專利名稱：一種抑制氣動光學效應的成像方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過多焦點群聚焦特性、安裝結構及圖像處理方法而實現抑制氣動光學效應進行成像的領域。
背景技術：
飛機、導彈等飛行器在大氣層中高速飛行時，除了大氣中本身的流場外，在飛行器 周圍也會產生非常復雜的氣流層，它對飛行器頭罩處的光學探測制導系統發生劇烈的作 用，使頭罩周圍的氣體密度和溫度發生巨大變化以及產生分子電離等現象，由光學理論知 光線在介質中傳播時，其傳輸特性與光線的入射方向，介質分界面的曲率半徑，介質的介電 常數以及他們的吸收損耗、散射損耗等有關。所以頭罩周圍大氣的變化導致氣體折射率發 生脈動，從而當光線進入成像頭罩時，使光的波陣面發生了畸變、傾斜和抖動，引起目標圖 像偏移、抖動、模糊，這種效應稱為氣動光學效應。新一代的飛行器大多采用紅外成像末制導系統，它具有制導精度高，能夠實現目 標圖像識別等優點。但是應用高速飛行器時也會產生一系列的氣動光學效應問題。它包括 復雜流場光學傳輸效應、激波與光學頭罩窗口氣動熱輻射效應和光學頭罩氣動熱效應。前 兩種效應使圖像模糊，偏移，抖動，后兩種效應使得頭罩和窗口溫度升高，降低了紅外輻射 導引頭對目標的探測的信噪比或者對其降溫又產生新的湍流，從而也造成了圖像模糊，偏 移和抖動，從而降低了紅外輻射導引頭對目標的探測、跟蹤和識別的能力。這些效應嚴重影 響了導引頭上的成像系統對目標的捕獲、影響了目標質心軌道和目標形狀，甚至造成飛行 器制導系統完全失效。
發明內容
為了抑制氣動光學效應對導引頭成像的干擾，利用本發明提供一種基于成模糊和 中間像然后進行圖像處理的方法和使用該方法的系統與其載體的結構的特殊的結構設計 方法，使氣動光學效應的干擾盡量得到抑制并提取出清晰的目標信息。本發明中提出了以下幾個概念模糊景深相對于清晰成像的景深的概念，模糊景深是指對于物空間的點光源，在 像空間能得到非點狀PSf的物距范圍，在整個物距范圍內，和清晰景深互補。等模糊景深模糊景深內的點光源在像面的psf近似相等的模糊景深范圍。漸增模糊景深模糊景深內的點光源在像面的psf隨物距不斷變化的物距范圍。本發明的成像技術基于一種大模糊景深的全焦距成像系統和方法，其原理之一是 實現在一定物距范圍內的成非共軛等模糊中間像，即為空不變傳遞特性，在該范圍之外像 質急劇降低，即為強烈的空變傳遞特性，該物距范圍是可控的。該等模糊中間像成像裝置的 使用一種等模糊景深紅外鏡頭，該鏡頭的特點為多焦點光學聚焦，其鏡頭曲面分為偶對稱 聚焦曲面、奇對稱聚焦曲面和奇偶對稱聚焦曲面。其原理之二是利用光電成像傳感器得到 等模糊中間像和降質模糊像，用計算機系統和與光學系統和結構匹配的算法進行數字圖像處理，對得到的圖像進行恢復和濾波，最后得到清晰的圖像。
多焦點光學聚焦鏡頭的曲面特征具體為 A偶對稱式多焦點群光學聚焦曲面或其等效曲面，其特征為符合下列數學描述(a)圓偶對稱曲面 其中z(r，辦為曲面在(r,爐)的軸向矢高，為第i段余弦曲線的軸向振幅，r,gi為第 i段余弦曲線的歸一化半徑，A為第i段余弦曲線的外端點的徑向矢高，A = 0,0 ^r ^rffl 為曲面的徑向矢高變量，!^為光瞳半徑，識為曲面的極坐標角度變量，Pdi為第i段曲面的周 期系數，Phi為第i段曲面的初始相位系數，c為基球面的曲率，u (r-ri)為起點在。徑向階 躍函數，η為余弦曲線徑向分段的段數，i為各段的序號；(b)關于中心偶對稱曲面 其中/(識)=/(π +爐)/(爐)代表、(熱M(樹，^M；;(勸函數，并且/(伊)為
