CN102288117B - 基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，该系统包括激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器、相位调制反射式空间光调制器、傅立叶变换透镜以及CCD相机；激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器以及相位调制反射式空间光调制器依次设置于同一光路上；傅立叶变换透镜设置于相位调制反射式空间光调制器的反射光路上；CCD相机与傅立叶变换透镜设置于同一光路上。本发明提供了一种可消除系统对离焦的敏感以及提高其像移探测稳定度的基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统。

Description

基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种成像系统，尤其涉及一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统。

背景技术

在成像曝光时间内，如果目标与相机之间存在相对运动，那么最终所获得的图像就会是模糊降质的。有两种途径可以消除运动模糊对图像质量的影响：其一是使用数字图像复原算法通过解卷积来达到去除运动模糊、恢复图像信息的目的；其二则是依靠特定的硬件来实时补偿成像曝光时间内所产生的像移，从而达到稳定成像的目的。

无论使用何种方式，像移的精确探测都是至关重要的，因为像移探测对于软件补偿方法来说可以提高其图像复原的准确度，而对于硬件补偿方法来说则是非常关键的第一步。

时至今日，已有众多的方法被提出用于像移的探测计算，而光学联合变换相关器JTC(Joint Transform Correlator)就是其中之一。由于JTC既具有光学图像处理高速度、大容量和并行处理的特点，又具有电路控制灵活、精确、可编程的优点，因此具有很大的应用潜力，是像移探测领域的研究热点之一。

基于光学联合变换相关器JTC的像移测量步骤可以概括为：

1、高速CCD相机分别采集时刻t和t+Δt的两幅具有相对像移的图像，并按照式(一)所描述的排布形式输入到振幅型空间光调制器中；

I(x，y)＝f_t(x，y-a)+f_t+Δt(x+δx，y+a+δy)(一)

其中(x，y)为图像的二维坐标，a表示两幅图像在空间光调制器输入面上的相对位置，δx和δy分别是两幅图像之间在x和y方向上的位移。

2、振幅型空间光调制器作为目标源，经激光准直平行光束照射后，由傅立叶变换透镜完成第一次傅立叶变换，并由探测CCD相机获得联合变换功率谱，如式(二)所示：

${\left|T(u,v)\right|}^2={\left|F_t(u,v)\right|}^2+{\left|F_{t+\mathrm{\Δt}}(u,v)\right|}^2+F_{t+\mathrm{\Δt}}{F}_t^{*}\·\exp \{i2\mathrm{\π}\·[\mathrm{u\δx}+(2a+\mathrm{\δy})v\left]\right\}$ (二)

其中u，v是傅立叶变换频谱坐标，F_t(u，v)和F_t+Δt(u，v)分别对应于f_t和f_t+Δt的频谱，而^*则表示复共轭。

3、联合变换功率谱|T(u，v)|²被作为新的输入图像再次送入到振幅型空间光调制器中，之后由傅立叶变换透镜实施第二次傅立叶变换就可以在CCD相机上得到互相关峰图像，如式(三)所示：

$C(x,y)=f_t\⊗f_t+f_{t+\mathrm{\Δt}}\⊗f_{t+\mathrm{\Δt}}$

$+f_t\⊗f_{t+\mathrm{\Δt}}*\mathrm{\δ}(x-\mathrm{\δx},y-2a-\mathrm{\δy})+f_{t+\mathrm{\Δt}}\⊗f_t*\mathrm{\δ}(x+\mathrm{\δx},y+2a+\mathrm{\δy})$ (三)

在式(三)中，前两项为图像f_t和f_t+Δt的自相关项，而后两项则对应于它们的互相关项。可以看到，互相关峰的位置包含了f_t和f_t+Δt之间的相对位移信息。因此，通过质心提取算法来精确定位互相关峰的位置，两幅图像之间的像移就可以被计算出来。

基于JTC的像移探测具有很强的环境适应性，可以适用于极低信噪比的情况，但是一旦涉及到CCD相机成像，离焦就是一个无法回避的问题。

装较不到位，或者过度振动，都会导致CCD相机在接收联合变换功率谱和互相关峰图像时出现离焦。离焦会导致互相关图像的信噪比降低，从而影响质心提取的精度，进而影响到像移探测的稳定性。当系统正焦时，得到的互相关峰是非常明显的，一旦出现离焦，那么就会在背景中产生许多虚假的次峰从而对提取真正互相关峰的位置造成干扰。

传统JTC具有两次CCD成像过程，所以可能两次引入离焦。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可消除系统对离焦的敏感以及提高其像移探测稳定度的基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，其特殊之处在于：所述基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统包括激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器、相位调制反射式空间光调制器、傅立叶变换透镜以及CCD相机；所述激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器以及相位调制反射式空间光调制器依次设置于同一光路上；所述傅立叶变换透镜设置于相位调制反射式空间光调制器的反射光路上；所述CCD相机与傅立叶变换透镜设置于同一光路上。

