CN116051584A - 一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置，涉及光学图像处理技术领域，用以解决现有技术中红外场景图像光源波长不可调、目标边缘图像强度较弱以及探测器灵敏度要求高等问题。本发明的技术要点包括：将拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，将目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光共线入射进入非线性晶体，在非线性晶体中发生非线性作用；经过频率下转换后产生闲频光，经过光参量放大后产生能量放大的信号光；经过傅里叶逆变换后获得目标边缘图像和红外场景的目标边缘图像。本发明提供了一种波长可调、操作灵活的方法及装置，在获得目标边缘图像的同时，能量得到了放大，实现了高效率目标边缘检测。

Description

一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光学图像处理技术领域，具体涉及一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置。

背景技术

红外场景生成技术是指在实验室模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外成像系统提供红外目标和背景的图像源。红外场景生成技术可以分为直接辐射型和辐射调制型两种类型。直接辐射型是指控制生成器的成像单元，使其自身产生辐射，再通过控制其辐射强度从而生成红外图像，主要技术有：电阻阵列、激光二极管阵列、BlyCell等。辐射调制型实际上是利用空间光调制器，受计算机图像生成系统的控制，对红外光源提供的红外辐射进行空间强度调制，进而产生红外图像，通常采用液晶光阀、数字微镜器件、基于硅基液晶等空间光调制器。然而，这些技术对光源和空间光调制器要求较高，特别是远红外光源和空间光调制器价格昂贵，甚至在某些波段无法找到相关产品，而且光源波长不可调。

在图像处理中，目标边缘是图像最基本的特征，它包含对人类视觉和机器视觉最有价值的信息。对边缘信息的检测是图像分析识别前缺一不可的环节，在图像检测和模式识别等方面发挥着至关重要的作用。目前，通常采用螺旋相衬法、图像微分和高通滤波等方法进行图像边缘检测。其中，图像微分不仅可实现一阶、二阶及高阶微分数学运算，而且可实现图像精细边缘的提取和检测，是光计算和图像处理领域中的研究热点。

然而，目前这些边缘检测技术通常采用各种空间光调制器件线性产生，一方面这些器件损伤阈值较低，无法承受高功率光源，另一方面这些边缘检测方法仅提取目标的高频信息，滤除了能量占比较高的低频信息，造成了边缘检测信号微弱、效率较低，需要高灵敏探测器，探测器成本较高。因此，目标边缘图像波长可调红外场景生成、高效率边缘检测，以及微弱目标边缘图像的高灵敏探测在成像制导、图像处理等领域应用潜力巨大，也是该领域亟待解决的问题。

发明内容

为此，本发明提出一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置，用以解决现有技术中红外场景图像光源波长不可调、目标边缘图像强度较弱以及探测器灵敏度要求高等问题。

根据本发明的一方面，提供一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，该方法包括以下步骤：

将拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，将目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光共线入射进入非线性晶体，在非线性晶体中发生非线性作用，所述非线性作用包括频率下转换和光参量放大；其中，经过频率下转换后产生闲频光，所述闲频光的频率为泵浦光频率和信号光频率的差值；经过光参量放大后产生能量放大的信号光；

所述能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得目标边缘图像；

所述闲频光经过傅里叶逆变换，获得红外场景的目标边缘图像。

进一步地，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱表示为：

式中，w表示控制最大振幅的位置参数；k表示波矢量；k_x和k_y分别表示波矢量k在频域坐标系x、y轴的分量；i表示虚数单位。

进一步地，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO₃。

进一步地，在所述非线性作用中泵浦光、信号光及产生的闲频光需满足的相位匹配条件为：

k_P(ω_P)＝k_S(ω_S)+k_ID(ω_ID)

式中，ω_P表示泵浦光频率；ω_S表示信号光频率；ω_ID＝ω_P-ω_S表示闲频光频率；k_P,k_S,k_ID分别表示泵浦光、信号光和闲频光的波矢量。

进一步地，经过频率下转换后产生的闲频光的复振幅表示为E_ID(z)，其满足以下关系：

式中，z表示光波在非线性晶体内传播距离；

表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅的共轭；

所述闲频光经过傅里叶逆变换，获得的红外场景目标边缘图像表示为e_ID(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的一阶微分；

