CN101581950A - 同轴式联合变换光学相关器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴式联合变换光学相关器。在联合变换光学相关器基础上将输入的参考图像及目标图像的图像中心点与傅里叶透镜光轴重合设置，同时采用功率谱处理技术消除输出的零级光斑。从而达到减小系统体积、增加相关峰提取精度的目的。

Description

同轴式联合变换光学相关器

技术领域

本发明属于信息光学领域，涉及光学相关器，特别涉及一种新型联合变换光学相关器，主要应用于图像识别与跟踪等光信息处理领域。本发明通过将联合变换光学相关器的目标图像与参考图像同轴输入，在减小体积的同时提高了精度，为实用化小型光学相关器奠定基础。

背景技术

光学相关器(Optical Correlator)最早由A.VanderLugt提出(″Signal detectionby complex spatial filtering，″IEEE Trans.Inf.Theory IT-10，139-145(1964))。光学相关器利用光学方法实现目标图像与参考图像的相关运算，从而实现图像的识别与跟踪。光学相关技术具有高速度和并行处理特点，适合于处理二维图像信息，可精确快速识别具有复杂背景的图像目标，在超高速海量图像识别方面具有较大的优势。

联合变换相关器(Joint Transform Correlator)是一种典型的光学相关器，最早由Weaver、Goodman及Rau提出。目标图像(目标图像指由图像传感器采集到的图像，包括目标及其背景)与参考图像分列于输入面两边，通过傅里叶透镜完成傅里叶变换得到联合变换功率谱(Joint transform Power Spectrum，JPS)，该功率谱图像再经过逆傅里叶变换即可得到相关运算输出，当目标图像与参考图像完全一致时可在输出平面得到共轭的一对相关峰(详见参考文献：宋菲君，S.Jutanmulia.近代光学信息处理。北京大学出版社，1998年(第一版)，pp78-90)。由于目标图像与参考图像分列于输入面两边，即分别位于傅里叶透镜光轴两侧，称为离轴式联合变换相关器。

相对于其他光学相关器，联合变换相关器具有参考图像设置简单便于实时更换的特点，因而在实时和自适应图像识别与跟踪方面更有优势。传统的联合变换光学相关器光路复杂，体积大，信噪比低，几乎很难得到实际应用。若干年来人们在光学相关器实用化方面做了很多努力，主要研究微型化、集成化的光学相关器。

典型的光学相关器为4f系统，即输入面到输出面的长度为4倍焦距。通过对光学系统设计的改善，出现了2f系统。Joseph L.Horner等通过将输入面和滤波面紧贴傅里叶透镜表面的设计得到了2f系统(″Two-focal-length opticalcorrelator，″Appl.Opt.28，5199(1989)).而Michael J.O’Callaghan等(″SerialTransform Optical Correlator Design Principles，″Appl.Opt.40，3311-3317(2001))则通过理论分析得到在保持光学相关运算成立前提下可能的光学系统设计原则。通过采用光-电混合系统及光路复用技术，Joesph L.Horner提出了单空间光调制器的联合变换相关器(US Patent，P5040140)，极大减小了系统体积。

从输入和滤波平面的空间光调制器采样频率匹配角度出发，Jeffrey A.Davis等(″Compact optical correlator design，″Appl.Opt.28，(1989).)得到了影响光学相关器系统体积的关键因素——傅里叶透镜焦距的计算公式：

$f=\frac{N_2{d}_2{d}_1}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，f为傅里叶透镜焦距(当输入面位于透镜后方时为输入面到滤波面的距离)，N₂为滤波空间光调制器一维的像元数，d₂为滤波空间光调制器像元尺寸，d₁为输入空间光调制器像元尺寸，λ为波长。从上式可以得到，焦距随空间光调制器像元尺寸的减小而成平方减小，因而随着空间光调制器制造工艺的发展，光学相关器的尺寸也逐渐减小。

随着光学相关器小型化集成化的发展，联合变换相关器在结构上的不足逐渐暴露出来，主要原因在于其目标图像与参考图像的离轴输入方式。图1a为传统联合变换光学相关器的输入面，相应的图1b给出了输出面。由图中可以看到，输入/输出的有效面均为两个图像采集面拼接而成(如图像采集面分辨率为512×512，则相关器输入/输出面则为1024×512)。其结果是，如果要保持原图像分辨率，则面积为原图的2倍，需要增大傅里叶透镜直径，相应增大系统体积，同时也增大了透镜像差；而若要保持原图面积，则需要压缩输入/输出面分辨率，从而降低了相关峰的提取精度。因而传统的离轴输入方式极大限制了联合变换相关器的小型化、实用化发展，需要有新的结构。