對爐連續函數；其中Z(r，的為曲面在的軸向矢高…為曲面的的極坐標系的角度變量， 0彡r彡rm為曲面的徑向矢高變量，rm為光瞳半徑，為第i段余弦曲線在(妁處的軸向 振幅，妁為第i段余弦曲線(勿處的歸一化半徑，《約為第i段余弦曲線(樹處的外端點的 徑向矢高…(約-0，樹為第i段曲面在O)處的周期系數，Μ·(樹為第i段曲面(爐)處的初 始相位系數，c為基球面的曲率，《(/·-《^>)為起點在(。妁徑向階躍函數，η為余弦曲線徑向 分段的段數，i為各段的序號；(c)關于軸偶對稱曲面在正交坐標系中
其中ζ (x，y)為曲面的(x，y)處ζ軸向矢高，x，y為光瞳內坐標點， χ (y) < χ (y) ( x+max (y)，y-max (χ) ( I y ⑴ I ( y+max (χ)，χ (y)，x-max (y)，y (χ)，y+max (χ) 分別為光瞳的外延邊界函數，Zrgi (y)為X軸向第i段余弦曲線y點的振幅，Xrgi (y)為第i 段余弦曲線y點處的歸一化范圍，Xi(y) I為χ軸向第i段余弦曲線y處的外端點的坐標的 絕對值，P(My)為χ軸向第i段曲面y處的周期系數，Phi (y)為χ軸向第i段曲面y處的 初始相位系數，c為基球面的曲率，udxMxJy) I sgnOO)為起點在Xi(y) I sgn(χ)處的χ 軸正負雙向階躍函數，m是曲面沿χ軸正方向分段的段數，i為各段的序號；在y軸方向，為第j段余弦曲線Χ點的軸向振幅，(Χ)為第j段余弦曲線 X處的歸一化范圍，Yj (χ) I為第j段余弦曲線X處的外端點的坐標的絕對值，Pddx)為第j 段曲面X處的周期系數，Phj (χ)為第j段曲面χ處的初始相位系數，u (I y I -1 Yj (x) I sgn (y)) 為起點在IyjOO Isgn (y)處的y軸正負方向階躍函數，η是曲面沿y軸正方向分段的段數， j為各段的序號。B奇對稱式多焦點群光學聚焦曲面或其等效曲面，其特征為符合下列數學描述B、非對稱式聚焦曲面其等效曲面符合由奇函數構成的曲面的特征，具體為下列數 學特征(a)關于中心對稱奇函數曲面，在極坐標坐標系中
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θ<φ<0.π+θ^其中z(r，妁為曲面在(r,妁的軸向矢高，識為曲面的的極坐標系的角度變量， r 為曲面的徑向矢高變量，&⑷為光瞳邊緣曲線函數，、》為第i段余弦曲 線在(勿處的軸向振幅，。(妁為第i段余弦曲線(爐)處的歸一化半徑，V妁為第i段余弦曲線 ⑷處的外端點的徑向矢高…⑷二0，ρ《(φ)為第i段曲面在⑷處的周期系數，M/⑷為第i段曲面(識)處的初始相位系數，c為基球面的曲率，-^(識))為起點在(。爐)徑向階躍函數，
為-1的符號函數，η為沿半徑劃分的段數，i為各段的序號；(b)關于正交軸奇對稱曲面，在正交坐標系中如) 其中ζ (x，y)為曲面的(x，y)處ζ軸向矢高，x，y為光瞳內坐標點，
