一种基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统的制作方法

本发明涉及图像处理技术领域，具体而言，涉及一种基于直接点扩散函数测量的气动退化图像复原校正系统。

背景技术：

带有光学成像探测、制导系统的飞行器在大气层内以高超声速飞行时，飞行器的光学窗口与大气之间将发生剧烈的相互作用而产生气体电离等现象，致使气体温度、密度、压力及化学组成结构均发生变化，上述气体周围光束传播介质的复杂变化，使得飞行器的机载光学成像系统的目标成像产生剧烈的畸变，引起目标瞄准误差、图像跳动、模糊，这种效应即是气动光学效应。

上述效应使得图像传输光束产生波像差，影响其在光探测接收器上的成像质量、准确度和清晰度而限制了飞行器对目标的瞄准、识别和追踪能力，因此，气动光学效应的校正有着重要意义。

现有技术中提出了一种气动光学效应校正装置，该装置通过哈特曼波前传感器实时测量波前畸变，再通过该波前畸变实时校正摄取到的原图像数据以复原得到清晰的图像数据。

现有技术的气动光学效应校正装置中，采用哈特曼波前传感器测量波前畸变，而该传感器造价昂贵，使得整个装置的成本较高，并且由于该传感器在使用前需要进行初始化操作(如标定和调试)且难度较大，增加了整个装置的操作复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于直接点扩散函数测量的气动退化图像复原校正系统，通过直接获取激光畸变源经过气动光学效应而导致的波前畸变所对应的点扩散函数，以实现由上述波前畸变所导致的退化图像的复原，系统复杂度较低，且小型化、成本较低而实用性较强。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于直接点扩散函数测量的气动退化图像复原校正系统，该系统具体包括：采集装置、测量装置和复原装置；

所述采集装置，用于获取受到气动激波层扰动的目标区域图像；

所述测量装置，用于发射激光光束，得到聚焦在气动激波层外的远场聚焦光斑；接收所述远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前；利用透镜成像的傅里叶变换性质对所述畸变波前进行成像后进行光电转换，得到所述畸变波前对应的点扩散函数；

所述复原装置，用于对受到气动激波层扰动的所述目标区域图像与所述点扩散函数进行反卷积运算，得到目标区域的复原图像。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述测量装置包括激光器、光束远场聚焦器、第一镜头和图像传感器。

所述激光器，用于发射激光光束；

所述光束远场聚焦器包括：透镜和望远镜；所述光束远场聚焦器与所述激光器匹配设置，用于根据所述透镜对所述激光光束的发散角进行压缩处理，利用望远镜对压缩处理后的所述激光光束进行聚焦处理，得到小面积远场聚焦光斑，用以提高所述远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前对应的点扩散函数的测量精度；

所述第一镜头，用于接收所述远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前，根据光学原理对所述畸变波前进行处理，得到激光光斑信号；

所述图像传感器与所述第一镜头电连接，用于接收所述激光光斑信号，对所述激光光斑信号进行光电转换处理，得到所述畸变波前对应的点扩散函数。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述图像传感器包括光电转换器、信号放大模块、采样模块和分析模块；

所述光电转换器与所述第一镜头电连接，用于接收所述激光光斑信号，对所述激光光斑信号进行光电转换处理，得到电脉冲信号；所述电脉冲信号对应于所述点扩散函数；

所述信号放大模块与所述光电转换器电连接，用于接收所述电脉冲信号，对所述电脉冲信号进行放大处理，得到放大后的电脉冲信号；

所述采样模块与所述信号放大器电连接，用于接收放大后的电脉冲信号，根据预设空间间隔对放大后的所述电脉冲信号进行采样处理，得到数字电信号；

所述分析模块与所述采样模块电连接，用于接收所述数字电信号，对所述数字电信号进行能量分析处理，得到所述激光光斑信号的光强能量分布；所述光强能量分布对应于所述点扩散函数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述采集装置包括第二镜头、红外探测器和信号处理器；