发明内容

1.本发明目的和总体特点

通过前述可知，制约联合变换光学相关器小型化的关键因素在于传统的离轴输入方式，本发明提出新的输入方式——同轴式输入，同时对联合变换相关器的其他结构进行了相应的改进。本发明减小了传统相关器的体积，提高了相关峰精度。

2.本发明的原理

本发明基本原理：在联合变换光学相关器基础上将输入的参考图像及目标图像的图像中心点与傅里叶透镜光轴重合设置，同时采用功率谱处理技术消除输出的零级光斑。从而达到减小系统体积、增加相关峰提取精度的目的。具体原理介绍如下。

基本的联合变换光学相关器中，输入的参考图像r(x，y)与目标图像t(x，y)分别位于输入面两侧，如图1a所示。坐标原点与光轴重合，参考图像位于左侧，图像中心为A点，目标图像位于右侧，图像中心为A’点，两图中心间距为a₀同时目标位置相对其图像中心有偏移量(a，b)，因而整个输入面可记为：

g_i(x，y)＝t(x-a₀/2-a，y-b)+r(x+a₀/2，y)    (2)

经过傅里叶变换，在频谱面上得到联合变换功率谱(详细推导见参考文献：宋菲君，S.Jutanmulia.近代光学信息处理。北京大学出版社，1998年(第一版)，pp78-90)：

|G(ξ，η)|²＝|T(ξ，η)|²+|R(ξ，η)|²

          +T(ξ，η)R^*(ξ，η)exp(-j2πη(a₀+a)-j2πηb)    (3)

          +T^*(ξ，η)R(ξ，η)exp(j2πη(a₀+a)+j2πηb)

其中T(ξ，η)为目标函数的傅里叶变换函数，R(ξ，η)为参考函数的傅里叶变换函数。功率谱再经过傅里叶逆变换，得到输出函数：

$g_o(x^{\′},y^{\′})=t(x^{\′},y^{\′})\⊗t(x^{\′},y^{\′})+r(x^{\′},y^{\′})\⊗r(x^{\′},y^{\′})$

$+t(x^{\′},y^{\′})\⊗r(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}-a_0-a,y^{\′}-b)---\left(4\right)$

$+r(x^{\′},y^{\′})\⊗t(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}+a_0+a,y^{\′}+b)$

其中

为卷积，式中前两项位于原点，构成零级光斑。从(4)式可知，如果参考图像与目标图像相同，则在(a₀+a，b)及(-a₀ -a，-b)点出现相关峰。

本发明在上述基础上包含两个步骤：

1参考图像及目标图像同轴输入

参考图像的中心A与目标图像中心A’重合，位于原点(见图2a)。其实现方法包括直接数字图像相加和采用分光棱镜相加，具体见实施例。这样，(2)式变为：

g_i(x，y)＝t(x-a，y-b)+r(x，y)    (5)

同样的(4)式变为：

$g_o(x^{\′},y^{\′})=t(x^{\′},y^{\′})\⊗t(x^{\′},y^{\′})+r(x^{\′},y^{\′})\⊗r(x^{\′},y^{\′})$

$+t(x^{\′},y^{\′})\⊗r(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}-a,y^{\′}-b)---\left(6\right)$

$+r(x^{\′},y^{\′})\⊗t(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}+a,y^{\′}+b)$

由于消除了图像中心之间距离，使系统保持分辨率的情况下体积大大缩小(见图2b)。但是，若目标图像与参考图像间距(a，b)＝(0，0)或非常小，则相关峰会被零级光斑掩盖，因而必须有下一个步骤，消除零级光斑。

2消除零级光斑

由(3)式知，零级光斑是由联合变换功率谱中的目标函数功率谱及参考函数功率谱经傅里叶逆变换得到，因而可以通过去除联合变换功率谱中的目标函数功率谱及参考函数功率谱达到去除零级光斑的目的。具体可以在输入面上只显示目标图像或参考图像，则在频谱面上记录目标图像功率谱或参考图像功率谱(即6式右侧的前两项)，并从联合变换功率谱中减去上述预先记录的图像，再进行傅里叶逆变换，最终输出函数为：

$g_o(x^{\′},y^{\′})=t(x^{\′},y^{\′})\⊗r(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}-a,y^{\′}-b)$

                            (7)