χ (y) < χ (y) ( x+max (y)，y-max (χ) ( I y ⑴ I ( y+max (χ)，χ (y)，x-max (y)，y (χ)，y+max (χ) 分別為光瞳的外延邊界函數，Zrgi (y)為X軸向第i段余弦曲線y點的振幅，Xrgi (y)為第i 段余弦曲線y點處的歸一化范圍，Xi(y) I為χ軸向第i段余弦曲線y處的外端點的坐標的 絕對值，P(My)為χ軸向第i段曲面y處的周期系數，Phi (y)為χ軸向第i段曲面y處的 初始相位系數，c為基球面的曲率，udxMxJy) I sgnOO)為起點在Xi(y) I sgn(χ)處的χ 軸正負雙向階躍函數，m是曲面沿χ軸正方向分段的段數，i為各段的序號；在y軸方向，為第j段余弦曲線Χ點的軸向振幅，(Χ)為第j段余弦曲線 χ處的歸一化范圍，Yj (χ) I為第j段余弦曲線χ處的外端點的坐標的絕對值，pc^(x)為第j 段曲面χ處的周期系數，Phj (χ)為第j段曲面χ處的初始相位系數，u (I y I -1 Yj (x) I sgn (y)) 為起點在IyjOO Isgn (y)處的y軸正負方向階躍函數，η是曲面沿y軸正方向分段的段數， j為各段的序號。C奇偶對稱多焦點群聚焦曲面或其等效曲面，其特征為符合下列數學描述(a)關于軸奇對稱和偶對稱曲面，在正交坐標系中 或 其中ζ (x，y)為曲面的(x，y)處ζ軸向矢高，x，y為光瞳內坐標點，
χ-max (y) ≤χ (y) ≤ x+max (y)，y-max (χ) ≤I y ⑴ I≤y+max ⑴，χ (y)，(y)，y ⑴，y+max ⑴ 分別為光瞳的外延邊界函數，Zrgi (y)為X軸向第i段余弦曲線y點的振幅，Xrgi (y)為第i 段余弦曲線y點處的歸一化范圍，Xi(y) I為χ軸向第i段余弦曲線y處的外端點的坐標的 絕對值，Pdi (y)為χ軸向第i段曲面y處的周期系數，Phi (y)為χ軸向第i段曲面y處的 初始相位系數，c為基球面的曲率，udxMxJy) I sgnOO)為起點在Xi(y) I sgn(χ)處的χ 軸正負雙向階躍函數，m是曲面沿χ軸正方向分段的段數，i為各段的序號；在y軸方向，為第j段余弦曲線Χ點的軸向振幅，(Χ)為第j段余弦曲線 X處的歸一化范圍，Yj(X) I為第j段余弦曲線X處的外端點的坐標的絕對值，Pddx)為第j 段曲面X處的周期系數，Phj (χ)為第j段曲面χ處的初始相位系數，u (I y I -1 Yj (x) I sgn (y)) 為起點在IyjOO Isgn (y)處的y軸正負方向階躍函數，η是曲面沿y軸正方向分段的段數， j為各段的序號；(b)關于按角度統一分瓣的關于中心的奇對稱和偶對稱混合曲面，在極坐標系中 其中的為曲面在(r,妁的軸向矢高，識為曲面的的極坐標系的角度變量， r 為曲面的徑向矢高變量，&⑷為光瞳邊緣曲線函數，％(孫^分別為 奇、偶對稱曲面分別對應的第i，j段余弦曲線在(妁處的軸向振幅，^分別為奇、 偶對稱曲面分別對應的第i，j段余弦曲線(灼處的歸一化半徑，妁分別為奇、偶對 稱曲面分別對應的第i，j段余弦曲線(妁處的外端點的徑向矢高， (爐)=0 ,pdoi^),pdej{V) 分別為奇、偶對稱曲面分別對應的第i，j段曲面在(90處的周期系數，/Arf(的，分別 