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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术的技术要点包括：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。本发明专利技术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。率目标边缘检测。率目标边缘检测。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及光学图像处理
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术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。
[0006]根据本专利技术的一方面，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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]进一步地，拓扑荷为1的涡旋光束的傅里叶频谱表示为：
[0011][0012]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。
[0013]进一步地，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO3。
[0014]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：
[0015]k
P
(ω
P
)＝k
S
(ω
S
)+k
ID
(ω
ID
)
[0016]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。
[0017]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：
[0018][0019]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；
[0020]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：
[0021][0022]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。
[0023]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：
[0024][0025]式中，E
S
(0)表示信号光在非线性晶体入射面的复振幅；
[0026]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：
[0027][0028]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。
[0029]根据本专利技术的另一方面，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；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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；
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]进一步地，所述非线性晶体包括KTP或LiNbO3。
[0037]本专利技术的有益技术效果是：
[0038]本专利技术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，产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。...

【专利技术属性】
技术研发人员：高玮，闫顶，刘婷婷，陈一哲，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：