
作者的電子郵箱： ldm0214@163.com
作 者2017年4月 于長春
第1章緒論1
1.1知識背景1
1.2自適應光學技術的研究和應用情況2
1.3自適應光學圖像復原技術的研究現狀與進展6
1.3.1圖像復原技術概述7
1.3.2AO圖像復原技術的研究進展10
1.4自適應光學圖像復原基本模型11
1.4.1自適應光學圖像退化模型11
1.4.2自適應光學圖像噪聲模型13
1.4.3經典圖像復原方法14
1.5圖像質量評價方法19
1.5.1圖像主觀質量評價方法19
1.5.2圖像客觀質量評價方法19
1.6本書的課題來源及組織結構23
1.6.1本書的課題來源23
1.6.2本書的組織結構23
1.7小結25
參考文獻25第2章湍流對成像影響的分析與仿真33
2.1大氣湍流的基本理論33
2.1.1大氣湍流的參數描述33/基于自適應光學的大氣湍流退化圖像復原技術研究目錄/2.1.2大氣湍流模型35
2.1.3湍流的統計特性描述37
2.2湍流波前隨機擾動的計算機仿真39
2.2.1傅里葉變換法39
2.2.2Zernike多項式法41
2.3大氣光學性對AO成像的影響分析47
2.3.1大氣光學特性的機理47
2.3.2大氣介質的光學傳遞函數OTF49
2.3.3大氣湍流光學參數分析51
2.4小結53
參考文獻54第3章自適應光學系統性能分析與波前復原技術56
3.1自適應光學系統構成56
3.1.1自適應光學系統的基本結構56
3.1.2波前探測器58
3.1.3波前校正器60
3.1.4波前控制器62
3.2云南天文臺61單元AO成像系統64
3.2.1改造后的AO系統的光學結構64
3.2.2改造后的HS波前傳感器64
3.2.3跟蹤系統67
3.3自適應光學系統的成像原理69
3.4基于斜率探測技術的波前復原方法70
3.5基于波前復原技術的自適應光學系統實驗研究73
3.61000mm AO系統對畸變波前的校正仿真研究78
3.7小結80
參考文獻80第4章基于小波域的Contourlet變換法的自適應光學圖像去噪算法83
4.1小波變換83
4.1.1小波變換的定義84
4.1.2小波分解的矩陣表示87
4.1.3一維退化模型的小波表示88
4.1.4二維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算法實現步驟98
4.5WBCTbATD算法實驗98
4.6小結105
參考文獻105第5章基于幀選擇技術和極大似然估計的自適應光學圖像多幀
聯合去卷積算法108
5.1自適應光學圖像的PSF重建算法109
5.1.1AO圖像PSF的先驗模型109
5.1.2基于波前相位信息的PSF重建方法111
5.1.3基于非等暈成像效應的PSF重建112
5.2幀選擇技術研究116
5.2.1AO圖像退化性質117
5.2.2基于方差統計特性的幀選擇技術118
5.2.3序列圖像的幀選擇實驗120
5.3基于FSMLJD算法的多幀AO圖像聯合去卷積122
5.3.1PSF帶寬有限約束122
5.3.2基于FSMLJD的多幀聯合去卷積圖像高清晰復原算法123
5.3.3FSMLJD算法的實現125
5.4實驗結果及分析126
5.5小結130
參考文獻130第6章基于正則化與改進期望值最大化算法的自適應光學圖像復原132
6.1基于圖像功率譜密度及約束圖像支持域的去噪方法132
6.2期望值最大化方法原理簡介135
6.3AO圖像代價函數模型及參數估計137
6.3.1建立AO圖像的代價函數模型137
6.3.2RTIEM算法的參數估計138
6.3.3建立多幀AO圖像的代價函數模型141
6.4基于RTIEM算法的多幀AO圖像高清晰復原142
6.5AO圖像復原實驗及結果分析144
6.5.1仿真圖像復原實驗144
6.5.2雙星圖像復原實驗146
6.5.3天體觀測實驗148
6.6小結150
參考文獻150第7章基于雙校正器的自適應光學系統的改進與仿真分析152
7.1雙校正器的組合方式分析152
7.2基于雙校正器自適應光學系統像差解耦算法154
7.3基于雙校正器的自適應光學系統的改進156
7.4實驗結果和分析159
7.5小結163
參考文獻163第8章總結與展望165
8.1本書所做的研究工作165
8.2本書研究的創新之處166
8.3今后的研究方向與展望168
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