表示

的傅里叶逆变换。

进一步地，经过光参量放大后产生的能量放大的信号光的复振幅表示为E_S(z)，其满足以下关系：

式中，E_S(0)表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅；

所述能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得的目标边缘图像表示为e_S(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的二阶微分；e_S(0)表示E_S(0)的傅里叶逆变换。

根据本发明的另一方面，提供一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，该装置包括：螺旋相位调制器、第一透镜、反射镜、二向色镜、非线性晶体、目标图像、第二透镜、第三透镜和偏振分光棱镜；

将一束频率为ω_P的水平偏振光束入射螺旋相位调制器，以产生拓扑荷为1的涡旋光束；其中，所述螺旋相位调制器放置在第一透镜的前焦面；所述非线性晶体同时放置在第一透镜和第二透镜的后焦面；所述涡旋光束经反射镜和二向色镜反射，在第一透镜的后焦面形成涡旋光束的傅里叶频谱，作为泵浦光入射到非线性晶体上；

将一束频率为ω_S的水平偏振光束入射目标图像，所述目标图像放置在第二透镜的前焦面，经二向色镜透射，在第二透镜的后焦面形成目标图像的傅里叶频谱，作为信号光入射到非线性晶体上；

经过非线性晶体的非线性作用产生的光束经过第三透镜进行傅里叶逆变换；

经过偏振分光棱镜反射输出垂直偏振的闲频光、透射输出水平偏振的放大的信号光。

进一步地，所述装置还包括第一CCD相机和第二CCD相机，所述第一CCD相机用于采集所述闲频光对应的红外场景目标边缘图像，所述第二CCD相机用于采集所述放大的信号光对应的目标边缘图像。

进一步地，所述螺旋相位调制器为螺旋相位版、q波片或空间光调制器。

进一步地，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO₃。

本发明的有益技术效果是：

本发明基于二阶非线性效应，即频率下转换和光参量放大技术，引入拓扑荷为1的涡旋光束傅里叶频谱作为泵浦光，目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光在非线性晶体中发生非线性作用，产生的红外波段闲频光为目标图像的一阶微分，实现了目标边缘红外场景的生成；同时，放大的信号光为目标图像的二阶微分，获得了能量放大的目标双线边缘，实现了高效率目标边缘检测；本发明为目标边缘图像红外场景生成和微弱目标边缘图像增强提供了一种波长可调、操作灵活的频率下转换和参量放大方法及装置，传统的线性二阶微分边缘图像的产生效率一般低于1％，本发明在获得目标边缘图像的同时，能量得到了放大，放大率一般在10～1000之间，这意味着产生效率已超过100％，实现了高效率目标边缘检测。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明实施例一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法的流程图。

图2是本发明实施例一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置的结构图。

图3是本发明实施例中拓扑荷为1的涡旋频谱泵浦光示意图。

图4是本发明实施例中两个不同的目标物图像示例图。

图5是本发明实施例中目标边缘“单线”图像的红外场景生成示例图。

图6是本发明实施例中二阶微分滤波放大的目标“双线”边缘图像示例图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

为了解决红外场景图像光源波长不可调，以及目标边缘图像产生效率低、强度较弱等问题，本发明提出了一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法及装置，基于二阶非线性效应，即频率下转换和光参量放大技术，引入拓扑荷为1的涡旋光束傅里叶频谱作为泵浦光，目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光在非线性晶体中发生非线性作用，产生的红外波段闲频光为目标图像的一阶微分，实现了目标边缘红外场景的生成；同时，放大的信号光为目标图像的二阶微分，获得了能量放大(频率不变)的目标双线边缘，实现了高效率目标边缘检测。

本发明实施例提出一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

将拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，将目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光共线入射进入非线性晶体，在非线性晶体中发生非线性作用，非线性作用包括频率下转换和光参量放大；其中，经过频率下转换后产生闲频光，闲频光的频率为泵浦光频率和信号光频率的差值；经过光参量放大后产生能量放大的信号光；