為奇、偶對稱曲面分別對應的第i，j段曲面在(約處的初始相位系數，9k，Q1分別為半圓 內分瓣的奇、偶對稱曲面的角度劃分點，在2 π范圍內共劃分2p+2q個瓣，其中有2q個偶 對稱瓣，2p個奇對稱瓣，這些瓣的排列順序為任意組合，識識-代)]為第k個奇 對稱瓣的角度區間，爐-貧-U-"O-冗-代)1為第k個奇對稱瓣奇對稱側的角度區間， [ (爐-民,)- (爐-約)]為第ι個偶對稱瓣的角度區間，[ (爐-龍-U- (爐一龍-鴿)1為第1 個偶對稱瓣偶對稱側的角度區間，c為基球面的曲率，(爐))為起點在(巧，妁徑向階躍函 數，Sgn(識-足一‘⑷)為半開區間[θ”( θ i+J0^1，半開區間[(θ +3 )，(θ +23 ))為_丄 的符號函數，m，η分別為奇偶瓣沿半徑劃分的段數，i，j為奇偶瓣按半徑分各段的序號；(c)關于按半徑統一劃分的關于中心的奇對稱和偶對稱混合曲面，在極坐標系中 其中z(r，妁為曲面在(r,抝的軸向矢高，識為曲面的的極坐標系的角度變量， r 為曲面的徑向矢高變量，&(勿為光瞳邊緣曲線函數，％加)，‘(樹分別為 奇、偶對稱曲面對應的第i段余弦曲線在(樹處的軸向振幅，(的分別為奇、偶對 稱曲面對應的第i段余弦曲線鉍)處的歸一化半徑，&(爐分別為奇、偶對稱曲面對 應的第i段余弦曲線(約處的外端點的徑向矢高，^>) = 0，/ &(>),(識)分別為奇、偶 對稱曲面對應的第i段曲面在(勿處的周期系數，Mrf(識妁分別為奇、偶對稱曲面對應的第i段曲面在O)處的初始相位系數，9k，Q1*別為半圓內分瓣的奇、偶對稱曲面的角度劃分點，在第i段曲面2 π范圍內共劃分2pi+2qi個瓣，其中有2qi個偶對稱瓣， 2pi個奇對稱瓣，這些瓣的排列順序為任意組合，[W(爐-代一)-M(<3-《)丨為第k個奇對稱 瓣的角度區間，(爐-冗-(爐為第k個奇對稱瓣奇對稱側的角度區間， [W(爐識-代)]為第1個偶對稱瓣的角度區間，[ (爐-;^^-㈣爐-貧-約)]為第 1個偶對稱瓣偶對稱側的角度區間，c為基球面的曲率，《(r-d爐))為起點在徑向階 躍函數，Sgn(爐為半開區間[θ (Η)，(9地_1)+31))+1，半開區間[(θ i(k_1)+JI )， (θ i(k-i)+2 η ))為-1的符號函數，m為沿半徑劃分的段數，i為按半徑分各段的序號。數字圖像處理的主要使用逆濾波，最大墑或者非線性的圖像恢復算法。為實現抑制氣動光學干擾效應的目的，本發明采用如下兩套技術方案方案一是在這個系統中使用具有大等模糊景深的全焦距成像模塊；在成像模塊與 其載體的幾何結構中，設計氣動光學效應干擾區域在等模糊景深范圍內；針對這個成像模 塊特性和其對應的與載體的結合結構的圖像處理系統。方案一的原理是利用該景深延拓型全焦距成像模塊具有對光學幾何像差具有超 強的容耐能力。在光學成像模塊與其載體的幾何結構中，設計頭罩的位置處在全焦距成像模塊的 空不變傳遞區域。這樣利用該區域到鏡頭前的空間的相位過濾功能和成像模塊的對像差的 容耐能力，使得氣動光學效應的干擾在其模糊成像中得到一定程度的緩解，使得得到的模 糊中間像對氣動光學干擾效應產生不敏感效應。針對全焦距成像模塊及與其載體的幾何結構特性的圖像處理系統將對模糊中間 像進行預處理，并根據光學成像模塊的PSf對模糊中間像進行恢復，并對恢復的圖像進行 濾波等處理，圖像處理算法的流程如圖4a所示，最后得到抑制了氣動光學效應干擾的較清 晰的目標成像。