所述第二镜头，用于接收目标区域发送的目标光波，将所述目标光波发送至所述红外探测器；其中，所述目标光波受到气动激波层扰动，且携带有目标区域的原始图像；

所述红外探测器，用于提取所述目标光波对应的红外辐射热量，将所述红外辐射热量转换为模拟电信号；

所述信号处理器，用于将所述模拟电信号转换为对应的数字信号，并对所述数字信号进行分析处理，得到与所述数字信号相对应的目标区域图像。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述系统还包括分光镜；

所述分光镜，用于接收所述远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前和所述目标区域的目标光波，根据光谱特性分别对所述畸变波前和所述目标光波进行分离处理，得到所述畸变波前的可见光部分对应的可见光波和所述目标光波的不可见光部分对应的红外光波。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述系统还包括光学匹配装置；

所述光学匹配装置，用于接收所述分光镜分离得到的所述可见光波，将所述可见光波发送至所述测量装置，用以使所述分光镜和所述测量装置匹配设置。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述复原装置包括处理器和显示器；

所述处理器，用于分别接收所述测量装置输出的点扩散函数和所述采集装置发送的所述目标区域图像，根据所述目标区域图像、所述点扩散函数以及所述目标区域的原始图像之间的卷积关系，对所述目标区域图像与所述点扩散函数进行反卷积运算处理，得到与所述目标区域图像对应的所述目标区域的复原图像；

所述显示器，用于显示所述目标区域的复原图像。

本发明实施例提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统，采用采集装置、测量装置和复原装置使得整个复原校正系统一体化和自动化，与现有技术中的气动光学效应校正装置采用造价昂贵的哈特曼波前传感器进行波前畸变的测量，需要初始化且无法直接得到点扩散函数而导致装置操作复杂度较高相比，其通过重建激光畸变源为测量装置的畸变测量提供足够的可见光波，且上述测量装置能够直接得到畸变波前对应的点扩散函数；又通过上述采集装置得到目标区域图像；最后利用复原装置进行目标区域图像与点扩散函数之间的反卷积运算，以实现退化图像实时高效的复原校正，上述复原校正系统通过透镜直接获取畸变波前的点扩散函数并通过图像反卷积的方法实现了退化图像的高效复原校正，整个系统复杂度较低，且小型化、成本较低而实用性较强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统中测量装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统的具体应用场景图；

图4示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统中图像传感器的结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统中采集装置的结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统中复原装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

11、采集装置；22、测量装置；33、复原装置；44、分光镜；55、光学匹配装置；111、第二镜头；112、红外探测器；113、信号处理器；221、激光器；222、光束远场聚焦器；223、第一镜头；224、图像传感器；331、处理器；332、显示器；2241、光电转换器；2242、信号放大模块；2243、采样模块；2244、分析模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中采用哈特曼波前传感器测量波前畸变的气动光学效应校正装置，由于上述波前传感器中微透镜阵列造价昂贵而使得装置的成本较高，且上述微透镜阵列将被检畸变波前分离为若干个波面得到对应数量的光斑阵列而导致光强的能量比较分散，信噪比较低，此外，上述波前传感器在使用前还需要进行初始化操作，从而导致该装置的操作复杂度较高。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种基于直接点扩散函数测量的气动退化图像复原校正系统，该系统通过直接获取点扩散函数的方法实现了退化图像的高效复原校正，整个系统复杂度较低，且小型化、成本较低而实用性较强。

本发明实施例提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统的具体结构如下：

参见图1，本发明实施例提供了一种基于直接点扩散函数测量的气动退化图像复原校正系统，该系统具体包括：采集装置11、测量装置22和复原装置33；

采集装置11，用于获取受到气动激波层扰动的目标区域图像；

测量装置22，用于发射激光光束，得到聚焦在气动激波层外的远场聚焦光斑；接收远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前；利用透镜成像的傅里叶变换性质对畸变波前直接进行成像，成像光斑经光电转换后，得到畸变波前对应的点扩散函数；