能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得目标边缘图像；

闲频光经过傅里叶逆变换，获得红外场景的目标边缘图像。

本实施例中，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱表示为：

式中，w表示控制最大振幅的位置参数；k表示波矢量；k_x和k_y分别表示波矢量k在频域坐标系x、y轴的分量；i表示虚数单位。

本实施例中，优选地，非线性晶体包括KTP或LiNbO₃。

本实施例中，在非线性作用中泵浦光、信号光及产生的闲频光需满足的相位匹配条件为：

k_P(ω_P)＝k_S(ω_S)+k_ID(ω_ID)

式中，ω_P表示泵浦光频率；ω_S表示信号光频率；ω_ID＝ω_P-ω_S表示闲频光频率；k_P,k_S,k_ID分别表示泵浦光、信号光和闲频光的波矢量。

本实施例中，经过频率下转换后产生的闲频光的复振幅表示为E_ID(z)，其满足以下关系：

式中，z表示光波在非线性晶体内传播距离；

表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅的共轭；

闲频光经过傅里叶逆变换，获得的红外场景目标边缘图像表示为e_ID(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的一阶微分；

表示

的傅里叶逆变换。

本实施例中，经过光参量放大后产生的能量放大的信号光的复振幅表示为E_S(z)，其满足以下关系：

式中，E_S(0)表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅；

能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得的目标边缘图像表示为e_S(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的二阶微分；e_S(0)表示E_S(0)的傅里叶逆变换。

下面对本发明进行详细说明。

数字图像处理中通常使用微分算子来提取图像的边缘，包括索贝尔算子、拉普拉斯算子等，其中索贝尔算子为一阶微分算子，拉普拉斯算子为二阶微分算子，且一阶微分算子表现出提取边缘的“单边缘效应”，二阶微分算子表现出提取边缘的“双边缘效应”，具有更加精细的边缘结构。其中，一阶微分索贝尔算子在频域中的表达式为：

H(k_x,k_y)＝k_x+ik_y  (1)

其中k_x和k_y为频率域坐标。

二阶微分拉普拉斯算子在频域中的表达式为：

若能获得式(1)和(2)所示的频域滤波函数，即可实现目标图像的一阶和二阶微分，同时实现目标“单线”和“双线”边缘的检测。

频率下转换(频率变小)与光参量放大是二阶非线性三波耦合过程。频率为ω_S的信号光和频率为ω_P的泵浦光在非线性晶体中相互作用，产生频率为ω_ID的闲频光且ω_ID＝ω_P-ω_S，和能量放大的信号光ω'_S＝ω_S(即频率不变)，该闲频光即为泵浦光和信号光频率的差频，也就是红外相干辐射。此非线性过程相位匹配需要满足色散关系k_P(ω_P)＝k_S(ω_S)+k_ID(ω_ID)，其中k_P,k_S,k_ID分别为泵浦光、信号光和闲频光的波矢量。

假设频率下转换与参量放大过程在小信号近似条件(即泵浦无损耗)下进行，并且满足相位匹配条件，缓变振幅近似条件下，相互作用的耦合波方程可以写为：

其中，E_P(0)是泵浦光在晶体入射面的复振幅；d_eff是有效非线性极化率，c是光速，z是光波在晶体内传播距离；E_S表示信号光复振幅；E_ID表示闲频光复振幅；

表示闲频光复振幅的共轭；

表示信号光复振幅的共轭。

上述方程(3)和(4)的解分别为：

E_S(z)＝E_S(0)coshκz  (5)

其中，E_S(0)表示信号光在晶体入射面的复振幅；E_S(z)表示从晶体出射的信号光的复振幅；κ是实耦合常数，

n_S表示信号光在晶体内的折射率；n_ID表示闲频光在晶体内的折射率。

将κ代入公式(5)和(6)，可得：

E_S(z)∝E_S(0)·|E_P(0)|²  (7)

本发明中采用目标图像的傅里叶频谱作为信号光，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，此时，泵浦光可表示为：

