主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置及方法與流程
本發明涉及通過主動波前探測、安裝結構以及圖像處理方法而實現氣動光學效應補償進行成像的領域。
背景技術：
現代飛行器朝著高速高加速方向發展，而氣動光學效應影響著光學成像探測技術在高速飛行器上的應用。新一代的高速飛行器大多采用紅外成像末制導系統，它具有制導精度高，能夠實現自動目標圖像識別等優點，當紅外光學成像系統隨著飛行器在大氣層內高速飛行時，其光學頭罩與來流之間形成復雜的流場，對紅外成像探測系統造成光學波前傳輸畸變或者傳輸干擾，使得光線進入傳感器的能量發生變化，反映在圖像上即焦平面像點強度分布擴散，峰值減少，產生像偏移、像抖動和圖像模糊，這種效應稱為氣動光學效應。
經對現有技術文獻的檢索發現，目前對氣動光學效應進行補償的紅外成像裝置大多是在現有的成像裝置上通過圖像處理的方式進行，如“基于頻域共軛梯度法的交替迭代復原算法研究”，洪漢玉，《計算機工程與應用》，第43卷第2期，2007年2月，該方法采用單幀圖像，利用圖像和點擴展函數的氣動光學先驗知識進行盲目反卷積復原，提出了一種基于空域、頻域交互迭代的改進復原算法，將共軛梯度法引入到圖像的頻域復原過程中，并將帶限濾波、正則性約束等融合到對點擴展函數的估計過程中，可以提高算法的抗噪性和恢復復雜背景圖像的能力。
然而，研究發現，現有技術采用交替迭代的方法估計點擴散函數和目標圖像函數，相對于傳統的盲目去卷積方法其抗噪性和穩定性較好，但是存在以下問題：(1)場景適應性：因為點擴散函數不是實時測量出來的，是根據一些約束條件進行迭代估計，而氣動光學帶來的成像條件變化迅速而復雜，若當前成像不滿足所設定的約束，復原效果會變差，甚至無法收斂；(2)實時性：由于復原過程需要交替迭代運算，運算復雜，且收斂速度又與場景等因素有關，難以滿足彈上應用的高實時性需要。
技術實現要素：
針對現有技術場景適應性差、實時性不夠的問題，本發明提出了一種主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置及方法，通過發送和接收穿過氣動光學效應區域的激光，實時獲取氣動光學效應畸變參數，獲取畸變點擴散函數，用于圖像去卷積完成實時圖像恢復。
本發明的一個技術方案是提供一種主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置，包含：
激光/紅外共口徑裝置，采用折返式光學系統來接收目標紅外輻射能量以及激光后向散射能量，其中通過次鏡后設置的二色分光鏡將激光與紅外能量分離；
激光發射裝置，進一步包含激光器及發射系統；所述激光器根據預定指標參數發射激光光束，所述發射系統的透鏡將激光器輸出的激光進行準直和擴束，在氣動光學湍流區域外形成激光光斑；
波前光電傳感器，對大氣粒子散射的準直激光光束的散射光波經過氣動光學效應之后產生的畸變波前進行接收，并提取所述畸變波前中的偏離參數；
紅外探測器，提取目標光波對應的紅外輻射熱量，將所述紅外輻射熱量轉換為相應的數字信號；
圖像校正電路，接收紅外目標原始數據和從畸變波前中提取的偏離參數，并對所述原始數據和偏離參數進行單幀實時反卷積運算，獲得復原圖像，實現對氣動光學效應的實時補償。
本發明的另一個技術方案是提供一種退化圖像補償方法，是在紅外成像裝置的圖像校正電路中，運行包含以下步驟的圖像實時復原算法：
s1、實時獲取氣動光學畸變點擴散函數；
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，通過波前重構獲得畸變波前相位，再進行傅里葉變換得到表征氣動光學效應的點擴散函數；
s2、維納濾波恢復圖像
根據光學系統傳遞函數是所述點擴散函數的傅里葉變換關系，計算出氣動光學效應影響下的系統光學傳遞函數h(f)，
再通過公式
式中h*(f)是h(f)的共軛，i(f)是紅外探測器同時獲得的受氣動光學效應影響的圖像數據，γ(f)為抑制測量噪聲對恢復圖像高頻成分的影響的一個函數；對恢復圖像頻譜θ(f)進行傅里葉逆變換得到氣動光學效應補償的紅外成像。
本發明所述主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置及方法，其優點在于：
與現有技術中的交替迭代的方法估計點擴散函數和目標圖像函數而導致氣動光學效應補償效果場景適應性差、實時性較低相比，本發明的實施例采用激光主動探測的方式獲得氣動光學湍流場的圖像退化點擴散函數、通過維納濾波的方法對紅外氣動光學效應進行實時補償，通過激光測量氣動光學效應湍流區域的波前畸變信息，采用激光/紅外共口徑光學系統對目標紅外和激光后向散射信息進行接收，波前光電傳感器高效實時獲得氣動光學效應所致的波前畸變信息，紅外探測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行實時解卷積，實現高精度、高速實時的紅外氣動光學效應補償效果。
附圖說明
