一种反差约束的气动热辐射校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气动光学、信息处理和航天科技相结合的交叉科学技术领域，具体涉 及一种反差约束的气动热辐射校正方法，该方法可应用于高速飞行器遥感、探测、导航和制 导时的图像预处理过程中。
【背景技术】
[0002] 气动光学是空气动力学与光学相结合的交叉学科，高速飞行器在大气层中飞行时 会产生严重的气动光学效应，严重影响光学成像探测系统的成像质量。因此，气动光学效应 及其校正方法是该学科研究的重要方向，同时也是制约高速飞行器发展应用的主要技术难 题之一。
[0003] 带有光学成像探测系统的高速飞行器在大气层内飞行时，光学窗口与气流之间的 相互作用形成复杂的流场。由于空气粘性的作用，与光学窗口表面相接触的气流将受到阻 滞，使得气流速度降低，在光学窗口表面附近形成边界层。边界层内具有很大速度梯度的各 层会产生强烈的摩擦，气流的动能不可逆转地变为热能，造成窗口壁面温度的升高。高温气 流将不断向低温壁面传热，引起很强的气动加热。光学窗口被气动加热而处于严重的气动 热环境中，产生热辐射噪声，降低光电探测系统的信噪比和图像质量。
[0004] 飞行速度越大，气流在飞行器表面加热的程度就越严重。窗外气流的辐照度和窗 口的辐照度与背景的辐照度迭加，成像传感器将进入非线性区或饱和，造成景物有效信息 的丢失，以及信噪比、信杂比的降低，使其探测性能下降。因此，需要对成像传感器获取的图 像进行气动热辐射校正，以提高图像质量。由于气动热辐射的退化模型是未知且随机变化 的，退化图像还含有其他噪声，增加了图像恢复或校正的难度。另外，针对高速飞行器，尤 其是高超音速飞行器的特定应用环境，其成像系统的高帧频特性，要求校正算法必须具有 极高的实时性。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种反差约束的气动热辐射 校正方法，解决现有气动热辐射校正方法在处理强热辐射效应时效果差，并且在处理大型 图像时校正效率低的问题，可用于对高速飞行器遥感、探测、导航和制导时获取的图像进行 气动热辐射校正。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种气动热辐射校正方法，其特征在于，包括如下 步骤：
[0007] (1)滤除原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像乏，以克服噪声在 热辐射场估计过程中产生的不利影响；
[0008] (2)从滤波图像立中估计得到原始气动热辐射图像Z的气动热辐射场出，进而得到 初校正图像SiiZ-Bu
[0009] (3)求解气动热辐射场出的辐射中心区域，根据气动热辐射场出的辐射中心区域， 将原始气动热辐射图像Z和初校正图像Sjij分为对等的图像块；
[0010] (4)分别计算原始气动热辐射图像Z的图像块的反差值以及初校正图像Si的图像 块的反差值，得到原始气动热辐射图像Z的图像块相对于初校正图像Si的对应图像块的反 差值变化；
[0011] (5)对比辐射中心区域对应的图像块的反差值变化与非辐射中心区域对应的图像 块的反差值变化，在二者的差异均小于或等于预定的阈值时，将初校正图像3 1作为最终的 校正结果，否则顺序执行步骤(6);
[0012] (6)由滤波图像i和气动热辐射场也得到图像
将图像Zi对应于气动热 辐射场Βι的辐射中心区域的部分作为新的滤波图像乏，从滤波图像i中估计得到初校正图 像Si的辐射中心区域残余的气动热辐射场B2，进而得到二次校正图像S2 = SX-B2。
[0013] 优选地，上述方法还包括如下步骤(7):将二次校正图像52的辐射中心区域的边缘 与初校正图像辐射中心区域的边缘进行加权处理，以消除分块带来的边缘效应，使图 像达到更高的质量。
[0014] 优选地，所述步骤(3)中，以气动热辐射场仏的辐射中心区域为中心，将原始气动 热辐射图像Z和初校正图像Si划分为对等的图像块，使原始气动热辐射图像Z的与气动热辐 射场的辐射中心区域对应的图像块在原始气动热辐射图像Z的所有图像块的中心，使初 校正图像3 1的与气动热辐射场也的辐射中心区域对应的图像块在初校正图像&的所有图像 块的中心。