式中，w表示控制最大振幅的位置参数。

将式(9)代入式(8)，经频率下转换后，闲频光复振幅可表示为：

根据式(1)所表示的一阶微分算符H(k_x,k_y)可知，闲频光复振幅

经傅里叶逆变换得：

式中，

分别表示x和y方向的一阶微分；

表示

的傅里叶逆变换。

从上述过程可见，实现了共轭目标图像的一阶微分，由于记录的均为强度分布，共轭目标与原目标强度相同，因此可获得红外目标边缘“单线”图像。

将式(9)代入式(7)，可获得放大的信号光复振幅为：

根据式(2)所表示的二阶微分算符F(k_x,k_y)可知，放大的信号光复振幅E_S(z)∝F(k_x,k_y)·E_S(0)，经傅里叶逆变换得：

可以看出，实现了目标图像的二阶微分，获得了目标边缘“双线”图像。

本发明中采用目标图像的傅里叶频谱作为信号光，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，泵浦光和信号光在非线性晶体相互作用的过程相当于对信号光进行一阶微分，再经过傅里叶逆变换，获得的闲频光为目标边缘图像，通过调节泵浦光或信号光频率，或者相位匹配条件，可获得频率可调谐的红外目标边缘“单线”图像，实现目标边缘图像的红外场景生成；泵浦光和信号光在非线性晶体发生作用的过程，在产生红外闲频光的同时，对信号光进行参量放大，参量放大的过程相当于对信号光进行二阶微分，再经过傅里叶逆变换，获得目标边缘“双线”图像；由于在非线性作用过程中，泵浦光能量向信号光转移，从而获得能量放大的目标边缘“双线”图像。

传统的线性二阶微分边缘图像的产生效率一般低于1％，而利用本发明方法，在获得目标边缘图像的同时，能量得到了放大，放大率一般在10～1000之间，这意味着产生效率已超过100％，实现了高效率目标边缘检测，解决传统目标边缘检测效率低，信号弱等问题。

本发明另一实施例提供一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，如图2所示。一束频率为ω_P的水平偏振光束入射螺旋相位调制器1(可以为螺旋相位版、q波片、空间光调制器等)，形成涡旋光束，并将螺旋相位调制器1放置在第一透镜2的前焦面，经反射镜3、二向色镜4反射，在第一透镜2的后焦面形成涡旋光束的频谱，作为泵浦光入射到非线性晶体5(可以为KTP、LiNbO₃等)上，非线性晶体5放置在第一透镜2和第二透镜7的后焦面；

一束频率为ω_S的水平偏振光束入射目标图像6，目标图像6位于第二透镜7的前焦面，经二向色镜4透射，在第二透镜7的后焦面形成目标图像6的频谱，作为信号光，和泵浦光共线入射进入非线性晶体5，在非线性晶体5发生II型相位匹配的频率下转换和光参量放大，产生的信号放大光和闲频光经第三透镜8进行傅里叶逆变换，闲频光为垂直偏振的红外目标边缘图像ω_ID＝ω_P-ω_S，经偏振分光棱镜9反射输出，信号放大光为水平偏振的目标边缘图像放大光ω_S，经偏振分光棱镜9透射输出。

本实施例中，所述装置还包括第一CCD相机10和第二CCD相机11，第一CCD相机10用于采集闲频光对应的红外场景目标边缘图像，第二CCD相机11用于采集放大的信号光对应的目标边缘图像。

进一步利用Matlab进行数值仿真以验证本发明的技术效果。

图3是拓扑荷为1的涡旋频谱泵浦光，图4为两个不同的目标物图像，在Matlab仿真实验中，根据频率下转换和参量放大原理，按照描述该非线性过程的方程(3)～(6)编写程序，从而实现输入信号光的频率下转换产生红外闲频光，同时利用参量放大获得与信号光同频的放大光。具体地，可以选取合适的泵浦光频率以应对不同波长红外目标场景生成的需求。

仿真实验中，通过在入射高斯光中添加一个螺旋相位因子

来形成涡旋光束，再经过傅里叶变换形成涡旋光的频谱分布入射非线性晶体形成泵浦光，如图4所示，而且可以通过调节入射高斯光束腰的大小来调节晶体中泵浦光的尺寸；将目标图像的傅里叶变换形成的目标频谱作为信号光，和泵浦光发生非线性作用后，产生具有单线边缘的一阶微分单线图像，如图5所示；同时获得参量放大的二阶微分目标“双线”边缘图像，如图6所示，实验结果与理论预测符合。

尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱作为泵浦光，将目标图像的傅里叶频谱作为信号光，泵浦光与信号光共线入射进入非线性晶体，在非线性晶体中发生非线性作用，所述非线性作用包括频率下转换和光参量放大；其中，经过频率下转换后产生闲频光，所述闲频光的频率为泵浦光频率和信号光频率的差值；经过光参量放大后产生能量放大的信号光；

所述能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得目标边缘图像；

所述闲频光经过傅里叶逆变换，获得红外场景的目标边缘图像。

2.根据权利要求1所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱表示为：

式中，w表示控制最大振幅的位置参数；k表示波矢量；k_x和k_y分别表示波矢量k在频域坐标系x、y轴的分量；i表示虚数单位。

3.根据权利要求1所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO₃。

4.根据权利要求1所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，在所述非线性作用中泵浦光、信号光及产生的闲频光需满足的相位匹配条件为：

k_P(ω_P)＝k_S(ω_S)+k_ID(ω_ID)

式中，ω_P表示泵浦光频率；ω_S表示信号光频率；ω_ID＝ω_P-ω_S表示闲频光频率；k_P,k_S,k_ID分别表示泵浦光、信号光和闲频光的波矢量。

5.根据权利要求2所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，经过频率下转换后产生的闲频光的复振幅表示为E_ID(z)，其满足以下关系：

式中，z表示光波在非线性晶体内传播距离；

表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅的共轭；

所述闲频光经过傅里叶逆变换，获得的红外场景目标边缘图像表示为e_ID(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的一阶微分；

表示

的傅里叶逆变换。

6.根据权利要求5所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测方法，其特征在于，经过光参量放大后产生的能量放大的信号光的复振幅表示为E_S(z)，其满足以下关系：

式中，E_S(0)表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅；

所述能量放大的信号光经过傅里叶逆变换，获得的目标边缘图像表示为e_S(z)，其满足以下关系：

式中，

分别表示空域坐标系x和y方向的二阶微分；e_S(0)表示E_S(0)的傅里叶逆变换。

7.一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，其特征在于，包括：螺旋相位调制器(1)、第一透镜(2)、反射镜(3)、二向色镜(4)、非线性晶体(5)、目标图像(6)、第二透镜(7)、第三透镜(8)和偏振分光棱镜(9)；

将一束频率为ω_P的水平偏振光束入射螺旋相位调制器(1)，以产生拓扑荷为1的涡旋光束；其中，所述螺旋相位调制器(1)放置在第一透镜(2)的前焦面，所述非线性晶体(5)同时放置在第一透镜(2)和第二透镜(7)的后焦面；所述涡旋光束经反射镜(3)和二向色镜(4)反射，在第一透镜(2)的后焦面形成涡旋光束的傅里叶频谱，作为泵浦光入射到非线性晶体(5)上；

将一束频率为ω_S的水平偏振光束入射目标图像(6)，所述目标图像(6)放置在第二透镜(7)的前焦面，经二向色镜(4)透射，在第二透镜(7)的后焦面形成目标图像(6)的傅里叶频谱，作为信号光入射到非线性晶体(5)上；

经过非线性晶体(5)的非线性作用产生的光束经过第三透镜(8)进行傅里叶逆变换；

经过偏振分光棱镜(9)反射输出垂直偏振的闲频光、透射输出水平偏振的放大的信号光。

8.根据权利要求7所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，其特征在于，所述装置还包括第一CCD相机(10)和第二CCD相机(11)，所述第一CCD相机(10)用于采集所述闲频光对应的红外场景目标边缘图像，所述第二CCD相机(11)用于采集所述放大的信号光对应的目标边缘图像。

9.根据权利要求7所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，其特征在于，所述螺旋相位调制器(1)为螺旋相位版、q波片或空间光调制器。

10.根据权利要求7所述的一种目标边缘红外场景生成与高效率边缘检测装置，其特征在于，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO₃。

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