[發明專利]一種菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法

有效

• 申請號: 201710255306.5
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN107016210B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 智喜洋;江世凱;張偉;胡建明;孫晅;付斌
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法，本發明屬于光學成像仿真技術領域，所述方法步驟如下：步驟一：基于等暈區分塊思想，將原始圖像分割為若干個具有近似相同點擴散函數的圖像塊；步驟二：計算各圖像塊中心的子午面位置及其對應的視場角；步驟三：構造離散化的菲涅爾衍射公式，計算各圖像塊的點擴散函數；步驟四：利用圖像不同區域的MTF對各圖像塊進行低通濾波，并添加隨機噪聲。本發明適用于以衍射鏡為主鏡的光學系統的成像質量仿真，可仿真生成具有低MTF、低對比度、低SNR、大尺寸PSF空變等衍射光學成像特性的圖像，為菲涅爾衍射成像系統的優化設計及其圖像處理算法研究與驗證提供支持。

技術領域

本發明屬于光學成像仿真技術領域，具體涉及一種菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法。

背景技術

光學遙感成像質量仿真預估在偵察、測繪、監視等遙感任務預測、成像系統優化設計與性能評估以及圖像處理算法驗證等方面具有重要的指導意義和應用價值。隨著高軌監視對空間分辨力需求的不斷提高，迫切需要空間光學載荷同時具有超大口徑、輕量化、加工周期短、成本低等特點，傳統的反射式或折射式成像系統已無法全面滿足這些要求，而衍射光學成像技術能夠克服這一局限，因此急需針對光學衍射成像系統開展成像質量的仿真模型與方法研究。但從現有文獻看，仿真方法方面的研究多是針對于反射式或折射式系統，關于衍射成像系統像質退化機理、仿真模型與方法的研究少見報道，而與傳統載荷相比，衍射光學成像系統的圖像質量退化更加嚴重，其圖像的傳遞函數(MTF)和信噪比(SNR)均較低，特別是不同視場處的點擴散函數(PSF)空間變化性大，顯然無法采用傳統的反射式或折射式系統模型進行仿真。因此，從衍射光學系統像質退化機理出發，開展成像質量仿真模型與方法研究，對衍射光學成像系統的實際空間應用具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是針對目前衍射光學成像系統成像質量仿真方法理論研究的空白，提出一種菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法。本發明適用于以衍射鏡為主鏡的光學系統的成像仿真，可仿真生成具有衍射成像特性的圖像，為衍射光學成像系統的優化設計以及圖像處理算法的研究與驗證提供支持。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法，所述方法步驟如下：

步驟一：基于等暈區分塊思想，將原始圖像分割為若干個具有近似相同點擴散函數的圖像塊；

步驟二：計算各圖像塊中心的子午面位置及其對應的視場角；

步驟三：構造離散化的菲涅爾衍射公式，計算各圖像塊的點擴散函數；

步驟四：利用圖像不同區域的MTF對各圖像塊進行低通濾波，并添加隨機噪聲。

本發明相對于現有技術的有益效果是：

(1)本發明提出的菲涅爾衍射光學系統的成像質量仿真方法，適用于以衍射鏡為主鏡的光學系統成像質量的仿真預估，能夠獲取具有低MTF、低對比度、低SNR、PSF空間移變大等衍射光學特性的仿真圖像，可為衍射光學成像系統設計以及圖像處理算法研究與驗證提供必要的支持，填補了目前衍射光學成像仿真理論方法的空白。

(2)本發明將像元尺寸、鏡面采樣間隔、視場角等成像系統參量引入菲涅爾衍射公式，并采用等效衍射鏡透過率函數同時結合觀察平面坐標系變換，構造了衍射光學成像系統的PSF模型，該模型能夠反映不同成像視場、方向以及衍射鏡透過率、焦距、像元尺寸等參數下的PSF變化規律，從而更準確地揭示衍射光學成像系統的像質退化規律。

(3)本發明基于等暈區分塊思想，將原始圖像分割為若干個具有近似相同點擴散函數的圖像塊，并設計適當的重疊區域，針對相鄰圖像塊拼接過程中可能造成重疊區域邊緣附近產生振鈴等偽像的問題，構建基于重疊區域圖像灰度加權組合的偽像抑制策略，并利用由離散化菲涅爾衍射公式計算得出的點擴散函數對其進行低通濾波，從而能夠獲得具有大尺寸PSF空變、低對比度等衍射光學成像特性的仿真圖像。