本發(fā)明屬于光學(xué)成像仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)遙感成像質(zhì)量仿真預(yù)估在偵察、測(cè)繪、監(jiān)視等遙感任務(wù)預(yù)測(cè)、成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評(píng)估以及圖像處理算法驗(yàn)證等方面具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著高軌監(jiān)視對(duì)空間分辨力需求的不斷提高，迫切需要空間光學(xué)載荷同時(shí)具有超大口徑、輕量化、加工周期短、成本低等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的反射式或折射式成像系統(tǒng)已無法全面滿足這些要求，而衍射光學(xué)成像技術(shù)能夠克服這一局限，因此急需針對(duì)光學(xué)衍射成像系統(tǒng)開展成像質(zhì)量的仿真模型與方法研究。但從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，仿真方法方面的研究多是針對(duì)于反射式或折射式系統(tǒng)，關(guān)于衍射成像系統(tǒng)像質(zhì)退化機(jī)理、仿真模型與方法的研究少見報(bào)道，而與傳統(tǒng)載荷相比，衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量退化更加嚴(yán)重，其圖像的傳遞函數(shù)(mtf)和信噪比(snr)均較低，特別是不同視場(chǎng)處的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(psf)空間變化性大，顯然無法采用傳統(tǒng)的反射式或折射式系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。因此，從衍射光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)退化機(jī)理出發(fā)，開展成像質(zhì)量仿真模型與方法研究，對(duì)衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的實(shí)際空間應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前衍射光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量仿真方法理論研究的空白，提出一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法。本發(fā)明適用于以衍射鏡為主鏡的光學(xué)系統(tǒng)的成像仿真，可仿真生成具有衍射成像特性的圖像，為衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及圖像處理算法的研究與驗(yàn)證提供支持。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述方法步驟如下：

步驟一：基于等暈區(qū)分塊思想，將原始圖像分割為若干個(gè)具有近似相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像塊；

步驟二：計(jì)算各圖像塊中心的子午面位置及其對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角；

步驟三：構(gòu)造離散化的菲涅爾衍射公式，計(jì)算各圖像塊的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；

步驟四：利用圖像不同區(qū)域的mtf對(duì)各圖像塊進(jìn)行低通濾波，并添加隨機(jī)噪聲。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出的菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，適用于以衍射鏡為主鏡的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的仿真預(yù)估，能夠獲取具有低mtf、低對(duì)比度、低snr、psf空間移變大等衍射光學(xué)特性的仿真圖像，可為衍射光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及圖像處理算法研究與驗(yàn)證提供必要的支持，填補(bǔ)了目前衍射光學(xué)成像仿真理論方法的空白。

(2)本發(fā)明將像元尺寸、鏡面采樣間隔、視場(chǎng)角等成像系統(tǒng)參量引入菲涅爾衍射公式，并采用等效衍射鏡透過率函數(shù)同時(shí)結(jié)合觀察平面坐標(biāo)系變換，構(gòu)造了衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的psf模型，該模型能夠反映不同成像視場(chǎng)、方向以及衍射鏡透過率、焦距、像元尺寸等參數(shù)下的psf變化規(guī)律，從而更準(zhǔn)確地揭示衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的像質(zhì)退化規(guī)律。

(3)本發(fā)明基于等暈區(qū)分塊思想，將原始圖像分割為若干個(gè)具有近似相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像塊，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹丿B區(qū)域，針對(duì)相鄰圖像塊拼接過程中可能造成重疊區(qū)域邊緣附近產(chǎn)生振鈴等偽像的問題，構(gòu)建基于重疊區(qū)域圖像灰度加權(quán)組合的偽像抑制策略，并利用由離散化菲涅爾衍射公式計(jì)算得出的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)其進(jìn)行低通濾波，從而能夠獲得具有大尺寸psf空變、低對(duì)比度等衍射光學(xué)成像特性的仿真圖像。

綜上，本發(fā)明提供了一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，適用于以衍射鏡為主鏡的光學(xué)系統(tǒng)的成像仿真，獲取具有大尺寸psf空變、低對(duì)比度等衍射光學(xué)成像特性的圖像，可支持衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還能夠?yàn)檠苌涔鈱W(xué)成像系統(tǒng)圖像處理算法的研究與驗(yàn)證提供輸入圖像。

