專利名稱：基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種成像系統(tǒng)，尤其涉及一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在成像曝光時間內(nèi)，如果目標與相機之間存在相對運動，那么最終所獲得的圖像就會是模糊降質(zhì)的。有兩種途徑可以消除運動模糊對圖像質(zhì)量的影響其一是使用數(shù)字圖像復(fù)原算法通過解卷積來達到去除運動模糊、恢復(fù)圖像信息的目的；其二則是依靠特定的硬件來實時補償成像曝光時間內(nèi)所產(chǎn)生的像移，從而達到穩(wěn)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(guān)重要的，因為像移探測對于軟件補償方法來說可以提高其圖像復(fù)原的準確度，而對于硬件補償方法來說則是非常關(guān)鍵的第一
止
少ο時至今日，已有眾多的方法被提出用于像移的探測計算，而光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器 JTC(Joint Transform Correlator)就是其中之一。由于JTC既具有光學(xué)圖像處理高速度、 大容量和并行處理的特點，又具有電路控制靈活、精確、可編程的優(yōu)點，因此具有很大的應(yīng)用潛力，是像移探測領(lǐng)域的研究熱點之一?；诠鈱W(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器JTC的像移測量步驟可以概括為1、高速CXD相機分別采集時刻t和t+ Δ t的兩幅具有相對像移的圖像，并按照式
(一)所描述的排布形式輸入到振幅型空間光調(diào)制器中；I (x, y) = ft (χ, y-a) +ft^t (χ+ δ χ, y+a+ δ y)(一)其中(x，y)為圖像的二維坐標，a表示兩幅圖像在空間光調(diào)制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(diào)制器作為目標源，經(jīng)激光準直平行光束照射后，由傅立葉變換透鏡完成第一次傅立葉變換，并由探測CCD相機獲得聯(lián)合變換功率譜，如式(二)所示\T{u,v)|2 =\Ft{u,v)|2 + \Ft+MO,v)|2 + Ft+MF；.exp[ 2π.[泌χ + (2α + 辦)ν]}
(二)其中u，ν是傅立葉變換頻譜坐標，F(xiàn)t (u，ν)和Ft+.t(u,v)分別對應(yīng)于ft和ft+.t的頻譜，而*則表示復(fù)共軛。3、聯(lián)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(diào)制器中，之后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(guān)峰圖像，如式(三)所示C(x, y) = ft ft+/ +Δ / +Δ +ft0ft+At*S(x (三)[0015]在式(三)中，前兩項為圖像ft和ft+,t的自相關(guān)項，而后兩項則對應(yīng)于它們的互相關(guān)項?？梢钥吹?，互相關(guān)峰的位置包含了 ft和間的相對位移信息。因此，通過質(zhì)心提取算法來精確定位互相關(guān)峰的位置，兩幅圖像之間的像移就可以被計算出來?；贘TC的像移探測具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，可以適用于極低信噪比的情況，但是一旦涉及到CCD相機成像，離焦就是一個無法回避的問題。裝較不到位，或者過度振動，都會導(dǎo)致CCD相機在接收聯(lián)合變換功率譜和互相關(guān)峰圖像時出現(xiàn)離焦。離焦會導(dǎo)致互相關(guān)圖像的信噪比降低，從而影響質(zhì)心提取的精度，進而影響到像移探測的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)正焦時，得到的互相關(guān)峰是非常明顯的，一旦出現(xiàn)離焦， 那么就會在背景中產(chǎn)生許多虛假的次峰從而對提取真正互相關(guān)峰的位置造成干擾。傳統(tǒng)JTC具有兩次CXD成像過程，所以可能兩次引入離焦。

實用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種可消除系統(tǒng)對離焦的敏感以及提高其像移探測穩(wěn)定度的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)。本實用新型的技術(shù)解決方案是本實用新型提供了一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)，其特殊之處在于所述基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)包括激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器、相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器、傅立葉變換透鏡以及CXD相機；所述激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器以及相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器依次設(shè)置于同一光路上；所述傅立葉變換透鏡設(shè)置于相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器的反射光路上；所述CXD相機與傅立葉變換透鏡設(shè)置于同一光路上。上述基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)還包括與CXD相機相連的用于實施數(shù)字傅立葉變換并進行像移計算的數(shù)字處理單元。本實用新型的優(yōu)點是本實用新型提供了一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(yīng)的第二次光學(xué)傅立葉變換由數(shù)字傅立葉變換替代，從而避免了獲取互相關(guān)峰圖像時再次引入離焦的可能；2)系統(tǒng)在傅立葉變換透鏡前引入一塊相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器。該空間光調(diào)制器產(chǎn)生的隨時間變化的相位調(diào)制中包含有隨機產(chǎn)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(nèi)，不同的隨機相位調(diào)制將產(chǎn)生不同的互相關(guān)峰圖像。