基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統的製作方法

2023-05-27 00:46:06

專利名稱：基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統的製作方法
技術領域：
本發明屬光學領域，涉及一種成像系統，尤其涉及一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統。
背景技術：
在成像曝光時間內，如果目標與相機之間存在相對運動，那麼最終所獲得的圖像就會是模糊降質的。有兩種途徑可以消除運動模糊對圖像質量的影響其一是使用數字圖像復原算法通過解卷積來達到去除運動模糊、恢復圖像信息的目的；其二則是依靠特定的硬體來實時補償成像曝光時間內所產生的像移，從而達到穩定成像的目的。無論使用何種方式，像移的精確探測都是至關重要的，因為像移探測對於軟體補償方法來說可以提高其圖像復原的準確度，而對於硬體補償方法來說則是非常關鍵的第一
止
少ο時至今日，已有眾多的方法被提出用於像移的探測計算，而光學聯合變換相關器 JTC(Joint Transform Correlator)就是其中之一。由於JTC既具有光學圖像處理高速度、 大容量和並行處理的特點，又具有電路控制靈活、精確、可編程的優點，因此具有很大的應用潛力，是像移探測領域的研究熱點之一。基於光學聯合變換相關器JTC的像移測量步驟可以概括為1、高速CXD相機分別採集時刻t和t+ Δ t的兩幅具有相對像移的圖像，並按照式 (一)所描述的排布形式輸入到振幅型空間光調製器中；I (x, y) = ft (χ, y-a) +ft^t (χ+ δ χ, y+a+ δ y)( — )其中(x，y)為圖像的二維坐標，a表示兩幅圖像在空間光調製器輸入面上的相對位置，δΧ和Sy分別是兩幅圖像之間在χ和y方向上的位移。2、振幅型空間光調製器作為目標源，經雷射準直平行光束照射後，由傅立葉變換透鏡完成第一次傅立葉變換，並由探測CCD相機獲得聯合變換功率譜，如式(二)所示 _ο] |Γ0,ν)|2 = \Ft(u,v)\+\Ft+M(u,v)\ + Ft+MF； ■ exp[ 2π·[m^x + (2α + ν]} ( 二 )其中u，ν是傅立葉變換頻譜坐標，Ft (u，ν)和Ft+.t(u,v)分別對應於ft和ft+.t的頻譜，而*則表示復共軛。3、聯合變換功率譜|T(u，v) I2被作為新的輸入圖像再次送入到振幅型空間光調製器中，之後由傅立葉變換透鏡實施第二次傅立葉變換就可以在CCD相機上得到互相關峰圖像，如式(三)所示C(x, y) = ft ft+/ +Δ / +Δ +ft ft+ht*d(x-dx,y-2a-dy)+ft+ht ft*d(x+dx,y+2a+dy)(三)在式(三)中，前兩項為圖像ft和ft+,t的自相關項，而後兩項則對應於它們的互相關項。可以看到，互相關峰的位置包含了 ft和間的相對位移信息。因此，通過質心提取算法來精確定位互相關峰的位置，兩幅圖像之間的像移就可以被計算出來。
基於JTC的像移探測具有很強的環境適應性，可以適用於極低信噪比的情況，但是一旦涉及到CCD相機成像，離焦就是一個無法迴避的問題。裝較不到位，或者過度振動，都會導致CCD相機在接收聯合變換功率譜和互相關峰圖像時出現離焦。離焦會導致互相關圖像的信噪比降低，從而影響質心提取的精度，進而影響到像移探測的穩定性。當系統正焦時，得到的互相關峰是非常明顯的，一旦出現離焦， 那麼就會在背景中產生許多虛假的次峰從而對提取真正互相關峰的位置造成幹擾。傳統JTC具有兩次CXD成像過程，所以可能兩次引入離焦。

發明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種可消除系統對離焦的敏感以及提高其像移探測穩定度的基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統。本發明的技術解決方案是本發明提供了一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，其特殊之處在於所述基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統包括雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器、相位調製反射式空間光調製器、傅立葉變換透鏡以及CCD相機；所述雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器以及相位調製反射式空間光調製器依次設置於同一光路上；所述傅立葉變換透鏡設置於相位調製反射式空間光調製器的反射光路上；所述CXD相機與傅立葉變換透鏡設置於同一光路上。上述基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統還包括與CXD相機相連的用於實施數字傅立葉變換並進行像移計算的數字處理單元。