$+r(x^{\′},y^{\′})\⊗t(x^{\′},y^{\′})*\mathrm{\δ}(x^{\′}+a,y^{\′}+b)$

即为一对共轭相关峰。

本发明与传统联合变换光学相关器相比，有以下优点：

在保持同样体积条件下，精度可提高一倍；

在保持同样精度条件下，体积可缩小为1/2～1/4。

附图说明

图1为传统联合变换相关器的输入图像及输出图像。

图2为同轴式联合变换相关器的输入图像及输出图像。

图3为本发明实施例一。

图4为本发明实施例二。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例一：直接数字图像相加

将目标图像及参考图像直接由数字图像处理器叠加之后再送入空间光调制器，达到同轴输入的目的。具体结构如图3所示：

在嵌入式处理器2控制下，图像传感器1将采集到的目标图像传送到嵌入式处理器2，嵌入式处理器完成目标图像与参考图像的叠加运算并传送至空间光调制器3，将图像调制到准直激光束4，然后通过傅里叶透镜5在其焦平面上得到联合变换功率谱，由探测器6接受并传递回嵌入式处理器2。嵌入式处理器完成去掉零级运算后将处理后的功率谱图像传送到空间光调制器3，通过光路由探测器6采集到联合变换输出图像，该图像由嵌入式处理器2完成相关峰的提取工作，形成相关运算的输出结果。

上述的空间光调制器3可以为透射式、反射式，光路做相应调整；参考图像可以预先存到嵌入式处理器2中，嵌入式处理器2可以为在现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等具备数字图像处理和控制功能的嵌入式芯片；准直激光束4可通过固体激光器、气体激光器、光纤激光器或半导体激光器等紧凑型激光器经过扩束准直系统得到；傅里叶透镜5可以为衍射光学元件等其他起到透镜作用的光学元件；探测器6可以为CCD，CMOS等图像传感器。且傅里叶透镜5到探测器6之间的距离满足(1)式。

实施例二：分光棱镜图像相加

将目标图像及参考图像分别传至各自的空间光调制器，再由分光棱镜完成图像叠加，具体结构见图4，具体过程介绍如下：

在嵌入式处理器2控制下，图像传感器1将采集到的目标图像传送到反射式空间光调制器3，同时参考图像由嵌入式处理器2传送到空间光调制器47。若偏振分光棱镜68对0°偏振光反射而对90°偏振光透射，则准直激光束54以45°偏振方向入射到偏振分光棱镜68，分为0°和90°两束偏振光，0°偏振光分别经过1/4波片79、8照射到空间光调制器3、43，90°偏振光经过1/4波片10照射到空间光调制器7。调制后的激光束再次通过1/4波片79、810分别改变偏振方向后在偏振分光棱镜68与检偏器911的交面叠加后经过检偏器911(检偏器方向与准直激光束54的偏振方向相同)，得到单一偏振方向的包含叠加后的图像激光束，再经过衍射透镜1012，在其焦面上得到联合变换功率谱，由探测器116接收并传递回嵌入式处理器2。嵌入式处理器完成去零级运算后将处理后的功率谱图像传送到空间光调制器3，通过光路由探测器116采集到联合变换输出图像，该图像由嵌入式处理器2完成相关峰的提取工作，形成相关运算的输出结果。

参考图像可以预先存到嵌入式处理器2中，嵌入式处理器2可以为在现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等具备数字图像处理和控制功能的嵌入式芯片；准直激光束54可通过固体激光器、气体激光器、光纤激光器或半导体激光器等紧凑型激光器经过扩束准直系统得到；衍射透镜1012可以为其他起到透镜作用的光学元件；探测器116可以为CCD，CMOS等图像传感器。且衍射透镜1012到探测器116之间的距离满足(1)式。

Claims (9)

1、同轴式联合变换光学相关器，包括图像传感器(1)，嵌入式处理器(2)，空间光调制器(3、7)，准直激光束(4)，图像合成光路，傅里叶透镜，光电探测器(6)，其特征在于联合变换光学相关器的目标图像与参考图像同轴输入，采用功率谱处理技术消除输出的零级光斑。

2、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于目标图像与参考图像可以在嵌入式处理器(2)中合成一幅同轴图像后再输出到空间光调制器。

3、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于目标图像与参考图像可以通过图像合成光路合成一幅同轴图像后再输出到空间光调制器。

4、如权利要求3所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于图像合成光路由空间光调制器(3)、空间光调制器(7)、偏振分光棱镜(8)，1/4波片(9)、1/4波片(10)、检偏器(11)构成。

5、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于所述傅里叶透镜与探测器之间距离满足：

$f=\frac{N_2{d}_2{d}_1}{\mathrm{\λ}}$

其中N₂为滤波空间光调制器一维的像元数，d₂为滤波空间光调制器像元尺寸，d₁为输入空间光调制器像元尺寸，λ为波长。

6、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于嵌入式处理为FPGA或DSP芯片。

7、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于准直激光束(4)为固体激光器、光纤激光器、气体激光器、半导体激光器中的一种体积紧凑的激光器，通过扩束准直系统得到的准直激光束。

8、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于傅里叶透镜为胶合透镜或衍射光学元件。

9、如权利要求1所述的同轴式联合变换光学相关器，其特征在于光电探测器为CCD或CMOS图像传感器。

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