本發(fā)明涉及通過(guò)主動(dòng)波前探測(cè)、安裝結(jié)構(gòu)以及圖像處理方法而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行成像的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代飛行器朝著高速高加速方向發(fā)展，而氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響著光學(xué)成像探測(cè)技術(shù)在高速飛行器上的應(yīng)用。新一代的高速飛行器大多采用紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)，它具有制導(dǎo)精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)圖像識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)紅外光學(xué)成像系統(tǒng)隨著飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)，其光學(xué)頭罩與來(lái)流之間形成復(fù)雜的流場(chǎng)，對(duì)紅外成像探測(cè)系統(tǒng)造成光學(xué)波前傳輸畸變或者傳輸干擾，使得光線進(jìn)入傳感器的能量發(fā)生變化，反映在圖像上即焦平面像點(diǎn)強(qiáng)度分布擴(kuò)散，峰值減少，產(chǎn)生像偏移、像抖動(dòng)和圖像模糊，這種效應(yīng)稱為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置大多是在現(xiàn)有的成像裝置上通過(guò)圖像處理的方式進(jìn)行，如“基于頻域共軛梯度法的交替迭代復(fù)原算法研究”，洪漢玉，《計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用》，第43卷第2期，2007年2月，該方法采用單幀圖像，利用圖像和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的氣動(dòng)光學(xué)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行盲目反卷積復(fù)原，提出了一種基于空域、頻域交互迭代的改進(jìn)復(fù)原算法，將共軛梯度法引入到圖像的頻域復(fù)原過(guò)程中，并將帶限濾波、正則性約束等融合到對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的估計(jì)過(guò)程中，可以提高算法的抗噪性和恢復(fù)復(fù)雜背景圖像的能力。

然而，研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)采用交替迭代的方法估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和目標(biāo)圖像函數(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的盲目去卷積方法其抗噪性和穩(wěn)定性較好，但是存在以下問(wèn)題：(1)場(chǎng)景適應(yīng)性：因?yàn)辄c(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)不是實(shí)時(shí)測(cè)量出來(lái)的，是根據(jù)一些約束條件進(jìn)行迭代估計(jì)，而氣動(dòng)光學(xué)帶來(lái)的成像條件變化迅速而復(fù)雜，若當(dāng)前成像不滿足所設(shè)定的約束，復(fù)原效果會(huì)變差，甚至無(wú)法收斂；(2)實(shí)時(shí)性：由于復(fù)原過(guò)程需要交替迭代運(yùn)算，運(yùn)算復(fù)雜，且收斂速度又與場(chǎng)景等因素有關(guān)，難以滿足彈上應(yīng)用的高實(shí)時(shí)性需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)場(chǎng)景適應(yīng)性差、實(shí)時(shí)性不夠的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種主動(dòng)探測(cè)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置及方法，通過(guò)發(fā)送和接收穿過(guò)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)區(qū)域的激光，實(shí)時(shí)獲取氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)畸變參數(shù)，獲取畸變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，用于圖像去卷積完成實(shí)時(shí)圖像恢復(fù)。

本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種主動(dòng)探測(cè)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置，包含：

激光/紅外共口徑裝置，采用折返式光學(xué)系統(tǒng)來(lái)接收目標(biāo)紅外輻射能量以及激光后向散射能量，其中通過(guò)次鏡后設(shè)置的二色分光鏡將激光與紅外能量分離；

激光發(fā)射裝置，進(jìn)一步包含激光器及發(fā)射系統(tǒng)；所述激光器根據(jù)預(yù)定指標(biāo)參數(shù)發(fā)射激光光束，所述發(fā)射系統(tǒng)的透鏡將激光器輸出的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，在氣動(dòng)光學(xué)湍流區(qū)域外形成激光光斑；

波前光電傳感器，對(duì)大氣粒子散射的準(zhǔn)直激光光束的散射光波經(jīng)過(guò)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)之后產(chǎn)生的畸變波前進(jìn)行接收，并提取所述畸變波前中的偏離參數(shù)；

紅外探測(cè)器，提取目標(biāo)光波對(duì)應(yīng)的紅外輻射熱量，將所述紅外輻射熱量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；

圖像校正電路，接收紅外目標(biāo)原始數(shù)據(jù)和從畸變波前中提取的偏離參數(shù)，并對(duì)所述原始數(shù)據(jù)和偏離參數(shù)進(jìn)行單幀實(shí)時(shí)反卷積運(yùn)算，獲得復(fù)原圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供一種退化圖像補(bǔ)償方法，是在紅外成像裝置的圖像校正電路中，運(yùn)行包含以下步驟的圖像實(shí)時(shí)復(fù)原算法：

s1、實(shí)時(shí)獲取氣動(dòng)光學(xué)畸變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；