本發明的優點是本發明提供了一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，該系統針對離焦對JTC像移探測性能的影響提出了兩點改進1)將式(三)所對應的第二次光學傅立葉變換由數字傅立葉變換替代，從而避免了獲取互相關峰圖像時再次引入離焦的可能；2)系統在傅立葉變換透鏡前引入一塊相位調製反射式空間光調製器。該空間光調製器產生的隨時間變化的相位調製中包含有隨機產生的最大值為W20的離焦相位差。研究表明，在較短的時間間隔內，不同的隨機相位調製將產生不同的互相關峰圖像。將這些互相關峰圖像進行空間域平均，並以平均互相關峰圖像為基礎進行質心提取和像移計算，就能夠大大弱化系統對離焦的敏感性而提高像移探測的穩定度。本發明提出了一種改進的基於光學聯合變換相關器JTC (Joint Transform Correlator)的像移探測成像系統。與已有的基於JTC原理的像移探測成像系統的最大區別在於引入數字處理單元，將第二次光學傅立葉變換由數字傅立葉變換取代，從而消除了二次引入離焦的可能；在傅立葉變換透鏡之前添加了一塊相位型空間光調製器，並由此產生時變的含有隨機離焦相位差的相位調製。通過將對應於不同相位調製的多組互相關峰圖像先進行平均處理，之後在此基礎上進行像移提取計算，就能夠達到使像移探測成像系統對離焦不敏感的目的，從而使像移探測的穩定度增強。


圖1是本發明所提出的新型像移探測成像系統的原理圖2是本發明與傳統JTC像移探測結果的對比圖；其中1-雷射器平行光管；2-振幅調製透射式空間光調製器；3-相位調製反射式空間光調製器；4-傅立葉變換透鏡；5-CXD相機。
具體實施例方式參見圖1，本發明提供了一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，包括雷射平行光管1、振幅調製透射式空間光調製器2、相位調製反射式空間光調製器3、傅立葉變換透鏡4以及CXD相機5 ；雷射器平行光管1、振幅調製透射式空間光調製器2、相位調製反射式空間光調製器3、傅立葉變換透鏡4以及CXD相機5依次位於同一光路中。本發明所提供的基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統還包括與CCD相機6相連的數字處理單元，該數字處理單元用於實施數字傅立葉變換，並進行像移計算。該像移探測成像系統其特徵在於(1)首先通過一次光學傅立葉變換獲得聯合變換功率譜，之後將其輸入到數字處理單元再經過一次數字傅立葉變換得到互相關圖像；(2) 在距離傅立葉變換透鏡之前加載一塊相位型空間光調製器，並由此引入時變的含有離焦相位差的隨機相位調製；在較短的時間間隔內，將對應於不同隨機相位調製的多幅互相關峰圖像進行平均，並以平均互相關峰圖像為基礎提取像移矢量，就能夠使系統變得對離焦不敏感，進而增強了像移探測的穩定度。在該像移探測成像系統中，由相位型空間光調製器引入的隨機相位調製，其特徵在於其二維相位函數矩陣中的每個點的相位調製強度均是由一個相同的固定值疊加微小的隨機擾動和隨機離焦相位差來獲得的，如下所示f (x, y, t) = α +β · rand (χ, y, t)+ff20 『 y (t) · (x2+y2) | χ |，y < 1 β << α式中，α是固定的相位調製強度，β是隨機擾動強度，W2tl是最大離焦相位差係數， t是時間變量，rand表示均勻分布概率密度函數，其值位於0 1之間。γ也是一個概率密度函數符合均勻分布的隨機變量，用以產生時變的隨機離焦相位差。X與1為相位型空間光調製器所在平面歸一化後的坐標。本發明所提出的改進的基於光學聯合變換相關器JTC的像移探測成像系統的原理框架如圖1所示。與傳統的JTC像移探測成像系統的根本差異在於兩點其一是本系統僅包含一次光學傅立葉變換過程，在獲得了聯合變換功率譜之後，直接將其送入數字處理單元通過數字傅立葉變換來獲得互相關圖像。其二是在傅立葉變換透鏡之前引入一塊由計算機控制的相位型空間光調製器3，用以產生抑制離焦像差的隨機相位分布。在圖1中，1是雷射平行光管，用於產生準直擴束後的單色雷射；單元2是振幅調製透射式空間光調製器，被輸入圖像後作為目標源；單元3是相位調製反射式空間光調製器，用以產生時變的包含有離焦相位差的隨機相位調製；單元4是傅立葉變換透鏡，用於完成光學傅立葉變換來最終獲得互相關峰圖像；單元5是高速CCD相機，用於接收聯合變換功率譜。在獲得聯合功率譜之後，將其送入數字處理單元，通過數字傅立葉變換來得到互相關峰圖像，進而計算出相應的像移大小。其中，振幅型空間光調製器2，相位調製反射式空間光調製器3以及傅立葉變換透鏡4在保持其有效物理間隔的前提下，儘可能靠近以減小整個系統的體積。
