主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置及方法与流程

本发明涉及通过主动波前探测、安装结构以及图像处理方法而实现气动光学效应补偿进行成像的领域。

背景技术：

现代飞行器朝着高速高加速方向发展，而气动光学效应影响着光学成像探测技术在高速飞行器上的应用。新一代的高速飞行器大多采用红外成像末制导系统，它具有制导精度高，能够实现自动目标图像识别等优点，当红外光学成像系统随着飞行器在大气层内高速飞行时，其光学头罩与来流之间形成复杂的流场，对红外成像探测系统造成光学波前传输畸变或者传输干扰，使得光线进入传感器的能量发生变化，反映在图像上即焦平面像点强度分布扩散，峰值减少，产生像偏移、像抖动和图像模糊，这种效应称为气动光学效应。

经对现有技术文献的检索发现，目前对气动光学效应进行补偿的红外成像装置大多是在现有的成像装置上通过图像处理的方式进行，如“基于频域共轭梯度法的交替迭代复原算法研究”，洪汉玉，《计算机工程与应用》，第43卷第2期，2007年2月，该方法采用单帧图像，利用图像和点扩展函数的气动光学先验知识进行盲目反卷积复原，提出了一种基于空域、频域交互迭代的改进复原算法，将共轭梯度法引入到图像的频域复原过程中，并将带限滤波、正则性约束等融合到对点扩展函数的估计过程中，可以提高算法的抗噪性和恢复复杂背景图像的能力。

然而，研究发现，现有技术采用交替迭代的方法估计点扩散函数和目标图像函数，相对于传统的盲目去卷积方法其抗噪性和稳定性较好，但是存在以下问题：(1)场景适应性：因为点扩散函数不是实时测量出来的，是根据一些约束条件进行迭代估计，而气动光学带来的成像条件变化迅速而复杂，若当前成像不满足所设定的约束，复原效果会变差，甚至无法收敛；(2)实时性：由于复原过程需要交替迭代运算，运算复杂，且收敛速度又与场景等因素有关，难以满足弹上应用的高实时性需要。

技术实现要素：

针对现有技术场景适应性差、实时性不够的问题，本发明提出了一种主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置及方法，通过发送和接收穿过气动光学效应区域的激光，实时获取气动光学效应畸变参数，获取畸变点扩散函数，用于图像去卷积完成实时图像恢复。

本发明的一个技术方案是提供一种主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置，包含：

激光/红外共口径装置，采用折返式光学系统来接收目标红外辐射能量以及激光后向散射能量，其中通过次镜后设置的二色分光镜将激光与红外能量分离；

激光发射装置，进一步包含激光器及发射系统；所述激光器根据预定指标参数发射激光光束，所述发射系统的透镜将激光器输出的激光进行准直和扩束，在气动光学湍流区域外形成激光光斑；

波前光电传感器，对大气粒子散射的准直激光光束的散射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前进行接收，并提取所述畸变波前中的偏离参数；

红外探测器，提取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相应的数字信号；

图像校正电路，接收红外目标原始数据和从畸变波前中提取的偏离参数，并对所述原始数据和偏离参数进行单帧实时反卷积运算，获得复原图像，实现对气动光学效应的实时补偿。

本发明的另一个技术方案是提供一种退化图像补偿方法，是在红外成像装置的图像校正电路中，运行包含以下步骤的图像实时复原算法：

s1、实时获取气动光学畸变点扩散函数；

采集所述波前光电传感器提供的从畸变波前中提取的偏离参数，通过波前重构获得畸变波前相位，再进行傅里叶变换得到表征气动光学效应的点扩散函数；

s2、维纳滤波恢复图像

根据光学系统传递函数是所述点扩散函数的傅里叶变换关系，计算出气动光学效应影响下的系统光学传递函数h(f)，

再通过公式得到复原图像的傅里叶频谱，

式中h^*(f)是h(f)的共轭，i(f)是红外探测器同时获得的受气动光学效应影响的图像数据，γ(f)为抑制测量噪声对恢复图像高频成分的影响的一个函数；对恢复图像频谱θ(f)进行傅里叶逆变换得到气动光学效应补偿的红外成像。

本发明所述主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置及方法，其优点在于：

与现有技术中的交替迭代的方法估计点扩散函数和目标图像函数而导致气动光学效应补偿效果场景适应性差、实时性较低相比，本发明的实施例采用激光主动探测的方式获得气动光学湍流场的图像退化点扩散函数、通过维纳滤波的方法对红外气动光学效应进行实时补偿，通过激光测量气动光学效应湍流区域的波前畸变信息，采用激光/红外共口径光学系统对目标红外和激光后向散射信息进行接收，波前光电传感器高效实时获得气动光学效应所致的波前畸变信息，红外探测器同步地获取退化的红外成像，随后在图像校正电路中利用维纳滤波原理进行实时解卷积，实现高精度、高速实时的红外气动光学效应补偿效果。

