一种气动热辐射效应的频域校正方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于航天技术与图像处理相结合的交叉科学技术领域，更具体地，涉及一 种气动热辐射效应的频域校正方法。
【背景技术】
[0002] 高超声速飞行器目前已成为世界航空航天技术的重要发展方向，在政治、军事以 及经济领域都将具有极高的战略意义。飞行器的高速飞行导致成像传感器成像品质劣化、 信噪比大幅降低等一系列的气动光学效应问题阻碍了高超声速飞行器的发展，有待解决。
[0003] 气动热辐射效应通常是指带有光学成像探测系统的高速飞行器在大气层内飞行 时，光学窗口与来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，其对成像器形成辐 射干扰，使红外图像背景亮度增加，劣化红外成像质量，严重影响高超音速飞行器导航、定 位以及探测能力。
[0004]目前已有相关文献或专利报道气动热辐射效应校正方法，但是该类方法无不存在 计算复杂、耗时长或是仅提供一种建模方法等的问题。均不适用于实时处理，因此，本领域 亟需一种实时处理的新型校正方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或不足，本发明提供了一种气动热辐射的频域校正方 法，该方法分析热辐射噪声频谱分布来构建滤波器，在频域中滤除热辐射噪声的频谱成分 来恢复出清晰图像，使得图像品质以及图像信噪比大幅提升，因而尤其适用于高超声速飞 行器在高速飞行条件下的气动热辐射效应之类的应用场合。
[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种气动热辐射的频域校正方法，其特征在于，所 述方法包括以下步骤：
[0007] (1)从实时视频图像库中获取气动热辐射退化图像f;
[0008] (2)根据所述气动热辐射退化图像f，近似化处理后得到热辐射噪声高斯曲面b，对 其进行傅里叶变换，并将其中心化频谱处理，得到热辐射噪声频谱B;
[0009] (3)通过步骤(2)得到的所述热辐射噪声频谱B，得到滤波模板约束，构建滤波器函 数H;
[0010] (4)对所述气动热辐射退化图像f进行傅里叶变换并将其中心化频谱处理，得到气 动热辐射退化图像的中心化频谱F;
[0011] (5)将所述中心化频谱F与所述滤波器函数Η点乘，得到滤波后的实时图像频谱G;
[0012] (6)对滤波后的实时图像频谱G进行中心化频谱处理，并进行傅里叶逆变换后取 模，得到热辐射校正图像g。
[0013] 作为进一步优选的，所述步骤(2)具体包括：
[0014] 首先，获取步骤（1)中所述气动热辐射退化图像的大小mXn;接着，通过高斯函数
其中，m，n分别表示二维高斯函数的行和列，〇表示其标准差，构建 一个与图像同样大小的热辐射噪声高斯曲面b，然后对该热辐射噪声高斯曲面进行傅里叶 变换，并将其中心化频谱处理，得到热辐射噪声频谱B。
[0015] 作为进一步优选的，所述步骤(3)具体包括：
[0016] (3-1)估计步骤(2)中得到的所述热辐射噪声频谱B的幅度谱f，及=|到；
[0017] (3-2)对幅度谱B进行归一化处理得到归一化幅度谱N，然后统计其直方图分布 Hist(x)，其中横坐标X为归一化后的幅度值；
[0018] (3-3)根据直方图分布Hist(x)估计分割阈值γ，利用所述分割阈值γ对归一化幅 度谱Ν进行分割，γ的取值在0~1之间；
[0019] (3-4)根据分害_值丫对归一化幅频谱Ν进行阈值分割，得到滤波模板约束冊；
[0020] (3-5)根据得到的滤波模板约束BW构建相应的滤波器函数Η，具体为：
[0021]
[0022] 其中，BW(u，v)是BW上任意一点，H(u，v)是滤波器函数Η上任意一点，（u，v)表示该 点坐标，λ表示对热辐射噪声滤除的程度，λ取值在〇~1之间。
[0023]作为进一步优选的，所述阈值分割具体包括：对于归一化幅频谱Ν中每一点 N(u,v)，如果N{u,v) 2 f，则滤波模板约束BW中对应的点BW(u，ν) =0;否则BW(u，v) = 1。 [0024]作为进一步优选的，所述滤波模板约束为二值模板约束。
[0025] 总体而言，按照本发明点的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术 优点：
[0026] 1、本申请中通过结合气动热辐射效应的频域校正的运用需求，针对气动热辐射效 应校正方法中导致算法实时性降低的复杂矩阵运算、反复迭代等操作，提出了一种只需对 图像进行一次傅里叶正反变换即可完成整个气动热辐射效应校正的方法，在有效抑制热辐 射噪声的同时，大幅度地提升了图像的信噪比，具有实时性高的特点；
[0027] 2、此外，本发明中方法通过分析热辐射噪声频谱分布来构建滤波器，在频域中滤 除热辐射噪声的频谱成分来恢复出清晰图像，这样能够在确保图像品质及图像信噪比大幅 提升的同时，最大可能的降低了校正方法的计算复杂度，显著缩短了校正时长。
【附图说明】
[0028]图1为本发明气动热辐射效应的频域校正方法流程图；
[0029]图2为近似化处理后得到的热辐射噪声高斯曲面；
[0030]图3为中心化频谱处理的过程示意图；
[0031 ]图4为图2热辐射噪声高斯曲面对应的幅度谱；
[0032]图5为滤波器函数Η的滤波模板约束BW;
[0033]图6为滤波器函数Η的三维视图；
[0034]图7基准图像；
[0035]图8为基准图像的中心化频谱；
[0036] 图9为获取的气动热辐射退化图像f;
[0037] 图10为图9的中心化频谱F;
[0038] 图11为滤波后的实时图像频谱G;
[0039]图12为气动热辐射效应频域校正后的热辐射校正图像g;
[0040]图13(a)为实施例中根据实际飞行情况仿真的气动热辐射退化图像；
[0041 ]图13 (b)为实施例中本发明方法校正后的热辐射校正图像；
[0042]图13(c)为基准图像；
[0043]图13(d)为图13(a)、图13(b)和图13(c)中同一行像素值对比结果；
[0044]图14(a)为实施例中风洞试验中红外成像系统采集的第2000帧气动热辐射图像； [0045]图14 (b)为实施例中本发明方法校正后的热辐射校正图像；
[0046]图14 (c)为实施例中风洞实验第1帧图像；
[0047]图14(d)为图14(a)、图14(b)和图14(c)中同一行像素值对比结果；
[0048]图15(a)为实施例中简单背景点源目标仿真的气动热辐射退化图像；
[0049]图15 (b)为实施例中本发明方法校正后的热辐射校正图像；
[0050] 图15(c)为点源目标基准图像；
[0051] 图15(d)图15(a)、图15(b)、图15(c)、中同一行像素值对比结果；
【具体实施方式】
[0052]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。
[0053]本发明方法通过对一系列气动热辐射退化图像和原始基准