將這些互相關(guān)峰圖像進行空間域平均，并以平均互相關(guān)峰圖像為基礎(chǔ)進行質(zhì)心提取和像移計算，就能夠大大弱化系統(tǒng)對離焦的敏感性而提高像移探測的穩(wěn)定度。本實用新型提出了一種改進的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器JTCCJoint Transform Correlator)的像移探測成像系統(tǒng)。與已有的基于JTC原理的像移探測成像系統(tǒng)的最大區(qū)別在于引入數(shù)字處理單元，將第二次光學(xué)傅立葉變換由數(shù)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(diào)制器，并由此產(chǎn)生時變的含有隨機離焦相位差的相位調(diào)制。通過將對應(yīng)于不同相位調(diào)制的多組互相關(guān)峰圖像先進行平均處理，之后在此基礎(chǔ)上進行像移提取計算，就能夠達到使像移探測成像系統(tǒng)對離焦不敏感的目的，從而使像移探測的穩(wěn)定度增強。
圖1是本實用新型所提出的新型像移探測成像系統(tǒng)的原理圖；圖2是本實用新型與傳統(tǒng)JTC像移探測結(jié)果的對比圖；其中1-激光器平行光管；2-振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器；3-相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器；4-傅立葉變換透鏡；5-CXD相機。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型提供了一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)， 包括激光平行光管1、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器2、相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器3、傅立葉變換透鏡4以及CXD相機5 ；激光器平行光管1、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器2、相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器3、傅立葉變換透鏡4以及CXD相機5依次位于同一光路中。本實用新型所提供的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)還包括與CCD 相機6相連的數(shù)字處理單元，該數(shù)字處理單元用于實施數(shù)字傅立葉變換，并進行像移計算。該像移探測成像系統(tǒng)其特征在于(1)首先通過一次光學(xué)傅立葉變換獲得聯(lián)合變換功率譜，之后將其輸入到數(shù)字處理單元再經(jīng)過一次數(shù)字傅立葉變換得到互相關(guān)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(diào)制器，并由此引入時變的含有離焦相位差的隨機相位調(diào)制；在較短的時間間隔內(nèi)，將對應(yīng)于不同隨機相位調(diào)制的多幅互相關(guān)峰圖像進行平均，并以平均互相關(guān)峰圖像為基礎(chǔ)提取像移矢量，就能夠使系統(tǒng)變得對離焦不敏感，進而增強了像移探測的穩(wěn)定度。在該像移探測成像系統(tǒng)中，由相位型空間光調(diào)制器引入的隨機相位調(diào)制，其特征在于其二維相位函數(shù)矩陣中的每個點的相位調(diào)制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)+W20 · Y (t) · (x2+y2) x| , |y| < 1 β << α式中，α是固定的相位調(diào)制強度，β是隨機擾動強度，W2tl是最大離焦相位差系數(shù)， t是時間變量，rand表示均勻分布概率密度函數(shù)，其值位于0 1之間。γ也是一個概率密度函數(shù)符合均勻分布的隨機變量，用以產(chǎn)生時變的隨機離焦相位差。X與1為相位型空間光調(diào)制器所在平面歸一化后的坐標。本實用新型所提出的改進的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器JTC的像移探測成像系統(tǒng)的原理框架如圖1所示。與傳統(tǒng)的JTC像移探測成像系統(tǒng)的根本差異在于兩點其一是本系統(tǒng)僅包含一次光學(xué)傅立葉變換過程，在獲得了聯(lián)合變換功率譜之后，直接將其送入數(shù)字處理單元通過數(shù)字傅立葉變換來獲得互相關(guān)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(diào)制器3，用以產(chǎn)生抑制離焦像差的隨機相位分布。在圖1中，1是激光平行光管，用于產(chǎn)生準直擴束后的單色激光；單元2是振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器，被輸入圖像后作為目標源；單元3是相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器，用以產(chǎn)生時變的包含有離焦相位差的隨機相位調(diào)制；單元4是傅立葉變換透鏡，用于完成光學(xué)傅立葉變換來最終獲得互相關(guān)峰圖像；單元5是高速CCD相機，用于接收聯(lián)合變換功率譜。在獲得聯(lián)合功率譜之后，將其送入數(shù)字處理單元，通過數(shù)字傅立葉變換來得到互相關(guān)峰圖像，進而計算出相應(yīng)的像移大小。其中，振幅型空間光調(diào)制器2，相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器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，盡可能靠近以減小整個系統(tǒng)的體積。相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器3所引入的二維相位函數(shù)矩陣中的每個點的相位調(diào)制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)+W20 · Y (t) · (x2+y2) x| , |y| < 1 β << α式中，α是固定的相位調(diào)制強度，β是隨機擾動強度，W2tl是最大離焦相位差系數(shù)， t是時間變量，rand表示均勻分布概率密度函數(shù)，其值位于0 1之間。