上述基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统还包括与CCD相机相连的用于实施数字傅立叶变换并进行像移计算的数字处理单元。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，该系统针对离焦对JTC像移探测性能的影响提出了两点改进：

1)将式(三)所对应的第二次光学傅立叶变换由数字傅立叶变换替代，从而避免了获取互相关峰图像时再次引入离焦的可能；

2)系统在傅立叶变换透镜前引入一块相位调制反射式空间光调制器。该空间光调制器产生的随时间变化的相位调制中包含有随机产生的最大值为W20的离焦相位差。研究表明，在较短的时间间隔内，不同的随机相位调制将产生不同的互相关峰图像。将这些互相关峰图像进行空间域平均，并以平均互相关峰图像为基础进行质心提取和像移计算，就能够大大弱化系统对离焦的敏感性而提高像移探测的稳定度。

本发明提出了一种改进的基于光学联合变换相关器JTC(Joint TransformCorrelator)的像移探测成像系统。与已有的基于JTC原理的像移探测成像系统的最大区别在于：引入数字处理单元，将第二次光学傅立叶变换由数字傅立叶变换取代，从而消除了二次引入离焦的可能；在傅立叶变换透镜之前添加了一块相位型空间光调制器，并由此产生时变的含有随机离焦相位差的相位调制。通过将对应于不同相位调制的多组互相关峰图像先进行平均处理，之后在此基础上进行像移提取计算，就能够达到使像移探测成像系统对离焦不敏感的目的，从而使像移探测的稳定度增强。

附图说明

图1是本发明所提出的新型像移探测成像系统的原理图；

图2是本发明与传统JTC像移探测结果的对比图；

其中：

1-激光器平行光管；2-振幅调制透射式空间光调制器；3-相位调制反射式空间光调制器；4-傅立叶变换透镜；5-CCD相机。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，包括激光平行光管1、振幅调制透射式空间光调制器2、相位调制反射式空间光调制器3、傅立叶变换透镜4以及CCD相机5；激光器平行光管1、振幅调制透射式空间光调制器2、相位调制反射式空间光调制器3、傅立叶变换透镜4以及CCD相机5依次位于同一光路中。

本发明所提供的基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统还包括与CCD相机6相连的数字处理单元，该数字处理单元用于实施数字傅立叶变换，并进行像移计算。

该像移探测成像系统其特征在于：(1)首先通过一次光学傅立叶变换获得联合变换功率谱，之后将其输入到数字处理单元再经过一次数字傅立叶变换得到互相关图像；(2)在距离傅立叶变换透镜之前加载一块相位型空间光调制器，并由此引入时变的含有离焦相位差的随机相位调制；在较短的时间间隔内，将对应于不同随机相位调制的多幅互相关峰图像进行平均，并以平均互相关峰图像为基础提取像移矢量，就能够使系统变得对离焦不敏感，进而增强了像移探测的稳定度。

在该像移探测成像系统中，由相位型空间光调制器引入的随机相位调制，其特征在于：其二维相位函数矩阵中的每个点的相位调制强度均是由一个相同的固定值叠加微小的随机扰动和随机离焦相位差来获得的，如下所示：

f(x，y，t)＝α+β·rand(x，y，t)+W₂₀·γ(t)·(x²+y²)|x|，|y|＜1β＜＜α

式中，α是固定的相位调制强度，β是随机扰动强度，W₂₀是最大离焦相位差系数，t是时间变量，rand表示均匀分布概率密度函数，其值位于0～1之间。γ也是一个概率密度函数符合均匀分布的随机变量，用以产生时变的随机离焦相位差。x与y为相位型空间光调制器所在平面归一化后的坐标。

本发明所提出的改进的基于光学联合变换相关器JTC的像移探测成像系统的原理框架如图1所示。与传统的JTC像移探测成像系统的根本差异在于两点：其一是本系统仅包含一次光学傅立叶变换过程，在获得了联合变换功率谱之后，直接将其送入数字处理单元通过数字傅立叶变换来获得互相关图像。其二是在傅立叶变换透镜之前引入一块由计算机控制的相位型空间光调制器3，用以产生抑制离焦像差的随机相位分布。

在图1中，1是激光平行光管，用于产生准直扩束后的单色激光；单元2是振幅调制透射式空间光调制器，被输入图像后作为目标源；单元3是相位调制反射式空间光调制器，用以产生时变的包含有离焦相位差的随机相位调制；单元4是傅立叶变换透镜，用于完成光学傅立叶变换来最终获得互相关峰图像；单元5是高速CCD相机，用于接收联合变换功率谱。在获得联合功率谱之后，将其送入数字处理单元，通过数字傅立叶变换来得到互相关峰图像，进而计算出相应的像移大小。其中，振幅型空间光调制器2，相位调制反射式空间光调制器3以及傅立叶变换透镜4在保持其有效物理间隔的前提下，尽可能靠近以减小整个系统的体积。