附圖說明

圖1為一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法流程圖；

圖2為子午面與視場(chǎng)角的幾何示意圖；

圖3為衍射傳播模型示意圖；

圖4為傾斜入射時(shí)光的傳播示意圖；

圖5為觀察平面位置轉(zhuǎn)換示意圖；

圖6為坐標(biāo)系變換示意圖；

圖7為中心視場(chǎng)psf示意圖；

圖8為視場(chǎng)角2°×2°時(shí)psf示意圖；

圖9為視場(chǎng)角-1°×4°時(shí)psf示意圖；

圖10為圖像不同區(qū)域psf示意圖；

圖11為遙感圖像(一)；

圖12為遙感圖像(一)仿真結(jié)果圖；

圖13為遙感圖像(二)；

圖14為遙感圖像(二)仿真結(jié)果圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，本實(shí)施方式記載的是一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述方法步驟如下：

步驟一：基于等暈區(qū)分塊思想，將原始圖像分割為若干個(gè)具有近似相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像塊；

步驟二：計(jì)算各圖像塊中心的子午面位置及其對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角；

步驟三：構(gòu)造離散化的菲涅爾衍射公式，計(jì)算各圖像塊的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；

步驟四：利用圖像不同區(qū)域的mtf對(duì)各圖像塊進(jìn)行低通濾波，并添加隨機(jī)噪聲。

具體實(shí)施方式二：如圖1所示，具體實(shí)施方式一所述的一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述步驟一的具體步驟如下：

(1)基于等暈區(qū)分塊思想，將原始圖像分割為若干個(gè)具有近似相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像塊：

菲涅爾衍射成像系統(tǒng)具有明顯的psf空間移變特性，其退化模型可表示為：

y＝h(ωx，ωy)x+noi

式中，y為退化圖像頻譜；h(ωx，ωy)表示視場(chǎng)角為(ωx，ωy)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(mtf)；noi為噪聲頻譜；x表示原始圖像頻譜；

(2)先將若干個(gè)具有近似相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像塊的相鄰圖像塊間設(shè)計(jì)重疊區(qū)域；以圖像中心為原點(diǎn)，建立正交直角坐標(biāo)系，標(biāo)記每個(gè)圖像塊的中心坐標(biāo)為(xa，yb)。

具體實(shí)施方式三：如圖1所示，具體實(shí)施方式二所述的一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述步驟二的具體步驟如下：

(1)計(jì)算各圖像塊在x軸、y軸方向視場(chǎng)角：

設(shè)衍射光學(xué)成像系統(tǒng)焦距為f，像元尺寸為p1，則中心坐標(biāo)為(xa，yb)的圖像塊在x、y方向視場(chǎng)角ωx和ωy分別為：

(2)計(jì)算各圖像塊在子午面上視場(chǎng)角：

如圖2所示，由空間幾何關(guān)系可知子午面上視場(chǎng)角α和子午面與y軸夾角β分別為：

式中，sign(·)為符號(hào)函數(shù)。

具體實(shí)施方式四：如圖1所示，具體實(shí)施方式三所述的一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述步驟三的具體步驟如下：

(1)將菲涅爾衍射公式離散化，對(duì)鏡面透過率函數(shù)進(jìn)行采樣，取采樣間隔為p2mm，則平行光垂直入射時(shí)距離衍射鏡zmm處的衍射場(chǎng)復(fù)振幅分布為：

式中，坐標(biāo)系x0-y0和x-y分別位于光學(xué)系統(tǒng)的衍射平面和觀察平面，如圖3所示，且x，y，x0，y0均為整數(shù)；u表示觀察平面光場(chǎng)復(fù)振幅分布；t為衍射鏡復(fù)振幅透過率采樣矩陣，其大小為m×n；m表示矩陣的行數(shù)，n表示矩陣的列數(shù)；鏡面和像面坐標(biāo)原點(diǎn)均位于矩陣中心；λ為入射光波長(zhǎng)；j表示虛數(shù)；波數(shù)k＝2π/λ，π為圓周率；

(2)斜入射時(shí)成像模型如圖4所示，此時(shí)衍射鏡的等效復(fù)振幅透過率t′相當(dāng)于原透過率t在與入射方向垂直平面上的投影，設(shè)衍射鏡透過率函數(shù)為：