复原装置33，用于对受到气动激波层扰动的目标区域图像与点扩散函数进行反卷积运算，得到目标区域的复原图像。

本发明实施例提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统，与现有技术中的气动光学效应校正装置采用造价昂贵的哈特曼波前传感器进行波前畸变的测量，需要初始化且无法直接得到点扩散函数而导致装置操作复杂度较高相比，其通过重建激光畸变源为测量装置22的畸变测量提供足够的可见光波，且上述测量装置22能够直接得到畸变波前对应的点扩散函数；又通过上述采集装置11得到目标区域图像；最后利用复原装置33进行目标区域图像与点扩散函数之间的反卷积运算，以实现退化图像实时高效的复原校正，上述复原校正系统通过透镜直接获取畸变波前的点扩散函数并通过图像反卷积的方法实现了退化图像的高效复原校正，整个系统复杂度较低，且小型化、成本较低而实用性较强。

具体的，考虑到航拍成像系统中图像的摄取是以无人驾驶飞机为空中平台，以专用照相机、摄像机以及视频无线传输技术获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求得到的图像，本发明实施例所提供的气动退化图像复原校正系统包括有采集装置11，该采集装置11是用于摄影的光学器件，利用光的直线传播性质和光的折射规律，以光子为载体，把某一瞬间的被测目标的图像数据的光信息量，以能量方式经过采集装置11的镜头采集的图像信息传递给感光材料，最终成为可视的目标区域图像。为了更好的满足白天航拍和夜间航拍的双重需求，考虑到红外热成像技术探测能力强，作用距离远，白天黑夜均可以正常工作等优良特性，本发明实施例优选的将红外成像仪作为采集装置11。该红外热像图与物体表面的热分布场相对应，将物体表面的温度分布转换为人眼可见的目标区域图像，观测成像效果好，且不易受到雨、雾等恶劣气候条件的影响，使得航拍采集系统的鲁棒性较好。考虑到激光在大气中传输时，由于大气中物质的折射率不均匀，导致入射波波面的扰动，将造成入射波中的一部分能量在遇到大气粒子时会偏离原传播方向而向四面八方的反方向传播。本发明即是基于上述大气后向散射特性的研究通过重建激光畸变源为畸变测量提供足够的可见光波的同时进行气动激波下该畸变源所产生的波前畸变的实时测量。因此，本发明实施例所提供的气动退化图像复原校正系统包括有测量装置22，一方面重建激光畸变源，发射激光光束，并对所述激光光束聚焦处理，在气动激波层外得到对应的远场聚焦光斑，该远场聚焦光斑同大气粒子、气溶胶等物质发生相互作用后，由于根据大气后向散射现象的影响，上述物质将散射对应于远场聚焦光斑的散射光波；另一方面，上述测量装置22还用于接收上述散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前，利用透镜成像的傅里叶变换性质对畸变波前直接进行成像，成像光斑经光电转换后即为畸变波前对应的点扩散函数，其摒弃了哈特曼波前传感器在波前复原和点扩散函数计算时复杂的计算，因此可以提高系统处理带宽，降低系统的功耗。

为了便于对上述点扩散函数与目标区域图像的进一步分析处理，本发明实施例还包括有复原装置33，该复原装置33用于接收测量装置22得到的点扩散函数，同时还接收采集装置11获取的目标区域图像，通过目标区域图像、目标区域的原始图像和点扩散函数之间的卷积关系，利用反卷积技术实现对目标区域图像的高分辨力复原，得到目标区域的复原图像，复原图像质量高，提高了航拍成像系统的分辨力。

进一步的，参见图2，本发明实施例提供的测量装置22包括激光器221，该激光器221的类型和性能要求取决于具体的探测目标，上述性能指标主要有输出波长、能量及其稳定性、重复频率、光束发散角和激光脉冲宽度等等。综合考虑具体的应用场景，本发明实施例中的激光器221能够根据与上述性能指标相对应的预设指标参数发射对应的激光光束。

