一种反差约束的气动热辐射校正方法技术

本发明专利技术公开了一种反差约束的气动热辐射校正方法。通过统计不同强度下的气动热辐射图像的特点，发现气动热辐射效应越强的图像，其反差越小的特点；在使用梯度拟合算法进行热辐射校正时，发现其时间消耗随着拟合曲面阶数的增长和图像大小的增长均呈指数增长趋势，本发明专利技术能快速有效地对气动热辐射图像进行恢复，显著提高图像的信噪比和图像质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气动光学、信息处理和航天科技相结合的交叉科学
，具体涉及一种反差约束的气动热辐射校正方法，该方法可应用于高速飞行器遥感、探测、导航和制导时的图像预处理过程中。
技术介绍
气动光学是空气动力学与光学相结合的交叉学科，高速飞行器在大气层中飞行时会产生严重的气动光学效应，严重影响光学成像探测系统的成像质量。因此，气动光学效应及其校正方法是该学科研究的重要方向，同时也是制约高速飞行器发展应用的主要技术难题之一。带有光学成像探测系统的高速飞行器在大气层内飞行时，光学窗口与气流之间的相互作用形成复杂的流场。由于空气粘性的作用，与光学窗口表面相接触的气流将受到阻滞，使得气流速度降低，在光学窗口表面附近形成边界层。边界层内具有很大速度梯度的各层会产生强烈的摩擦，气流的动能不可逆转地变为热能，造成窗口壁面温度的升高。高温气流将不断向低温壁面传热，引起很强的气动加热。光学窗口被气动加热而处于严重的气动热环境中，产生热辐射噪声，降低光电探测系统的信噪比和图像质量。飞行速度越大，气流在飞行器表面加热的程度就越严重。窗外气流的辐照度和窗口的辐照度与背景的辐照度迭加，成像传感器将进入非线性区或饱和，造成景物有效信息的丢失，以及信噪比、信杂比的降低，使其探测性能下降。因此，需要对成像传感器获取的图像进行气动热辐射校正，以提高图像质量。由于气动热辐射的退化模型是未知且随机变化的，退化图像还含有其他噪声，增加了图像恢复或校正的难度。另外，针对高速飞行器，尤其是高超音速飞行器的特定应用环境，其成像系统的高帧频特性，要求校正算法必须具有极高的实时性。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种反差约束的气动热辐射校正方法，解决现有气动热辐射校正方法在处理强热辐射效应时效果差，并且在处理大型图像时校正效率低的问题，可用于对高速飞行器遥感、探测、导航和制导时获取的图像进行气动热辐射校正。为实现上述目的，本专利技术提供了一种气动热辐射校正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)滤除原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像以克服噪声在热辐射场估计过程中产生的不利影响；(2)从滤波图像中估计得到原始气动热辐射图像Z的气动热辐射场B1，进而得到初校正图像S1＝Z-B1；(3)求解气动热辐射场B1的辐射中心区域，根据气动热辐射场B1的辐射中心区域，将原始气动热辐射图像Z和初校正图像S1划分为对等的图像块；(4)分别计算原始气动热辐射图像Z的图像块的反差值以及初校正图像S1的图像块的反差值，得到原始气动热辐射图像Z的图像块相对于初校正图像S1的对应图像块的反差值变化；(5)对比辐射中心区域对应的图像块的反差值变化与非辐射中心区域对应的图像块的反差值变化，在二者的差异均小于或等于预定的阈值时，将初校正图像S1作为最终的校正结果，否则顺序执行步骤(6)；(6)由滤波图像和气动热辐射场B1得到图像将图像Z1对应于气动热辐射场B1的辐射中心区域的部分作为新的滤波图像从滤波图像中估计得到初校正图像S1的辐射中心区域残余的气动热辐射场B2，进而得到二次校正图像S2＝S1-B2。优选地，上述方法还包括如下步骤(7)：将二次校正图像S2的辐射中心区域的边缘与初校正图像S1的辐射中心区域的边缘进行加权处理，以消除分块带来的边缘效应，使图像达到更高的质量。优选地，所述步骤(3)中，以气动热辐射场B1的辐射中心区域为中心，将原始气动热辐射图像Z和初校正图像S1划分为对等的图像块，使原始气动热辐射图像Z的与气动热辐射场B1的辐射中心区域对应的图像块在原始气动热辐射图像Z的所有图像块的中心，使初校正图像S1的与气动热辐射场B1的辐射中心区域对应的图像块在初校正图像S1的所有图像块的中心。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：通过统计不同强度下的气动热辐射图像的特点，发现气动热辐射效应越强的图像，其反差越小的特点；在使用梯度拟合算法进行热辐射校正时，发现其时间消耗随着拟合曲面阶数的增长和图像大小的增长均呈指数增长趋势，本专利技术能快速有效地对气动热辐射图像进行恢复，显著提高图像的信噪比和图像质量。