式中，a(x0，y0)為振幅調(diào)制因子；為位相調(diào)制因子；斜入射時(shí)，利用投影關(guān)系可得：

式中，x0′＝x0cosβ-y0sinβ；t′為等效衍射鏡復(fù)振幅透過率；

(3)利用離散化的菲涅爾衍射公式可得到，圖5中i′平面上有：

式中，坐標(biāo)系原點(diǎn)為主光線與坐標(biāo)平面交點(diǎn)；u′表示i′平面光場(chǎng)復(fù)振幅分布。但實(shí)際像面位于i平面，而不是i′?？紤]到空間內(nèi)某點(diǎn)的復(fù)振幅與觀察屏位置無關(guān)，那么，在i平面和i′平面，o點(diǎn)具有相同的復(fù)振幅，即：

u(0，0)＝u′(0，0)

由此推理，圖5中i平面上任意一點(diǎn)q(x，y)的復(fù)振幅，可以在i1平面求解，具體方法如下：如圖6所示，將坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，得到q點(diǎn)在弧矢-子午坐標(biāo)系中坐標(biāo)(lx，ly)，即像面上任意一點(diǎn)q(x，y)在弧矢和子午方向上投影l(fā)x和ly分別為：

lx＝xcosβ-ysinβ

ly＝xsinβ+ycosβ

則，i1平面作用距離z1表示為：

z1＝z′-lysinα

此外，q點(diǎn)在i1平面弧矢-子午坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(lx1，ly1)為：

l1x＝lx，l1y＝lycosα

故，q點(diǎn)在i1平面x-y坐標(biāo)下坐標(biāo)(x1，y1)為：

x1＝lxcosβ+lycosαsinβ

y1＝-lxsinβ+lycosαcosβ

則q點(diǎn)與沿著光線入射方向作用距離為z1的觀察平面上的q1(x1，y1)點(diǎn)的光強(qiáng)相等；

(4)將等效條件代入離散化的菲涅爾衍射公式得：

式中，u(ωx，ωy；x，y)表示視場(chǎng)角為ωx×ωy時(shí)，衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的振幅擴(kuò)散函數(shù)，取其模的平方可得：

h(ωx，ωy；x，y)＝|u(ωx，ωy；x，y)|²

式中，h(ωx，ωy；x，y)為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，作傅里葉變換可得該視場(chǎng)下衍射主鏡成像傳遞函數(shù)hdiff，即：

hdiff(ωx，ωy)＝f{h(ωx，ωy；x，y)}

式中，f{·}表示傅里葉變換符；衍射主鏡后端光學(xué)系統(tǒng)可視為線性空不變系統(tǒng)，設(shè)其傳遞函數(shù)為haft，則衍射光學(xué)成像系統(tǒng)傳不同視場(chǎng)遞函數(shù)h(ωx，ωy)可表示為：

h(ωx，ωy)＝hdiff(ωx，ωy)·haft

圖7至圖9是不同視場(chǎng)角下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)仿真結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式五：如圖1所示，具體實(shí)施方式四所述的一種菲涅爾衍射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量仿真方法，所述步驟四的具體步驟如下：

(1)利用圖像不同區(qū)域的mtf對(duì)各圖像塊進(jìn)行低通濾波，并添加隨機(jī)噪聲：利用具體實(shí)施方式三的步驟二和具體實(shí)施方式四的步驟三可得到圖像各個(gè)位置上的傳遞函數(shù)，如圖10；將各圖像塊分別使用相應(yīng)的mtf進(jìn)行低通濾波：

yab＝h(ωx，ωy)xab

式中，xab為原始圖像塊頻譜；yab表示退化頻譜，對(duì)其作傅里葉逆變換可得各圖像塊imgab的低通濾波結(jié)果；

(2)將所有圖像塊濾波結(jié)果拼合成完整圖像，記為img′，重疊區(qū)域采用相鄰圖像塊灰度的加權(quán)組合，距離某圖像塊中心距離越近，則該圖像塊灰度所占權(quán)重越大；最后對(duì)圖像整體添加噪聲，即可得到最終菲涅爾衍射成像系統(tǒng)圖像仿真結(jié)果：

imgdiff＝img′+n

式中，n表示隨機(jī)噪聲；imgdiff為最終仿真結(jié)果。仿真結(jié)果展示如圖11～圖14所示。