为了提高点扩散函数的测量精度，本发明实施例中的测量装置22还包括光束远场聚焦器222，该光束远场聚焦器222可以先用一个透镜压缩激光光束的束腰半径，再用一个长焦透镜压缩激光光束的发散角，最后通过望远镜将压缩后的激光光束进行聚焦处理，在激波层外得到小面积远场聚焦光斑，该远场聚焦光斑光强分布集中而能量密度极大、定向发光、亮度极高、颜色极纯，从而进一步提高了远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前对应的点扩散函数的测量精度。

考虑到传统的采用哈特曼波前传感器在测量到波前畸变信息后，还需要通过相关的处理装置进行畸变信息的复原以得到畸变波前，操作复杂度较高且由于该波前传感器自身的特性导致光斑阵列对应的光照能量分散，信噪比较低，为了解决上述问题，本发明实施例中的测量装置22采用第一镜头223和图像传感器224进行波前畸变对应的点扩散函数的直接测量。具体的，上述第一镜头223接收远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前，根据光学原理对畸变波前进行处理，得到激光光斑信号，而图像传感器224则接收上述激光光斑信号，将对应的光强信号转化为电信号，得到畸变波前对应的点扩散函数。

其中，考虑到CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)器件具有光照灵敏度高、噪音低等优点，参见图3，本发明实施例所提供的图像传感器224优选的采用CCD相机，且CCD相机的靶面设置于上述第一镜头223的焦面处，根据成像镜头的光学特质，CCD相机靶面处的光强分布对应于气动激波层扰动形成的光斑的点扩散函数。

此外，通过畸变波前在第一镜头223的焦面只呈现一个光点，相比微透镜阵列所对应的多个光斑而言，能量更为集中，信噪比较高，得到的光强分布稳定性好且直接得到了畸变波前对应的点扩散函数，且同样精度条件下，测量对光能量需求减少，降低了激光发射系统的功率；同样入射光能量的条件下，提高了系统的信噪比，从而提高了点扩散函数的测量精度。与再次进行畸变信息的复原处理而间接得到点扩散函数而言，简化了操作步骤，且成本较低、小型化，实用性更强，更能满足用户的需求。

进一步的，参见图4，上述图像传感器224包括光电转换器2241、信号放大模块2242、采样模块2243和分析模块2244，该光电转换器2241用于接收第一镜头223聚焦呈现的激光光斑信号，对该激光光斑信号进行光电转换处理，得到电脉冲信号。

考虑到信号传输过程中不可避免的衰减，本发明实施例所提供的气动退化图像复原校正系统还包括信号放大模块2242，该信号放大模块2242对上述电脉冲信号进行放大处理，根据预设放大倍数，得到放大的电脉冲信号。

另外，为了更好的进行信号的分析与处理，本发明实施例还包括采样模块2243，以根据预设空间间隔对上述放大后的电脉冲信号进行采用处理，得到离散的数字电信号，然后再通过分析模块2244与上述采样模块2243的连接关系，得到激光光斑信号的光强能量分布，其中，该光强能量分布对应于上述点扩散函数。

进一步的，为了更好的进行目标区域图像的采集，参见图5，本发明实施例提供的采集装置11包括第二镜头111、红外探测器112和信号处理器113；其中，

上述第二镜头111用于接收目标区域发送的目标光波，将目标光波发送至红外探测器112，该红外探测器112则提取目标光波对应的红外辐射热量，将红外辐射热量转换为相应的模拟电信号，通过信号处理器113将上述模拟电信号转换为对应的数字信号，对该数字信号进行分析处理，得到与之相对应的目标区域图像。