附图说明

图1给出了本发明实施例所提供的一种主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置的结构示意图；

图2、图3分别给出了本发明实施例所提供的一种光电波前传感器(哈特曼-夏克波前传感器)对应参考波前及气动光学效应畸变波前的光斑图像示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1所示，本发明的实施例提供了一种主动探测气动光学效应并实时补偿的红外成像装置，该装置具体包括：激光/红外共口径光学装置、激光发射装置、波前光电传感器6、红外探测器10与图像校正电路8等部分。

所述的激光/红外共口径光学装置采用折返式光学系统，用于接收目标红外辐射能量以及激光后向散射能量(符号2示出激光/红外辐射)，次镜后的二色分光镜5将激光与红外能量分离。示例的红外光学系统入瞳d＝85mm，焦距f＝170mm，视场±1.96°；激光接收系统入瞳d＝85mm，焦距f’＝230mm，视场角为0.2865°。

所述的二色分光镜5由光学玻璃镀膜制成，其分别接收大气粒子反射的准直激光光束的散射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前和目标红外光波，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红外分别进行分离处理，得到畸变波前的可见光部分对应的可见光波和目标红外光波。

所述的激光发射装置，包含激光器7和发射系统4，激光器7根据预定指标参数发射激光光束，发射系统4的透镜将激光器7输出的激光进行准直和扩束，在气动光学湍流区域3外形成激光光斑1。示例的激光器7输出波长：1.06μm，脉冲能量：200μj，峰值功率：44kw，脉冲宽度：4.5ns，重复频率：1000hz，发射系统4的透镜口径6mm。

参见图2、图3，所述的波前光电传感器6用于接收大气粒子散射的所述准直激光光束的散射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前30，提取所述畸变波前中的偏离参数；所述的波前光电传感器采用哈特曼-夏克波前传感器，其中包含微透镜阵列11和可见光的光电探测器12，透镜会把入射光束分割，并在探测器靶面上形成若干子孔径目标像，先利用平面波对波前传感器进行标定，记录各子孔径成像光斑的位置(如图2中与参考波前20对应的标定光斑图像21所示)；当波前因气动光学发生畸变时，各个子孔径成像光斑会偏离标定位置(如图3中与畸变波前30对应的畸变光斑图像31所示)，偏离值对应了子孔径范围内波前的平均斜率，进而获得全孔径的相位分布，为图像校正电路解算出气动光学波前畸变的点扩散函数提供实时数据。示例的哈特曼-夏克波前传感器口径d＝44mm；子孔径数目：4×4；子孔径尺寸：d＝10.39mm，探测器像素数：64×64。

所述的红外探测器10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数字信号。示例的探测器采用法国sofradir公司320×256元碲镉汞(mct)中波红外制冷型探测器，像元尺寸30μm，响应波段3.7μm～4.8μm，探测器f/#＝2，netd≤16mk。

所述的图像校正电路8，用于接收红外目标原始数据和气动光学波前畸变偏离参数，并对所述的原始图像数据和偏离参数进行单帧实时反卷积运算，获得复原图像9，实现对气动光学效应的实时补偿。

根据运行于图像校正电路8的图像实时复原算法，实现一种退化图像补偿方法，其具体步骤如下：

(1)实时获取点扩散函数

采集波前光电传感器6提供的气动光学波前畸变偏离参数，通过波前重构获得畸变波前相位，再进行傅里叶变换得到表征气动光学效应的点扩散函数(psf)。

所述的气动光学波前畸变偏离参数，是指所述的波前光电传感器6(即哈特曼-夏克波前传感器)测量的每个子孔径的平均斜率；在自适应光学系统中，通常根据哈特曼-夏克波前传感器测量光波前在子孔径两个正交方向上的波前斜率来间接测量波前相位，可以用矩阵表示为：g＝zα，式中z是维数为2m×n的泽尼克模式响应矩阵，g＝[g1x,g1y,g2x,g2y,...,gmx,gmh]^t是波前斜率向量，α＝[α2,α3,...,αn+1]^t为n阶泽尼克模式系数矩阵；

因此，可以通过哈特曼-夏克波前传感器测量的波前斜率复原出各阶泽尼克模式系数，用矩阵形式表示为α＝z^-1g，z^-1是模式斜率响应矩阵z的伪逆矩阵；取35阶泽尼克模式；畸变波前相位分布通过公式φ＝zerα计算，式中zer＝[z1,z2,...,zn]为泽尼克基元波面；

进而得到规格化瞳函数p(x)＝w(x)exp{jφ(x)}，

式中，是瞳函数，d是波前探测系统口径；

对其进行傅里叶变换计算出气动光学波前畸变点扩散函数：式中表示傅里叶变换。

(2)维纳滤波恢复图像

根据光学系统传递函数(otf)是点扩散函数(psf)的傅里叶变换关系，计算出气动光学效应影响下的系统光学传递函数再通过公式得到复原图像的傅里叶频谱，式中h^*(f)是h(f)的共轭，i(f)是红外探测器同时获得的受气动光学效应影响的图像数据，γ(f)为抑制测量噪声对恢复图像高频成分的影响一个函数，取常数值0.0001；对恢复图像频谱θ(f)进行傅里叶逆变换得到气动光学效应补偿的红外成像。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。