相位調製反射式空間光調製器3所引入的二維相位函數矩陣中的每個點的相位調製強度均是由一個相同的固定值疊加微小的隨機擾動和隨機離焦相位差來獲得的，如下所示f (x, y, t) = α +β · rand (χ, y, t)+ff20 『 y (t) · (x2+y2) | χ |，y < 1 β << α式中，α是固定的相位調製強度，β是隨機擾動強度，W2tl是最大離焦相位差係數， t是時間變量，rand表示均勻分布概率密度函數，其值位於0 1之間。γ也是一個概率密度函數符合均勻分布的隨機變量，用以產生時變的隨機離焦相位差。X與1為相位型空間光調製器所在平面歸一化後的坐標。在使用本發明所提出的JTC系統進行像移探測時，其關鍵之處在於首先通過前置高速圖像獲取裝置採集到時間間隔為At內的兩幅圖像，之後將其按照式(一)組合成一個整體並作為新的圖像輸入到振幅型空間光調製器中；同時要求相位型空間光調製器在 Δt時間內以較高的速度隨機地產生多組包含隨機離焦相位差的相位調製。從理論上來說，在At時間內使用越多的對應於不同相位調製的互相關圖像進行平均，那麼對離焦的抑制效果就會越好，但是這樣對器件，尤其是相位型空間光調製器的要求就會變得非常苛刻。舉例來說，如果前置高速圖像採集裝置的幀率為80Hz，也就是說At 為12. 5ms，那麼假設要產生25組對應於不同相位調製的互相關圖像，相位型空間光調製器的刷新幀率必須達到2000Hz才能夠滿足要求。如果前置採集裝置的幀率上升到300Hz，同時依然需要25幅互相關圖像，那麼相位型空間光調製器的刷新率就必須達到7500Hz才能滿足要求。研究表明，由相位型空間光調製器產生的隨機相位調製並不是在每一個時刻都具有對離焦的抑制能力，甚至某一種模式的相位分布就可以抑制足夠大範圍內的離焦。因此，實際上並不需要相位型空間光調製器以那麼高的頻率在At時間間隔內不斷地改變其相位分布狀態。這樣，在前置圖像採集裝置的幀率進一步提升以捕獲更高頻的像移變化時 (比如上述300Hz)，如果僅要求使用5組互相關峰圖像來進行平均處理，那麼相位型空間光調製器的刷新頻率只要達到1500Hz就可以了。調研表明，現有相位型空間光調製器(如美國BNS公司的產品)其採用PCIE總線進行通信時，輕易可以達到1600Hz以上，而且隨著技術逐漸的成熟，其速度會進一步提高。傳統JTC的測量結果用藍色點劃線表示，新型JTC的測量結果用紅色實線表示。其中由相位型空間光調製器產生的隨機相位所包含的離焦相位差的範圍為0 30 π。其水平和垂直像移測量結果分別如圖2. 1-2. 4所示，其中縱坐標是像移大小，橫坐標是圖像對索引編號。圖2. 1和圖2. 2使用了 25組對應於不同隨機相位調製的互相關峰圖像，而圖2. 3和圖2. 4則僅使用了 5組。如圖2. 3和圖2. 4所示，其中只用了 5組互相關峰圖像，也達到了較為理想的離焦抑制效果。由圖2可知，當通過相位型空間光調製器模擬0 30 π的離焦相位差時，本發明所提出的JTC系統所獲得的像移計算結果與參考數據吻合得非常好。因此，首先通過在傅立葉變換透鏡前加載一塊相位型空間光調製器，並由此產生時變的隨機相位調製，之後使用多幅對應於不同相位調製的互相關圖像進行平均處理並同時實施像移量的反演，就可以大大改善基於JTC像移探測成像系統的性能，使之對離焦不敏感，從而提高了 JTC系統進行像移探測的穩定性。所以，本發明的提出對於JTC像移探測系統的發展來說是一個有益的補充。
權利要求
1.一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，其特徵在於所述基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統包括雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器、相位調製反射式空間光調製器、傅立葉變換透鏡以及CCD相機；所述雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器以及相位調製反射式空間光調製器依次設置於同一光路上；所述傅立葉變換透鏡設置於相位調製反射式空間光調製器的反射光路上；所述CCD相機與傅立葉變換透鏡設置於同一光路上。
2.根據權利要求1所述的基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，其特徵在於所述基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統還包括與CCD相機相連的用於實施數字傅立葉變換並進行像移計算的數字處理單元。
全文摘要
本發明涉及一種基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統，該系統包括雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器、相位調製反射式空間光調製器、傅立葉變換透鏡以及CCD相機；雷射平行光管、振幅調製透射式空間光調製器以及相位調製反射式空間光調製器依次設置於同一光路上；傅立葉變換透鏡設置於相位調製反射式空間光調製器的反射光路上；CCD相機與傅立葉變換透鏡設置於同一光路上。本發明提供了一種可消除系統對離焦的敏感以及提高其像移探測穩定度的基於光學聯合變換相關器的像移探測成像系統。
文檔編號G01B11/02GK102288117SQ201110169909
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月23日 優先權日2011年6月23日
發明者易紅偉, 李英才, 趙惠 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所