一种远距离抗大气湍流的成像方法及系统与流程

本发明涉及一种成像方法及系统，属于关联成像算法领域。

背景技术：

传统成像利用光学系统将目标物的影像聚焦在成像元件上，其成像的像质将受大气湍流强度的影响，造成图像模糊、细节展示不清楚、对比度低、无法识别目标等问题。关联成像是目标物体与光学点扩散函数卷积，与传统成像相比，关联成像能够在一定程度上降低大气湍流的影响，但其在实际实用中仍然受到限制，主要因素包括：(1)赝热光源的亮度受限，无法实现远距离成像；(2)高亮度赝热光源调制速度受限，无法实现快速成像；(3)现有探测器无法在一个皮秒相干时间内完成对光场的连续直接记录，无法利用现有技术将太阳光关联成像实用化。

为了解决以上问题，2012年美国罗彻斯特大学boyd团队发表文章表明利用响应速度比光场涨落慢的探测器探测光场信息，不影响关联成像结果。这使得同时具有高亮度、高速涨落和完全非相干的太阳光场用于实现关联成像成为可能。为验证在远距离条件下大气湍流关联成像可行性，本发明提出了一种新的太阳光场下抗大气湍流的成像方法。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种远距离抗大气湍流的成像方法及系统，在太阳光场下利用点对点自关联成像，消除了大气湍流的影响，增强了图像对比度。

本发明的技术解决方案是：一种远距离抗大气湍流的成像方法，包括步骤如下：

步骤一、采用探测器，在太阳光场下，对探测目标进行n次连续成像；n为正整数；

步骤二、利用探测器获取n次连续成像区域内的像素点(m，n)的光强iccd⁽ⁱ⁾(m,n)，i∈[1,n]；m，n分别表示像素点的坐标；

步骤三、计算成像区域内像素点(m，n)的光强方差σ²(m,n)；

步骤四、输出光强方差，得到图像。

所述探测器采用ccd或cmos探测器，曝光时间为t。

所述步骤一中，相邻两次成像间隔时间大于探测器曝光时间t。

n≥100。

所述光强方差计算公式为：

σ²(m,n)＝<[iccd⁽ⁱ⁾(m,n)]²>-<iccd⁽ⁱ⁾(m,n)>²，

其中，

一种远距离抗大气湍流的成像系统，包括像素点采集模块、图像输出模块：

像素点采集模块，采用探测器，在太阳光场下，对探测目标进行n次连续成像；并利用探测器获取n次连续成像区域内的像素点(m，n)的光强iccd⁽ⁱ⁾(m,n)；

其中，i∈[1,n]，m，n分别表示像素点的坐标；n为正整数；

图像输出模块，用于计算成像区域内像素点(m，n)的光强方差σ²(m,n)，输出光强方差，得到图像。

所述探测器采用ccd或cmos探测器，曝光时间为t。

所述像素点采集模块中，相邻两次成像间隔时间大于探测器曝光时间t。

n≥100。

所述光强方差计算公式为：

σ²(m,n)＝<[iccd⁽ⁱ⁾(m,n)]²>-<iccd⁽ⁱ⁾(m,n)>²，

其中，

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用了光场的强度二阶关联，消除了大气湍流对成像质量的影响，与普通相机直接成像相比，增强了图像对比度。

(2)本发明采用的光强方差计算公式实用简单，解决了目前关联成像技术计算复杂问题，可直接用于远距离图像识别领域，增加图像识别率。

附图说明

图1是本发明的成像方法流程图；

图2是本发明的测量装置图；

图3(a)是ccd单次曝光成像结果；

图3(b)强度自关联成像结果。

具体实施方式

本发明所提出的一种远距离抗大气湍流的成像方法，其光路部分与传统成像相同，利用ccd或cmos探测器获取目标物体的各点信号强度。在本实施例中，测量装置如图2所示，太阳光场经过大气湍流照射到物体表面，物体反射光经过长度l大气湍流被望远镜接收进行关联成像探测。望远镜的口径为280mm，焦距2800mm。透射光被黑白ccd相机(mer-030-120uc)记录，在相机与望远镜之间采用了焦距50mm的镜头，镜头内置光阑可限制通光孔径和光强。相机的曝光时间t＝100μs，相机的增益在不同实验条件下，根据光强进行调节后固定。