方案二是在這個系統中使用具有大等模糊景深的全焦距成像模塊；成像模塊與其 載體的幾何結構中，設計氣動光學效應干擾區域在漸增模糊景深范圍內；針對這個成像模 塊特性和其對應的與載體的結合結構的圖像處理系統。大等模糊景深的全焦距成像模塊與方案一一致。在光學成像模塊與其載體的幾何結構中，設計頭罩的位置處在全焦距成像模塊的 空變傳遞區域，尤其在該成像系統的平均焦距對應的平面附近。這樣利用該區域的PSf具 有大模糊光斑的超低頻濾波特性，使得氣動光學效應的干擾對成像產生超低通成像效應。 而透過氣動光學干擾層的目標成像是疊加在氣動光學干擾的超低通成像上的，所以成像是 氣動光學效應的干擾被低頻化的超大模糊同時疊加的目標成像的高頻特征。針對全焦距成像模塊及與其載體的幾何結構特性的圖像處理系統將對其所成的 模糊中間像進行濾波，并根據光學成像模塊的PSf對模糊中間像進行恢復，并對恢復的圖 像進行處理，圖像處理的算法如圖4b所示，最后得到抑制了氣動光學效應干擾的較清晰的 目標成像。通過本發明，應用現有技術完全有可能實現抑制氣動光學效應干擾的成像系統， 得到較清晰的目標的成像信息。
圖1為抑制湍流的光學系統結構示意2為全焦距成像系統示意3為全焦距成像系統的空變特性mtf示意4a，4b為數字圖像處理流程5為方案一結構示意6為方案二結構示意7為模擬的目標模型圖8a為仿真的氣動光學效應干擾后模糊圖像圖8b為通過圖像處理軟件對模糊圖像處理所得目標圖像圖8c為進行進一步處理所得到的目標圖像
圖9a為仿真的氣動光學效應干擾后模糊圖像 圖9b為通過圖像處理軟件對模糊圖像處理所得目標圖像 圖9c為進行進一步處理所得到的目標圖像
具體實施例方式以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。1.方案實施光學平臺本實施例是在一個景深延拓型全焦距紅外成像系統的模型上實現的仿真，該景 深延拓型全焦距紅外成像系統的相關指標為等模糊景深范圍為IOOOmm—一無窮遠，在該 范圍內的點光源具有近似的等模糊特性，及近似相等的Psf和mtf，如圖3所示，1000mm, 4000mm和inf處的mtf比較接近，各個頻段幅值都大于或接近0. 1，實際的其他物距的mtf 也和圖中的物距大于IOOOmm的mtf近似相等，280mm處的mtf只有極低頻，具有極大的區 別。2.方案一實施例應用上述光學平臺，設計的光學系統和其載體的幾何結構為氣動光學效應干擾區 域在光線平臺系統1300mm處，使氣動光學效應干擾發生在等模糊景深范圍內，應用針對該 平臺的無窮遠處和1300mm處的仿真成像模型，得到圖8a。應用針對上述幾何結構設計的圖像處理方法對得到的模糊圖像按照圖4a的流程 進行恢復，得到圖8b，圖8c的仿真目標圖像。3.方案二實施例應用上述光學平臺，設計的光學系統和其載體的幾何結構為氣動光學效應干擾區 域在光線平臺系統280mm處，使氣動光學效應干擾發生在漸增模糊景深范圍內，應用針對 該平臺的無窮遠處和280mm處的仿真成像模型，得到圖9a。應用針對上述幾何結構設計的圖像處理方法對得到的模糊圖像按照圖4b的流程 進行恢復，得到圖％，圖9c的仿真目標圖像。
權利要求
