本發(fā)明屬于航天技術(shù)與圖像處理相結(jié)合的交叉科學技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氣動熱輻射效應(yīng)的頻域校正方法。

背景技術(shù)：
高超聲速飛行器目前已成為世界航空航天技術(shù)的重要發(fā)展方向，在政治、軍事以及經(jīng)濟領(lǐng)域都將具有極高的戰(zhàn)略意義。飛行器的高速飛行導致成像傳感器成像品質(zhì)劣化、信噪比大幅降低等一系列的氣動光學效應(yīng)問題阻礙了高超聲速飛行器的發(fā)展，有待解決。氣動熱輻射效應(yīng)通常是指帶有光學成像探測系統(tǒng)的高速飛行器在大氣層內(nèi)飛行時，光學窗口與來流之間的相互作用形成復(fù)雜的流場。由于空氣粘性的作用，與光學窗口表面相接觸的氣流將受到阻滯，使得氣流速度降低，在窗口表面附近形成邊界層。邊界層內(nèi)具有很大速度梯度的各層會產(chǎn)生強烈的摩擦，氣流的動能不可逆轉(zhuǎn)地變?yōu)闊崮埽斐纱翱诒诿鏈囟鹊纳?。高溫氣流將不斷向低溫壁面?zhèn)鳠幔鸷軓姷臍鈩蛹訜幔鋵Τ上衿餍纬奢椛涓蓴_，使紅外圖像背景亮度增加，劣化紅外成像質(zhì)量，嚴重影響高超音速飛行器導航、定位以及探測能力。目前已有相關(guān)文獻或?qū)＠麍蟮罋鈩訜彷椛湫?yīng)校正方法，但是該類方法無不存在計算復(fù)雜、耗時長或是僅提供一種建模方法等的問題。均不適用于實時處理，因此，本領(lǐng)域亟需一種實時處理的新型校正方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或不足，本發(fā)明提供了一種氣動熱輻射的頻域校正方法，該方法分析熱輻射噪聲頻譜分布來構(gòu)建濾波器，在頻域中濾除熱輻射噪聲的頻譜成分來恢復(fù)出清晰圖像，使得圖像品質(zhì)以及圖像信噪比大幅提升，因而尤其適用于高超聲速飛行器在高速飛行條件下的氣動熱輻射效應(yīng)之類的應(yīng)用場合。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種氣動熱輻射的頻域校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：(1)從實時視頻圖像庫中獲取氣動熱輻射退化圖像f；(2)根據(jù)所述氣動熱輻射退化圖像f，近似化處理后得到熱輻射噪聲高斯曲面b，對其進行傅里葉變換，并將其中心化頻譜處理，得到熱輻射噪聲頻譜B；(3)通過步驟(2)得到的所述熱輻射噪聲頻譜B，得到濾波模板約束，構(gòu)建濾波器函數(shù)H；(4)對所述氣動熱輻射退化圖像f進行傅里葉變換并將其中心化頻譜處理，得到氣動熱輻射退化圖像的中心化頻譜F；(5)將所述中心化頻譜F與所述濾波器函數(shù)H點乘，得到濾波后的實時圖像頻譜G；(6)對濾波后的實時圖像頻譜G進行中心化頻譜處理，并進行傅里葉逆變換后取模，得到熱輻射校正圖像g。作為進一步優(yōu)選的，所述步驟(2)具體包括：首先，獲取步驟(1)中所述氣動熱輻射退化圖像的大小m×n；接著，通過高斯函數(shù)其中，m，n分別表示二維高斯函數(shù)的行和列，σ表示其標準差，構(gòu)建一個與圖像同樣大小的熱輻射噪聲高斯曲面b，然后對該熱輻射噪聲高斯曲面進行傅里葉變換，并將其中心化頻譜處理，得到熱輻射噪聲頻譜B。