值得提出的是，为了更好的保证系统校正的精确性与准确性，本发明实施例优选的将第二镜头111与上述第一镜头223选用相同的光学参数，上述光学参数至少包括焦距参数。

进一步的，为了保证图像传感器224有足够的可见光波实现波前畸变的测量的同时又能够确保采集装置11有足够的光能进行成像，上述复原校正系统还包括分光镜44，参见图3，该分光镜44由光学玻璃镀膜制成，其分别接收远场聚焦光斑的散射光波经过气动激波层后产生的畸变波前和目标区域的目标光波，通过光谱空间色散原理根据不同的光谱特性分布将畸变波前与目标光波分别进行分离处理，得到畸变波前的可见光部分对应的可见光波和目标光波的不可见光部分对应的红外光波。其中，通过分光镜44的分离作用，使得重建的激光畸变源具有足够的可见光波以保证点扩散函数测量的准确度和精确度；且使得采集装置11具有足够的红外光波进行成像，两份光波则可以无干扰的独立工作，更好的确保了下一步的分析处理。

另外，为了保证分光镜44和第一镜头223的匹配设置，本发明实施例提供的气动退化图像复原校正系统还包括有光学匹配装置55，参见图3，该光学匹配装置55由一系列光学器件组成，用于将分光镜44分离出的可见光波能够匹配的发送至第一镜头223中。其中，上述匹配设置是指分光镜44发送端与第一镜头223的接收端相配套。

进一步的，参见图6，本发明实施例所提供的复原装置33包括处理器331和显示器332；其中，

上述处理器331分别接收测量装置22输出的点扩散函数和采集装置11发送的目标区域图像，然后再根据目标区域图像、点扩散函数以及目标区域的原始图像之间的卷积关系，通过对目标区域图像与点扩散函数进行反卷积运算处理，得到与目标区域图像对应的目标区域的复原图像，最后通过显示器332将该复原图像实时的进行显示，复原校正过后的上述复原图像的质量较好，使得航拍成像系统的分辨力较高，其中，上述显示器332可以是计算机的显示屏，也可以是任何具有显示功能的显示器件。

本发明实施例提供的基于直接点扩散函数的气动退化图像复原系统，与现有技术中的气动光学效应校正装置采用造价昂贵的哈特曼波前传感器进行波前畸变的测量，需要初始化且无法直接得到点扩散函数而导致装置操作复杂度较高相比，其通过重建激光畸变源为测量装置22的畸变测量提供足够的可见光波，且上述测量装置22能够直接得到畸变波前对应的点扩散函数；又通过上述采集装置11得到目标区域图像；最后利用复原装置33进行目标区域图像与点扩散函数之间的反卷积运算，以实现退化图像实时高效的复原校正，上述复原校正系统通过透镜直接获取畸变波前的点扩散函数并通过图像反卷积的方法实现了退化图像的高效复原校正，整个系统复杂度较低，且小型化、成本较低而实用性较强。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明创新点，并且在实际系统中得到了应用：

其它装置需要通过哈特曼波前传感器先测量畸变波前，然后再通过畸变波前计算点扩散函数，最后将受到气动激波层扰动的目标区域模糊的图像与点扩散函数进行反卷积运算，得到清晰的图像，实现像清晰化处理。

总之，本发明与现有装置之间的差别在于采用了更简单实用的点扩散函数测量方法，即利用透镜成像的傅里叶变换性质对畸变波前直接进行成像，成像光斑经光电转换后即为畸变波前对应的点扩散函数。与前面的方案相比，主要有以下两个优点：

(1)哈特曼波前传感器需要光斑阵列测量畸变波前进而得到点扩散函数，本发明只需要单个光斑就可以得到点扩散函数，同样精度条件下，测量对光能量需求减少，降低了激光发射系统的功率；同样入射光能量的条件下，提高了系统的信噪比，从而提高了点扩散函数的测量精度。

(2)本发明利用透镜成像的傅里叶变换性质对畸变波前直接进行成像，成像光斑经光电转换后即为畸变波前对应的点扩散函数。摒弃了哈特曼波前传感器在波前复原和点扩散函数计算时复杂的计算，因此可以提高系统处理带宽，降低系统的功耗。

综合起来，本发明可以降低系统复杂度、容易实现系统的小型化、高可靠性和低成本。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。