一種抑制氣動光學效應光學成像系統，其特征在于，包括A大模糊景深光學成像模塊；B抑制氣動光學效應的圖像處理模塊；C針對應用要求和氣動光學干擾效應的特點，光學成像模塊和其載體的幾何結構關系有不同的設計原則。
2.如權利要求1中A項特征所述的大模糊景深光學成像模塊，其特征為多焦點群光學 聚焦，該對焦點群光學聚焦具有在某一物距到鏡頭前具有漸增模糊psf，空變傳遞特性；在該物距到無窮遠物距的范圍為等模糊景深，在其范圍內具有等模糊psf，空不變傳遞 特性。
3.如權利要求1中C項特征所述的設計原則，其特征為在成像系統及其載體的系統結 構設計中，A針對系統應用要求和氣動光學干擾效應的特點，把目標活動區域物距和氣動光學效 應干擾區域物距共同設計在空不變區域；B針對系統應用要求和氣動光學干擾效應的特點，把目標活動區域物距設計在空不變 物距區域，而把氣動光學效應干擾區域設計在空變物距區域。
4.如權利要求1中B項所述的抑制氣動光學效應圖像處理模塊，其特征在于A針對權利要求3中A項的結構設計，圖像處理系統具有從目標成像和氣動光學效應干 擾成像的光成像信號中提取目標信息并強化目標信息，同時抑制氣動光學效應干擾信息的 處理功能。B針對權利要求3中B項的結構設計，圖像處理系統具有從目標成像信號中提取目標信 息，抑制氣動光學效應干擾信息的處理功能。
5.如權利要求2所述的多焦點群光學聚焦模塊，其特征為聚焦曲面包括偶對稱式多焦 點群光學聚焦曲面、奇對稱式多焦點群聚焦曲面和奇偶對稱多焦點群聚焦曲面。
6.一種抑制氣動光學效應的光學成像方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟A.將氣動光學效應發生的位置設計在成像系統鏡頭外的特定范圍內；B.用具有可控空變特性的大模糊景深等模糊成像鏡頭透過氣動光學干擾氣流對目標 成像；C.對目標所成圖像進行圖像處理并輸出。
7.如權利要求6所述的位置設計，其特征在于，所述步驟A具體為Al.將氣動光學效應發生的位置設計在成像系統的等模糊景深范圍內，用大像差包容 系統對干擾帶來的像差進行包容修正；或A2.將氣動光學效應發生的位置設計在成像系統的漸增模糊范圍內，用光學成像方法 對干擾進行低頻濾波。
8.如權利要求6所述的圖像處理方法，其特征在于，當所述步驟A采用步驟Al時，所述步驟Cl具體為針對包容了氣動光學干擾效應的目 標成像進行圖像恢復，濾波，并作針對具體應用的圖像處理并輸出；當所述步驟A采用步驟A2時，所述步驟C2具體為針對氣動光學干擾效應被光學低頻 濾波而目標進行了有效成像得到的圖像用數字圖像處理方法進行再濾波、圖像恢復、濾波，并作針對具體應用的圖像處理并輸出。
全文摘要
本發明涉及一種抑制氣動光學效應的成像方法和系統，利用該方法和系統及其特別設計的與其載體的匹配結構，通過紅外全焦距攝像裝置獲取氣動光學效應影響的模糊圖像，通過與該系統和設計對應的圖像處理算法得到抑制氣動光學效應的較清晰的目標成像。
文檔編號G02B27/00GK101887170SQ200910136679
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月13日 優先權日2009年5月13日
發明者馮國平, 劉興春, 周燁鋒, 賈偉 申請人:北京泰邦天地科技有限公司