γ也是一個概率密度函數(shù)符合均勻分布的隨機變量，用以產(chǎn)生時變的隨機離焦相位差。X與1為相位型空間光調(diào)制器所在平面歸一化后的坐標。在使用本實用新型所提出的JTC系統(tǒng)進行像移探測時，其關(guān)鍵之處在于首先通過前置高速圖像獲取裝置采集到時間間隔為At內(nèi)的兩幅圖像，之后將其按照式(一)組合成一個整體并作為新的圖像輸入到振幅型空間光調(diào)制器中；同時要求相位型空間光調(diào)制器在At時間內(nèi)以較高的速度隨機地產(chǎn)生多組包含隨機離焦相位差的相位調(diào)制。從理論上來說，在At時間內(nèi)使用越多的對應(yīng)于不同相位調(diào)制的互相關(guān)圖像進行平均，那么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(diào)制器的要求就會變得非?？量?。舉例來說，如果前置高速圖像采集裝置的幀率為80Hz，也就是說At 為12. 5ms，那么假設(shè)要產(chǎn)生25組對應(yīng)于不同相位調(diào)制的互相關(guān)圖像，相位型空間光調(diào)制器的刷新幀率必須達到2000Hz才能夠滿足要求。如果前置采集裝置的幀率上升到300Hz，同時依然需要25幅互相關(guān)圖像，那么相位型空間光調(diào)制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(diào)制器產(chǎn)生的隨機相位調(diào)制并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范圍內(nèi)的離焦。因此，實際上并不需要相位型空間光調(diào)制器以那么高的頻率在At時間間隔內(nèi)不斷地改變其相位分布狀態(tài)。這樣，在前置圖像采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(guān)峰圖像來進行平均處理，那么相位型空間光調(diào)制器的刷新頻率只要達到1500Hz就可以了。調(diào)研表明，現(xiàn)有相位型空間光調(diào)制器(如美國BNS公司的產(chǎn)品)其采用PCIE總線進行通信時，輕易可以達到1600Hz以上，而且隨著技術(shù)逐漸的成熟，其速度會進一步提高。傳統(tǒng)JTC的測量結(jié)果用藍色點劃線表示，新型JTC的測量結(jié)果用紅色實線表示。其中由相位型空間光調(diào)制器產(chǎn)生的隨機相位所包含的離焦相位差的范圍為0 30 π。其水平和垂直像移測量結(jié)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(yīng)于不同隨機相位調(diào)制的互相關(guān)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(guān)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(diào)制器模擬0 30 π的離焦相位差時，本實用新型所提出的JTC系統(tǒng)所獲得的像移計算結(jié)果與參考數(shù)據(jù)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(diào)制器，并由此產(chǎn)生時變的隨機相位調(diào)制，之后使用多幅對應(yīng)于不同相位調(diào)制的互相關(guān)圖像進行平均處理并同時實施像移量的反演，就可以大大改善基于JTC像移探測成像系統(tǒng)的性能，使之對離焦不敏感，從而提高了 JTC系統(tǒng)進行像移探測的穩(wěn)定性。所以，本實用新型的提出對于JTC像移探測系統(tǒng)的發(fā)展來說是一個有益的補充。
權(quán)利要求1.一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)，其特征在于所述基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)包括激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器、相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器、傅立葉變換透鏡以及CCD相機；所述激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器以及相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器依次設(shè)置于同一光路上；所述傅立葉變換透鏡設(shè)置于相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器的反射光路上；所述CCD相機與傅立葉變換透鏡設(shè)置于同一光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)，其特征在于所述基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)還包括與CCD相機相連的用于實施數(shù)字傅立葉變換并進行像移計算的數(shù)字處理單元。
專利摘要本實用新型涉及一種基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器、相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器、傅立葉變換透鏡以及CCD相機；激光平行光管、振幅調(diào)制透射式空間光調(diào)制器以及相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器依次設(shè)置于同一光路上；傅立葉變換透鏡設(shè)置于相位調(diào)制反射式空間光調(diào)制器的反射光路上；CCD相機與傅立葉變換透鏡設(shè)置于同一光路上。本實用新型提供了一種可消除系統(tǒng)對離焦的敏感以及提高其像移探測穩(wěn)定度的基于光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器的像移探測成像系統(tǒng)。
文檔編號G01B11/02GK202133375SQ20112021466
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者易紅偉, 李英才, 趙惠 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所