作為進一步優(yōu)選的，所述步驟(3)具體包括：(3-1)估計步驟(2)中得到的所述熱輻射噪聲頻譜B的幅度譜(3-2)對幅度譜B進行歸一化處理得到歸一化幅度譜N，然后統(tǒng)計其直方圖分布Hist(x)，其中橫坐標x為歸一化后的幅度值；(3-3)根據(jù)直方圖分布Hist(x)估計分割閾值γ，利用所述分割閾值γ對歸一化幅度譜N進行分割，γ的取值在0～1之間；(3-4)根據(jù)分割閾值γ對歸一化幅頻譜N進行閾值分割，得到濾波模板約束BW；(3-5)根據(jù)得到的濾波模板約束BW構(gòu)建相應(yīng)的濾波器函數(shù)H，具體為：其中，BW(u,v)是BW上任意一點，H(u,v)是濾波器函數(shù)H上任意一點，(u,v)表示該點坐標，λ表示對熱輻射噪聲濾除的程度，λ取值在0～1之間。作為進一步優(yōu)選的，所述閾值分割具體包括：對于歸一化幅頻譜N中每一點如果則濾波模板約束BW中對應(yīng)的點BW(u,v)＝0；否則BW(u,v)＝1。作為進一步優(yōu)選的，所述濾波模板約束為二值模板約束?？傮w而言，按照本發(fā)明點的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：1、本申請中通過結(jié)合氣動熱輻射效應(yīng)的頻域校正的運用需求，針對氣動熱輻射效應(yīng)校正方法中導致算法實時性降低的復(fù)雜矩陣運算、反復(fù)迭代等操作，提出了一種只需對圖像進行一次傅里葉正反變換即可完成整個氣動熱輻射效應(yīng)校正的方法，在有效抑制熱輻射噪聲的同時，大幅度地提升了圖像的信噪比，具有實時性高的特點；2、此外，本發(fā)明中方法通過分析熱輻射噪聲頻譜分布來構(gòu)建濾波器，在頻域中濾除熱輻射噪聲的頻譜成分來恢復(fù)出清晰圖像，這樣能夠在確保圖像品質(zhì)及圖像信噪比大幅提升的同時，最大可能的降低了校正方法的計算復(fù)雜度，顯著縮短了校正時長。附圖說明圖1為本發(fā)明氣動熱輻射效應(yīng)的頻域校正方法流程圖；圖2為近似化處理后得到的熱輻射噪聲高斯曲面；圖3為中心化頻譜處理的過程示意圖；圖4為圖2熱輻射噪聲高斯曲面對應(yīng)的幅度譜；圖5為濾波器函數(shù)H的濾波模板約束BW；圖6為濾波器函數(shù)H的三維視圖；圖7基準圖像；圖8為基準圖像的中心化頻譜；圖9為獲取的氣動熱輻射退化圖像f；圖10為圖9的中心化頻譜F；圖11為濾波后的實時圖像頻譜G；圖12為氣動熱輻射效應(yīng)頻域校正后的熱輻射校正圖像g；圖13(a)為實施例中根據(jù)實際飛行情況仿真的氣動熱輻射退化圖像；圖13(b)為實施例中本發(fā)明方法校正后的熱輻射校正圖像；圖13(c)為基準圖像；圖13(d)為圖13(a)、圖13(b)和圖13(c)中同一行像素值對比結(jié)果；圖14(a)為實施例中風洞試驗中紅外成像系統(tǒng)采集的第2000幀氣動熱輻射圖像；圖14(b)為實施例中本發(fā)明方法校正后的熱輻射校正圖像；圖14(c)為實施例中風洞實驗第1幀圖像；圖14(d)為圖14(a)、圖14(b)和圖14(c)中同一行像素值對比結(jié)果；圖15(a)為實施例中簡單背景點源目標仿真的氣動熱輻射退化圖像；圖15(b)為實施例中本發(fā)明方法校正后的熱輻射校正圖像；圖15(c)為點源目標基準圖像；圖15(d)圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)、中同一行像素值對比結(jié)果；具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明方法通過對一系列氣動熱輻射退化圖像和原始基準圖像進行對比分析，如圖7-10所示，得出熱輻射噪聲在氣動熱輻射退化圖像中呈現(xiàn)低頻分布，形狀類似于高斯曲面，而且頻譜分布規(guī)則有序，呈“十字”狀，并且“十字”具有向四周逐漸衰減的趨勢。