在本实施例中，成像系统距离地面高度约20m，距离目标物为l＝17.2km，目标物高度386.5m，用于成像的塔尖最后三节自上而下直径分别为0.75m，1m和2m。

太阳光作为光源，其在可见光波段0.55μm，太阳在地面相干面积的直径0.08mm，可认为是完全非相干光。考虑到日地距离1.5×10¹¹m，太阳对地球张角0.018°，可认为太阳是点光源。太阳光场照射到目标物体，物体反射光经大气传输到成像系统，成像系统即经典的相机镜头组，将图像点对点映射到相机感光面，相机的分辨率取决于成像透镜组和传感器像素点的尺寸。

定义传感器任一像素点光强iccd(m,n),其中(m，n)代表相机传感器第m行的第n列对应的像素点。假设由物体反射的光强通过大气湍流引起的相位变化在t1时刻第1次成像为iccd⁽¹⁾(m,n)，其中包含了大气折射率变化引起光强的相位扰动；在t2时刻第2次成像为iccd⁽²⁾(m,n)；依此类推，在tn时刻第n次成像为iccd⁽ⁿ⁾(m,n)。利用光场的强度二阶关联公式：

其中

n为成像次数。式(1)为光场强度涨落二阶自关联运算。式(2)对湍流引起强度变化平方项进行了系综平均，式(3)对所有n个不同时刻湍流引起的相位变化进行了系综平均后的平方。式(1)的计算结果即为湍流的方差，当大气湍流引起的随机变化满足高斯随机分布时，在小于湍流相干尺寸区域内，即本具体实施例所取成像区域，湍流引起的相位变化平均值理论上为常数，在视场内均匀分布，与空间位置(m，n)无关。因此，本发明中提到的算法公式(1)可以消除大气湍流的影响，实现更清晰的成像。

一种远距离抗大气湍流的成像系统，包括像素点采集模块、图像输出模块：

像素点采集模块，采用探测器，在太阳光场下，对探测目标进行n次连续成像；并利用探测器获取n次连续成像区域内的像素点(m，n)的光强iccd⁽ⁱ⁾(m,n)，i∈[1,n]；探测器采用ccd或cmos探测器，曝光时间为t，相邻两次成像间隔时间大于探测器曝光时间t。

其中，m，n分别表示像素点的坐标；n为正整数；n≥100。

图像输出模块，用于计算成像区域内像素点(m，n)的光强方差σ²(m,n)，输出光强方差，得到图像。

采用本发明的成像方法的流程图如图1所示，一种远距离抗大气湍流的成像方法，具体步骤如下：

步骤一、采用曝光时间为t的ccd或cmos探测器，在太阳光场下，对探测目标进行n次连续成像，相邻两次成像间隔时间大于探测器曝光时间t；n为正整数；在本实施例中t＝100μs；

步骤二、利用探测器获取n次连续成像区域内的像素点(m，n)的光强iccd⁽ⁱ⁾(m,n)，i∈[1,n]；m，n分别表示像素点的坐标；iccd⁽ⁱ⁾(m,n)表示第i次连续成像区域内的像素点(m，n)的光强；n≥100，n的上限视具体应用场景的需求而定。在本实施例中，n＝500。

步骤三、按照公式(1)计算成像区域内像素点(m，n)的光强方差；

步骤四、输出光强方差，得到图像。

直接成像结果如图3(a)所示，可以看出，大气湍流导致图像的像质较差，图像模糊、信噪比低、对比度低，且发生了几何畸变。

采用本发明的方法的成像结果如图3(b)所示，可得到高对比度和信噪比的图像像质。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。