相位调制反射式空间光调制器3所引入的二维相位函数矩阵中的每个点的相位调制强度均是由一个相同的固定值叠加微小的随机扰动和随机离焦相位差来获得的，如下所示：

f(x，y，t)＝α+β·rand(x，y，t)+W₂₀·γ(t)·(x²+y²)|x|，|y|＜1β＜＜α

式中，α是固定的相位调制强度，β是随机扰动强度，W₂₀是最大离焦相位差系数，t是时间变量，rand表示均匀分布概率密度函数，其值位于0～1之间。γ也是一个概率密度函数符合均匀分布的随机变量，用以产生时变的随机离焦相位差。x与y为相位型空间光调制器所在平面归一化后的坐标。

在使用本发明所提出的JTC系统进行像移探测时，其关键之处在于：首先通过前置高速图像获取装置采集到时间间隔为Δt内的两幅图像，之后将其按照式(一)组合成一个整体并作为新的图像输入到振幅型空间光调制器中；同时要求相位型空间光调制器在Δt时间内以较高的速度随机地产生多组包含随机离焦相位差的相位调制。

从理论上来说，在Δt时间内使用越多的对应于不同相位调制的互相关图像进行平均，那么对离焦的抑制效果就会越好，但是这样对器件，尤其是相位型空间光调制器的要求就会变得非常苛刻。举例来说，如果前置高速图像采集装置的帧率为80Hz，也就是说Δt为12.5ms，那么假设要产生25组对应于不同相位调制的互相关图像，相位型空间光调制器的刷新帧率必须达到2000Hz才能够满足要求。如果前置采集装置的帧率上升到300Hz，同时依然需要25幅互相关图像，那么相位型空间光调制器的刷新率就必须达到7500Hz才能满足要求。研究表明，由相位型空间光调制器产生的随机相位调制并不是在每一个时刻都具有对离焦的抑制能力，甚至某一种模式的相位分布就可以抑制足够大范围内的离焦。因此，实际上并不需要相位型空间光调制器以那么高的频率在Δt时间间隔内不断地改变其相位分布状态。这样，在前置图像采集装置的帧率进一步提升以捕获更高频的像移变化时(比如上述300Hz)，如果仅要求使用5组互相关峰图像来进行平均处理，那么相位型空间光调制器的刷新频率只要达到1500Hz就可以了。调研表明，现有相位型空间光调制器(如美国BNS公司的产品)其采用PCIE总线进行通信时，轻易可以达到1600Hz以上，而且随着技术逐渐的成熟，其速度会进一步提高。传统JTC的测量结果用蓝色点划线表示，新型JTC的测量结果用红色实线表示。其中由相位型空间光调制器产生的随机相位所包含的离焦相位差的范围为0～30π。其水平和垂直像移测量结果分别如图2.1-2.4所示，其中纵坐标是像移大小，横坐标是图像对索引编号。图2.1和图2.2使用了25组对应于不同随机相位调制的互相关峰图像，而图2.3和图2.4则仅使用了5组。如图2.3和图2.4所示，其中只用了5组互相关峰图像，也达到了较为理想的离焦抑制效果。

由图2可知，当通过相位型空间光调制器模拟0～30π的离焦相位差时，本发明所提出的JTC系统所获得的像移计算结果与参考数据吻合得非常好。因此，首先通过在傅立叶变换透镜前加载一块相位型空间光调制器，并由此产生时变的随机相位调制，之后使用多幅对应于不同相位调制的互相关图像进行平均处理并同时实施像移量的反演，就可以大大改善基于JTC像移探测成像系统的性能，使之对离焦不敏感，从而提高了JTC系统进行像移探测的稳定性。所以，本发明的提出对于JTC像移探测系统的发展来说是一个有益的补充。

Claims (2)

1.一种基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，其特征在于：所述基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统包括激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器、相位调制反射式空间光调制器、傅立叶变换透镜以及CCD相机；所述激光平行光管、振幅调制透射式空间光调制器以及相位调制反射式空间光调制器依次设置于同一光路上；所述傅立叶变换透镜设置于相位调制反射式空间光调制器的反射光路上；所述CCD相机与傅立叶变换透镜设置于同一光路上。

2.根据权利要求1所述的基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统，其特征在于：所述基于光学联合变换相关器的像移探测成像系统还包括与CCD相机相连的用于实施数字傅立叶变换并进行像移计算的数字处理单元。

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