目前自适应光学(Adaptive Optics，AO)系统已经成功运用到国内外的地基天文望远镜系统中，它通过对动态畸变波前进行实时校正，从而实现提高天文观测图像的成像质量。夏克-哈特曼波前传感器(Shark-Hartmann Wavefront Sensor，SHWFS)作为AO系统的实时探测器件具有重要的地位，SHWFS的探测精度直接影响整个系统的校正性能和闭环稳定性。SHWFS的探测精度主要由光斑定位精度和波前复原精度决定，而这两项又与SHWFS光斑阵列图像的信噪比相关。本文的研究对象是低信噪比的SHWFS光斑阵列图像。

低信噪比的SHWFS光斑阵列图像与一般图像相比有其特殊性。一帧图像由多个子孔径图像组成，每个子孔径单独成像，各子孔径的光斑形态不同，光斑与噪声交错，光斑边缘模糊，光斑与噪声的分布不均匀。低信噪比的SHWFS光斑阵列图像的形成原因有背景噪声强、信标光亮度有限、观测目标亮度有限、光电探测器件噪声相对较强等。光斑阵列图像的信噪比较低有两类：一类是光斑阵列图像整体信噪比较低，另一类是光斑阵列图像的部分子孔径信噪比较低，因此在进行光斑定位与波前复原分析时应该综合考虑各子孔径光斑图像的特点，从而提高待测波前的复原精度。为了综合考虑各子孔径光斑图像的差异性，本文采用波前复原误差作为光斑定位算法与波前复原算法的评价指标。本文的主要研究内容为：

1.本文通过对模拟波前、SHWFS工作原理、光斑定位以及波前复原的理论分析，构建了SHWFS数字仿真平台。该仿真平台包括三大部分：模拟产生畸变波前、光斑定位、波前复原。该仿真平台具有的功能有：(1) 可生成单一像差与复合像差的多种静态波前与动态波前，任意波前像差可调，大气湍流畸变波前的参数可调；(2) 可产生光斑阵列图像，哈特曼波前探测器的结构参数可调，包括：CCD靶面像素数、子孔径排布方式、子孔径数、子孔径像素数、衍射光斑所占像素数等，噪声的种类任意选择组合背景与噪声的均值和方差可调，光强可调；(3) 可进行光斑定位与波前复原，该仿真平台中集成了多种光斑定位算法与波前复原算法，各种算法中涉及的参数可根据实际系统需求进行调整，可进行光斑定位误差与波前复原误差分析。

2. 强湍流的干扰、观测目标暗弱、光路被遮挡等情况会导致SHWFS的部分子孔径出现缺光或弱光的情况。针对这种情形，采用了子孔径斜率置零复原法与子孔径去除复原法两种处理方法。通过详细分析单子孔径缺光，连续多子子孔径缺光，非连续多子孔径缺光对波前复原误差的影响，得到的结论有：(1) 对于单子孔径缺光，采用斜率置零法时，波前复原误差呈现随子孔径位置相对全口径中心的半径增大而增大的规律；(2) 单子孔径缺光，采用子孔径去除法时，波前复原误差在全孔径上分布较为均匀且误差值较小；(3) 连续和非连续多子孔径缺光时，缺光子孔径去除复原法计算量大，占用存储空间多，但波前复原误差比子孔径斜率置零法小。基于复原矩阵的误差传递系数与微透镜阵列数和光斑的近似艾里斑宽度相关，分析了空间采样率和光斑宽度对波前复原的影响。

3. 通过数值仿真分析，对比研究了几种实时性较好的光斑定位算法在不同信噪比条件下的波前复原误差，提出了光斑定位算法在不同信噪比条件下的优选策略，同时也给出了各光斑定位算法的最优参数、适用范围、稳定性以及加窗预处理图像对这些算法的影响。两类图像预处理算法(阈值法和加窗法)与光斑定位算法结合后的参数设置规律是：当只采用阈值法预处理图像时，阈值的设置规律是随着信噪比的降低，阈值随之适当增大；当同时采取阈值法和加窗法预处理图像时，阈值和窗口宽度的设置规律是随着信噪比的降低，窗口宽度与阈值均随之逐渐减小。加权质心法的权函数采用sinc²函数相比与常用的高斯函数在低信噪比阶段具有较好的抗噪性能。不同信噪比阶段光斑定位算法的选择策略为：均值信噪比低于2时，互相关算法(Cross-correlation，CORR)最好，其次可采用阈值加权质心法(thresholding weighted center of gravity，T-WCOG)；均值信噪比在2到10之间时，T-WCOG算法最好，阈值幂指数质心法(thresholding intensity weighted centroiding，T-IWC)与阈值质心法(Thresholding center of gravity，T-COG)其次；均值信噪比高于10时，T-COG算法简单而有效。

4. 为了验证光斑定位算法的参数设置规律与在不同信噪比阶段光斑定位方法的选择策略，搭建了一套实验系统。实验中通过调节激光器的光功率，光路衰减倍数以及曝光时间得到不同信噪比的光斑阵列图像。通过对实验数据中暗场图像与光斑阵列图像的分析证明了仿真平台中模拟光斑与噪声的正确性。通过实验中对各光斑定位算法的参数优化结果的分析与光斑定位算法在不同信噪比下的波前复原误差的比较分析，验证了仿真中光斑定位算法的参数设置规律与不同信噪比阶段光斑定位方法的选择策略的正确性。