采集所述波前光電傳感器提供的從畸變波前中提取的偏離參數(shù)，通過(guò)波前重構(gòu)獲得畸變波前相位，再進(jìn)行傅里葉變換得到表征氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；

s2、維納濾波恢復(fù)圖像

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)是所述點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換關(guān)系，計(jì)算出氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響下的系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)h(f)，

再通過(guò)公式得到復(fù)原圖像的傅里葉頻譜，

式中h^*(f)是h(f)的共軛，i(f)是紅外探測(cè)器同時(shí)獲得的受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的圖像數(shù)據(jù)，γ(f)為抑制測(cè)量噪聲對(duì)恢復(fù)圖像高頻成分的影響的一個(gè)函數(shù)；對(duì)恢復(fù)圖像頻譜θ(f)進(jìn)行傅里葉逆變換得到氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)補(bǔ)償?shù)募t外成像。

本發(fā)明所述主動(dòng)探測(cè)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置及方法，其優(yōu)點(diǎn)在于：

與現(xiàn)有技術(shù)中的交替迭代的方法估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和目標(biāo)圖像函數(shù)而導(dǎo)致氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)補(bǔ)償效果場(chǎng)景適應(yīng)性差、實(shí)時(shí)性較低相比，本發(fā)明的實(shí)施例采用激光主動(dòng)探測(cè)的方式獲得氣動(dòng)光學(xué)湍流場(chǎng)的圖像退化點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、通過(guò)維納濾波的方法對(duì)紅外氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，通過(guò)激光測(cè)量氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)湍流區(qū)域的波前畸變信息，采用激光/紅外共口徑光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)紅外和激光后向散射信息進(jìn)行接收，波前光電傳感器高效實(shí)時(shí)獲得氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)所致的波前畸變信息，紅外探測(cè)器同步地獲取退化的紅外成像，隨后在圖像校正電路中利用維納濾波原理進(jìn)行實(shí)時(shí)解卷積，實(shí)現(xiàn)高精度、高速實(shí)時(shí)的紅外氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)補(bǔ)償效果。

附圖說(shuō)明

圖1給出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種主動(dòng)探測(cè)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、圖3分別給出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種光電波前傳感器(哈特曼-夏克波前傳感器)對(duì)應(yīng)參考波前及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)畸變波前的光斑圖像示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種主動(dòng)探測(cè)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募t外成像裝置，該裝置具體包括：激光/紅外共口徑光學(xué)裝置、激光發(fā)射裝置、波前光電傳感器6、紅外探測(cè)器10與圖像校正電路8等部分。

所述的激光/紅外共口徑光學(xué)裝置采用折返式光學(xué)系統(tǒng)，用于接收目標(biāo)紅外輻射能量以及激光后向散射能量(符號(hào)2示出激光/紅外輻射)，次鏡后的二色分光鏡5將激光與紅外能量分離。示例的紅外光學(xué)系統(tǒng)入瞳d＝85mm，焦距f＝170mm，視場(chǎng)±1.96°；激光接收系統(tǒng)入瞳d＝85mm，焦距f’＝230mm，視場(chǎng)角為0.2865°。

所述的二色分光鏡5由光學(xué)玻璃鍍膜制成，其分別接收大氣粒子反射的準(zhǔn)直激光光束的散射光波經(jīng)過(guò)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)之后產(chǎn)生的畸變波前和目標(biāo)紅外光波，通過(guò)光譜空間色散原理根據(jù)不同的光譜特性分布將畸變波前與目標(biāo)紅外分別進(jìn)行分離處理，得到畸變波前的可見(jiàn)光部分對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光波和目標(biāo)紅外光波。

所述的激光發(fā)射裝置，包含激光器7和發(fā)射系統(tǒng)4，激光器7根據(jù)預(yù)定指標(biāo)參數(shù)發(fā)射激光光束，發(fā)射系統(tǒng)4的透鏡將激光器7輸出的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，在氣動(dòng)光學(xué)湍流區(qū)域3外形成激光光斑1。示例的激光器7輸出波長(zhǎng)：1.06μm，脈沖能量：200μj，峰值功率：44kw，脈沖寬度：4.5ns，重復(fù)頻率：1000hz，發(fā)射系統(tǒng)4的透鏡口徑6mm。