因此，基于上述分析可知熱輻射噪聲可用高斯曲面來近似，下面來進行具體說明。如圖1所示，為本發(fā)明氣動熱輻射效應(yīng)的頻域校正方法流程圖，所述方法包括：(1)從視頻圖像中獲取氣動熱輻射退化圖像f，如圖9所示；(2)根據(jù)所述氣動熱輻射退化圖像，近似化處理后得到熱輻射噪聲高斯曲面b，對其進行傅里葉變換，并將其中心化頻譜處理，得到熱輻射噪聲頻譜B；所述步驟(2)具體包括：首先，獲取步驟(1)中所述氣動熱輻射退化圖像的大小m×n；接著，通過高斯函數(shù)其中，m，n分別表示二維高斯函數(shù)的行和列，σ表示其標準差，構(gòu)建一個與圖像同樣大小的熱輻射噪聲高斯曲面b，如圖2所示，然后對該曲面進行傅里葉變換，并將其中心化頻譜處理，得到熱輻射噪聲頻譜B，然后計算其幅度譜其結(jié)果如圖4所示。具體而言，如圖3所示，熱輻射噪聲高斯曲面b的幅度譜被等分為2×2個子塊，將圖中第1子塊和第3子塊交換，第2子塊和第4子塊交換，即可實現(xiàn)對頻譜的中心化。中心化后的圖像頻譜，其中心為低頻，四周為高頻。(3)通過步驟(2)得到的所述熱輻射噪聲頻譜B，得到濾波模板約束，構(gòu)建濾波器函數(shù)H；所述步驟(3)具體包括：(3-1)估計步驟(2)中得到的所述熱輻射噪聲頻譜B的幅度譜(3-2)對幅度譜進行歸一化處理得到歸一化幅度譜N，然后統(tǒng)計其直方圖分布Hist(x)，其中橫坐標x為歸一化后的幅度值；(3-3)根據(jù)直方圖分布Hist(x)估計分割閾值γ，利用所述分割閾值γ對歸一化幅度譜N進行分割，從而得到濾波模板約束BW，其中，所述濾波模板約束為二值模板約束；分割閾值γ表示濾除的頻譜成分的多少，取值在0～1之間；γ越大表示所濾除的頻譜成分越多，在本實施方案中取γ＝0.55.具體而言，所述閾值分割包括：對于幅頻譜N中每一點如果則濾波模板約束BW中對應(yīng)的點BW(u,v)＝0；否則BW(u,v)＝1。閾值分割結(jié)果BW如圖5所示；(3-4)根據(jù)得到的濾波模板約束BW構(gòu)建相應(yīng)的濾波器函數(shù)H，其三維視圖如圖6所示，具體為：其中，BW(u,v)是BW上任意一點，H(u,v)是濾波器函數(shù)H上任意一點，(u,v)表示該點坐標，λ表示對熱輻射噪聲濾除的程度，λ取值在0～1之間。λ值越小表示對熱輻射噪聲濾除的程度越高，可以根據(jù)熱輻射噪聲的強度來選取合適的值，在本實施方案中λ＝0.05；(4)對所述氣動熱輻射退化圖像f進行傅里葉變換并將其中心化頻譜處理，得到氣動熱輻射退化圖像的中心化頻譜F，如圖10所示；(5)將所述中心化頻譜F與所述濾波器函數(shù)H點乘，得到濾波后的實時圖像頻譜G，如圖11所示，即G＝F.*H，從而實現(xiàn)對f的頻域濾波；(6)對濾波后的實時圖像頻譜G進行中心化頻譜處理，并進行傅里葉逆變換后取模，得到熱輻射校正圖像g，如圖12所示。按照具體實施方法中的步驟分別對三組不同的氣動熱輻射退化圖像進行處理對本發(fā)明進行驗證，其結(jié)果如圖13～圖15所示。表1氣動熱輻射退化后PSNR頻域校正后PSNR運行時間圖像111.783715.92390.0761s圖像29.029321.61880.0676s圖像36.318026.92070.0776s從表1中的數(shù)據(jù)對比可以得出，本發(fā)明的校正算法能大幅提升熱輻射退化圖像的峰值信噪比，能夠有效的解決氣動熱輻射效應(yīng)問題。其運行時間為本發(fā)明算法在matlab上運行時間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。