[0015] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果:通过统计不同强度下的气动热辐射图像的特点，发现气动热辐射效应越强的图像，其反 差越小的特点；在使用梯度拟合算法进行热辐射校正时，发现其时间消耗随着拟合曲面阶 数的增长和图像大小的增长均呈指数增长趋势，本发明能快速有效地对气动热辐射图像进 行恢复，显著提高图像的信噪比和图像质量。
【附图说明】
[0016] 图1是对输入图像加入逐渐增强的辐射照度曲面，并计算其反差值变化情况得到 的图像反差值随气动热辐射强度变化的曲线；
[0017] 图2是梯度最小二乘拟合校正方法耗时随拟合阶数K变化曲线图；
[0018] 图3是梯度最小二乘拟合校正方法耗时随图像大小变化曲线图；
[0019] 图4是本发明实施例的反差约束的气动热辐射校正方法流程图；
[0020] 图5是加权平方最小化(WLS)滤波效果图，其中，（a)为原始图像，（b)为滤波图像；
[0021] 图6是反差约束的气动热辐射校正方法示例，其中，（a)为基准图像，（b)为气动热 辐射退化图像，（c)为(b)加权平方最小化滤波结果，（d)为(b)经过K = 2的情况下，梯度拟 合气动热辐射曲面的初校正结果，（e)为(d)根据Κ = 2拟合的气动热辐射场和初校正结果进 行分块的示意图，（f)为对(e)中心区域进行二次校正的结果图，（g)为(e)进行边缘融合的 结果图，（h)为(g)中取一列像素显示，以验证气动热辐射校正结果的效果图；
[0022]图7是反差约束下的气动热辐射校正与无约束的气动热辐射校正方法对比图，其 中，（a)为K = 9的校正结果图，（b)为反差约束的校正图，（c)为分别取基准图像，无约束校正 图像，反差约束校正图像的一列像素显示效果图；
[0023]图8是电弧风洞实验效果图，其中，（a)为电弧风洞气动热辐射图像，（b)为无约束 校正结果，（c)为反差约束校正结果，（d)为取一列像素显示效果图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]本发明基于热辐射校正的如下三个特点：（1)图像反差值随气动热辐射强度的增 大逐渐减小，如图1所示；（2)在进行梯度拟合校正热辐射时，时间随拟合阶数K呈指数增长， 如图2所示；（3)在进行梯度拟合校正热辐射时，校正时间随图像大小呈近似指数增长，如图 3所示，提出反差约束的气动热辐射校正方法。
[0026] 如图4所示，本发明实施例的反差约束的气动热辐射校正方法包括如下步骤：
[0027] (1)由于气动热辐射场的低频特性，利用基于加权平方最小的图像平滑算法滤除 原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像i，以克服噪声在热辐射场估计过程 中产生的不利影响；
[0028] 具体地，滤波图像i表示为：
[0029]
[0030] 其中，I为单位矩阵，λ为光滑参数，λ越大滤波后的图像越光滑，此例设为〇.〇〇2， L = D: W,D、. -l_ D( WJ,，Dx和Dy分别为图像坐标系X方向和y方向的前向差分算子，1和^分 别为图像坐标系X方向和y方向的加权系数对角矩阵。
[0031] 具体地，WX的第i行对角元素的值：
wy的第i行对角元素的值为
?(/ Λ/ 其中，1为输入图像Ζ的对数变换，^和τ分别代表X方向和y方向的梯度， Bx dy α是用于控制滤波对原始图像梯度敏感度的常量，α越大，其对原始图像的梯度越敏感，滤波 后的图像边缘保留越强，此例设为1.1，ε为防止分母为0的较小的常量，此例设为0.00001。
[0032] 图5为加权平方最小化滤波的处理效果图，其中，图5(a)为原始图像，图5(b)为滤 波处理后图像，从图中可以明显看出，经过加权平方最小化滤波处理后，图像的大部分细节 被滤除。根据加权平方最小化的这一特性，对气动热辐射退化图像进行该滤波处理，图6(a) 为原始的红外图像，图6(b)为气动热辐射退化图像，图6(c)为加权平方最小化滤波处理后 图像，滤除图像中的高频成分(噪声和细节），使后续步骤中对低频气动辐射场的估计更精 确。
[0033] (2)根据气动热辐射场Β能用Κ阶二维多项式拟合的特点，使用最小二乘法，从滤波 图像#中估计得到原始气动热辐射图像Ζ的气动热辐射场Β，本步骤中我们设Κ