參見(jiàn)圖2、圖3，所述的波前光電傳感器6用于接收大氣粒子散射的所述準(zhǔn)直激光光束的散射光波經(jīng)過(guò)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)之后產(chǎn)生的畸變波前30，提取所述畸變波前中的偏離參數(shù)；所述的波前光電傳感器采用哈特曼-夏克波前傳感器，其中包含微透鏡陣列11和可見(jiàn)光的光電探測(cè)器12，透鏡會(huì)把入射光束分割，并在探測(cè)器靶面上形成若干子孔徑目標(biāo)像，先利用平面波對(duì)波前傳感器進(jìn)行標(biāo)定，記錄各子孔徑成像光斑的位置(如圖2中與參考波前20對(duì)應(yīng)的標(biāo)定光斑圖像21所示)；當(dāng)波前因氣動(dòng)光學(xué)發(fā)生畸變時(shí)，各個(gè)子孔徑成像光斑會(huì)偏離標(biāo)定位置(如圖3中與畸變波前30對(duì)應(yīng)的畸變光斑圖像31所示)，偏離值對(duì)應(yīng)了子孔徑范圍內(nèi)波前的平均斜率，進(jìn)而獲得全孔徑的相位分布，為圖像校正電路解算出氣動(dòng)光學(xué)波前畸變的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。示例的哈特曼-夏克波前傳感器口徑d＝44mm；子孔徑數(shù)目：4×4；子孔徑尺寸：d＝10.39mm，探測(cè)器像素?cái)?shù)：64×64。

所述的紅外探測(cè)器10用于提取所述目標(biāo)光波對(duì)應(yīng)的紅外輻射熱量，將所述紅外輻射熱量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。示例的探測(cè)器采用法國(guó)sofradir公司320×256元碲鎘汞(mct)中波紅外制冷型探測(cè)器，像元尺寸30μm，響應(yīng)波段3.7μm～4.8μm，探測(cè)器f/#＝2，netd≤16mk。

所述的圖像校正電路8，用于接收紅外目標(biāo)原始數(shù)據(jù)和氣動(dòng)光學(xué)波前畸變偏離參數(shù)，并對(duì)所述的原始圖像數(shù)據(jù)和偏離參數(shù)進(jìn)行單幀實(shí)時(shí)反卷積運(yùn)算，獲得復(fù)原圖像9，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

根據(jù)運(yùn)行于圖像校正電路8的圖像實(shí)時(shí)復(fù)原算法，實(shí)現(xiàn)一種退化圖像補(bǔ)償方法，其具體步驟如下：

(1)實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

采集波前光電傳感器6提供的氣動(dòng)光學(xué)波前畸變偏離參數(shù)，通過(guò)波前重構(gòu)獲得畸變波前相位，再進(jìn)行傅里葉變換得到表征氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(psf)。

所述的氣動(dòng)光學(xué)波前畸變偏離參數(shù)，是指所述的波前光電傳感器6(即哈特曼-夏克波前傳感器)測(cè)量的每個(gè)子孔徑的平均斜率；在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，通常根據(jù)哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量光波前在子孔徑兩個(gè)正交方向上的波前斜率來(lái)間接測(cè)量波前相位，可以用矩陣表示為：g＝zα，式中z是維數(shù)為2m×n的澤尼克模式響應(yīng)矩陣，g＝[g1x,g1y,g2x,g2y,...,gmx,gmh]^t是波前斜率向量，α＝[α2,α3,...,αn+1]^t為n階澤尼克模式系數(shù)矩陣；

因此，可以通過(guò)哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量的波前斜率復(fù)原出各階澤尼克模式系數(shù)，用矩陣形式表示為α＝z^-1g，z^-1是模式斜率響應(yīng)矩陣z的偽逆矩陣；取35階澤尼克模式；畸變波前相位分布通過(guò)公式φ＝zerα計(jì)算，式中zer＝[z1,z2,...,zn]為澤尼克基元波面；

進(jìn)而得到規(guī)格化瞳函數(shù)p(x)＝w(x)exp{jφ(x)}，

式中，是瞳函數(shù)，d是波前探測(cè)系統(tǒng)口徑；

對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算出氣動(dòng)光學(xué)波前畸變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)：式中表示傅里葉變換。

(2)維納濾波恢復(fù)圖像

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(otf)是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(psf)的傅里葉變換關(guān)系，計(jì)算出氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響下的系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)再通過(guò)公式得到復(fù)原圖像的傅里葉頻譜，式中h^*(f)是h(f)的共軛，i(f)是紅外探測(cè)器同時(shí)獲得的受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的圖像數(shù)據(jù)，γ(f)為抑制測(cè)量噪聲對(duì)恢復(fù)圖像高頻成分的影響一個(gè)函數(shù)，取常數(shù)值0.0001；對(duì)恢復(fù)圖像頻譜θ(f)進(jìn)行傅里葉逆變換得到氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)補(bǔ)償?shù)募t外成像。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。