圖1給出了本發明實施例所提供的一種主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置的結構示意圖；
圖2、圖3分別給出了本發明實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)對應參考波前及氣動光學效應畸變波前的光斑圖像示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
參見圖1所示，本發明的實施例提供了一種主動探測氣動光學效應并實時補償的紅外成像裝置，該裝置具體包括：激光/紅外共口徑光學裝置、激光發射裝置、波前光電傳感器6、紅外探測器10與圖像校正電路8等部分。
所述的激光/紅外共口徑光學裝置采用折返式光學系統，用于接收目標紅外輻射能量以及激光后向散射能量(符號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。示例的紅外光學系統入瞳d＝85mm，焦距f＝170mm，視場±1.96°；激光接收系統入瞳d＝85mm，焦距f’＝230mm，視場角為0.2865°。
所述的二色分光鏡5由光學玻璃鍍膜制成，其分別接收大氣粒子反射的準直激光光束的散射光波經過氣動光學效應之后產生的畸變波前和目標紅外光波，通過光譜空間色散原理根據不同的光譜特性分布將畸變波前與目標紅外分別進行分離處理，得到畸變波前的可見光部分對應的可見光波和目標紅外光波。
所述的激光發射裝置，包含激光器7和發射系統4，激光器7根據預定指標參數發射激光光束，發射系統4的透鏡將激光器7輸出的激光進行準直和擴束，在氣動光學湍流區域3外形成激光光斑1。示例的激光器7輸出波長：1.06μm，脈沖能量：200μj，峰值功率：44kw，脈沖寬度：4.5ns，重復頻率：1000hz，發射系統4的透鏡口徑6mm。
參見圖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直激光光束的散射光波經過氣動光學效應之后產生的畸變波前30，提取所述畸變波前中的偏離參數；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和可見光的光電探測器12，透鏡會把入射光束分割，并在探測器靶面上形成若干子孔徑目標像，先利用平面波對波前傳感器進行標定，記錄各子孔徑成像光斑的位置(如圖2中與參考波前20對應的標定光斑圖像21所示)；當波前因氣動光學發生畸變時，各個子孔徑成像光斑會偏離標定位置(如圖3中與畸變波前30對應的畸變光斑圖像31所示)，偏離值對應了子孔徑范圍內波前的平均斜率，進而獲得全孔徑的相位分布，為圖像校正電路解算出氣動光學波前畸變的點擴散函數提供實時數據。示例的哈特曼-夏克波前傳感器口徑d＝44mm；子孔徑數目：4×4；子孔徑尺寸：d＝10.39mm，探測器像素數：64×64。
所述的紅外探測器10用于提取所述目標光波對應的紅外輻射熱量，將所述紅外輻射熱量轉換為數字信號。示例的探測器采用法國sofradir公司320×256元碲鎘汞(mct)中波紅外制冷型探測器，像元尺寸30μm，響應波段3.7μm～4.8μm，探測器f/#＝2，netd≤16mk。
所述的圖像校正電路8，用于接收紅外目標原始數據和氣動光學波前畸變偏離參數，并對所述的原始圖像數據和偏離參數進行單幀實時反卷積運算，獲得復原圖像9，實現對氣動光學效應的實時補償。
根據運行于圖像校正電路8的圖像實時復原算法，實現一種退化圖像補償方法，其具體步驟如下：
(1)實時獲取點擴散函數
采集波前光電傳感器6提供的氣動光學波前畸變偏離參數，通過波前重構獲得畸變波前相位，再進行傅里葉變換得到表征氣動光學效應的點擴散函數(psf)。
所述的氣動光學波前畸變偏離參數，是指所述的波前光電傳感器6(即哈特曼-夏克波前傳感器)測量的每個子孔徑的平均斜率；在自適應光學系統中，通常根據哈特曼-夏克波前傳感器測量光波前在子孔徑兩個正交方向上的波前斜率來間接測量波前相位，可以用矩陣表示為：g＝zα，式中z是維數為2m×n的澤尼克模式響應矩陣，g＝[g1x,g1y,g2x,g2y,...,gmx,gmh]t是波前斜率向量，α＝[α2,α3,...,αn+1]t為n階澤尼克模式系數矩陣；
因此，可以通過哈特曼-夏克波前傳感器測量的波前斜率復原出各階澤尼克模式系數，用矩陣形式表示為α＝z-1g，z-1是模式斜率響應矩陣z的偽逆矩陣；取35階澤尼克模式；畸變波前相位分布通過公式φ＝zerα計算，式中zer＝[z1,z2,...,zn]為澤尼克基元波面；
進而得到規格化瞳函數p(x)＝w(x)exp{jφ(x)}，
式中，
對其進行傅里葉變換計算出氣動光學波前畸變點擴散函數：
(2)維納濾波恢復圖像
根據光學系統傳遞函數(otf)是點擴散函數(psf)的傅里葉變換關系，計算出氣動光學效應影響下的系統光學傳遞函數
盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
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