附图说明图1是对输入图像加入逐渐增强的辐射照度曲面，并计算其反差值变化情况得到的图像反差值随气动热辐射强度变化的曲线；图2是梯度最小二乘拟合校正方法耗时随拟合阶数K变化曲线图；图3是梯度最小二乘拟合校正方法耗时随图像大小变化曲线图；图4是本专利技术实施例的反差约束的气动热辐射校正方法流程图；图5是加权平方最小化(WLS)滤波效果图，其中，(a)为原始图像，(b)为滤波图像；图6是反差约束的气动热辐射校正方法示例，其中，(a)为基准图像，(b)为气动热辐射退化图像，(c)为(b)加权平方最小化滤波结果，(d)为(b)经过K＝2的情况下，梯度拟合气动热辐射曲面的初校正结果，(e)为(d)根据K＝2拟合的气动热辐射场和初校正结果进行分块的示意图，(f)为对(e)中心区域进行二次校正的结果图，(g)为(e)进行边缘融合的结果图，(h)为(g)中取一列像素显示，以验证气动热辐射校正结果的效果图；图7是反差约束下的气动热辐射校正与无约束的气动热辐射校正方法对比图，其中，(a)为K＝9的校正结果图，(b)为反差约束的校正图，(c)为分别取基准图像，无约束校正图像，反差约束校正图像的一列像素显示效果图；图8是电弧风洞实验效果图，其中，(a)为电弧风洞气动热辐射图像，(b)为无约束校正结果，(c)为反差约束校正结果，(d)为取一列像素显示效果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术基于热辐射校正的如下三个特点：(1)图像反差值随气动热辐射强度的增大逐渐减小，如图1所示；(2)在进行梯度拟合校正热辐射时，时间随拟合阶数K呈指数增长，如图2所示；(3)在进行梯度拟合校正热辐射时，校正时间随图像大小呈近似指数增长，如图3所示，提出反差约束的气动热辐射校正方法。如图4所示，本专利技术实施例的反差约束的气动热辐射校正方法包括如下步骤：(1)由于气动热辐射场的低频特性，利用基于加权平方最小的图像平滑算法滤除原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像以克服噪声在热辐射场估计过程中产生的不利影响；具体地，滤波图像表示为：Z^=(I+λL)-1Z,]]>其中，I为单位矩阵，λ为光滑参数，λ越大滤波后的图像越光滑，此例设为0.002，Dx和Dy分别为图像坐标系x方向和y方向的前向差分算子，Wx和Wy分别为图像坐标系x方向和y方向的加权系数对角矩阵。具体地，Wx的第i行对角元素的值为Wy的第i行对角元素的值为其中，l为输入图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气动热辐射校正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)滤除原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像以克服噪声在热辐射场估计过程中产生的不利影响；(2)从滤波图像中估计得到原始气动热辐射图像Z的气动热辐射场B1，进而得到初校正图像S1＝Z‑B1；(3)求解气动热辐射场B1的辐射中心区域，根据气动热辐射场B1的辐射中心区域，将原始气动热辐射图像Z和初校正图像S1划分为对等的图像块；(4)分别计算原始气动热辐射图像Z的图像块的反差值以及初校正图像S1的图像块的反差值，得到原始气动热辐射图像Z的图像块相对于初校正图像S1的对应图像块的反差值变化；(5)对比辐射中心区域对应的图像块的反差值变化与非辐射中心区域对应的图像块的反差值变化，在二者的差异均小于或等于预定的阈值时，将初校正图像S1作为最终的校正结果，否则顺序执行步骤(6)；(6)由滤波图像和气动热辐射场B1得到图像将图像Z1对应于气动热辐射场B1的辐射中心区域的部分作为新的滤波图像从滤波图像中估计得到初校正图像S1的辐射中心区域残余的气动热辐射场B2，进而得到二次校正图像S2＝S1‑B2。

【技术特征摘要】
1.一种气动热辐射校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)滤除原始气动热辐射图像Z中的噪声和细节，得到滤波图像以克服噪声在热辐射场估计过程中产生的不利影响；
(2)从滤波图像中估计得到原始气动热辐射图像Z的气动热辐射场
B1，进而得到初校正图像S1＝Z-B1；
(3)求解气动热辐射场B1的辐射中心区域，根据气动热辐射场B1的辐
射中心区域，将原始气动热辐射图像Z和初校正图像S1划分为对等的图像
块；
(4)分别计算原始气动热辐射图像Z的图像块的反差值以及初校正图
像S1的图像块的反差值，得到原始气动热辐射图像Z的图像块相对于初校正
图像S1的对应图像块的反差值变化；
(5)对比辐射中心区域对应的图像块的反差值变化与非辐射中心区域
对应的图像块的反差值变化，在二者的差异均小于或等于预定的阈值时，
将初校正图像S1作为最终的校正结果，否则顺序执行步骤(6)；
(6)由滤波图像和气动热辐射场B1得到图像将...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天序，章川，侯旋，刘立，陈泉，钟奥，许明星，周雨田，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42