CN101241173B - 红外体视热像方法及其系统 - Google Patents
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本发明公开了一种红外体视热像方法及其系统。该方法的步骤为：红外相位掩模对被观察目标的红外辐射进行波前编码；编码后的被观察目标的红外辐射信息通过红外光学系统和红外传感器后得到编码后的模糊图像；经过红外传感器的输出信号以差分信号的形式输入到信息处理系统；信息处理系统对该红外图像进行图像还原和图像计算，得到被观察目标的辐射强度信息和距离信息后输出。该系统是在红外光学系统的前端设置红外相位掩模；在红外光学系统的焦点上设置红外传感器，该红外传感器通过差分信号方式输出图像信号到信息处理系统。本发明复杂程度降低，可以实现微型化，具有良好的实时探测性和安全性并适于不同场合的应用。
Description
一、技术领域
本发明属于红外热像技术，特别是一种可以同时探测被观察目标的幅射强度和距离的红外体视热像方法及其系统。
二、背景技术
现有的红外成像系统只能记录被观察目标的红外辐射在积分时间内的强度，即现有红外成像系统对红外辐射的利用仅仅局限在其辐射的在积分时间内的平均振幅E0。通过现有的红外成像系统记录存储的信息仅仅是被观察物体在积分时间内的辐射强度。图像信息的表达方式采用的只是简单的二维强度矩阵。由于被观察物体的二维强度矩阵不包含被观察目标的距离信息，通过该二维矩阵实现目标探测与识别的准确率难以满足现代战争的要求，也无法真正建立智能化的目标探测预警系统。
为了同时探测被观察目标的红外辐射强度和距离信息，现有的方法是在使用红外热成像仪的基础上同时采用辅助设备(或技术)探测目标的距离信息，包括激光脉冲测距，激光相位测距，全息成像，双目成像测距，单目多角测距等。这些辅助设备(或技术)探测目标的距离信息的基本原理主要有两个方面：(i)通过引入参考辐射，即主动测距技术。如激光测距，全息成像；(ii)通过多传感器或多次成像，即被动测距成像技术。如双目成像测距，单目多角测距等。尽管采用辅助设备(或技术)可以确定被观察目标的距离，如现在比较成熟的激光脉冲测距，激光相位测距，全息成像，双目成像测距，单目多角测距等。基于上述原理的成像系统主要存在以下不足：(i)系统复杂，难以实现小型化；(ii)引入的参考辐射容易暴露已方，无法回避安全性问题。
20世纪90年代末，W.Thomas Cathey博士和Edward R.Dowski博士发表了一系列论文阐述了利用波前编码(wave-front coding)实现在可见光波段内的目标距离探测的原理和方法(“Wave-front Coding for Detection and Estimation with a Single-Lens Incoherent Optical System”，ICASSP Conference Proceedings，Vol.4，pp.2451-2454，May 1995。和“Single-Lens，Single-Image，Incoherent Passive Ranging Systems”，Applied Optics，Vol.33，pp.6762-6773.1994)。其基本原理是：通过在光学系统中引进满足一定条件的“mask”，使成像系统的光学传递函数形成一系列周期变化的与目标物体距离有关的零点。由于非相干成像系统与光强呈线性关系，在传递函数中这些与距离有关的零点被传递并最终会成像。因此，可通过对给定的采样图像的频谱分析来估计目标物体的距离。美国公开发明专利US 7106510给出了利用在可见光波段内利用波前编码(wave-front coding)实现对被观察目标的距离信息进行实时探测的距离成像系统。但其存在的主要缺点包括：1、该成像系统只能在可见光波段内工作，太阳光或人造光源在可见光波段内对其探测的干扰非常明显，更重要的是其工作条件需要满足一定的光照条件，限制了其应用场合，降低了可应用性。2、该成像系统在探测被观察目标距离信息的同时无法对被观察目标的强度进行探测。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种系统简单、安全可靠及应用广泛，并能够同时实现对被观察目标的红外辐射强度和距离信息的实时探测的红外体视热成像仪方法其系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种红外体视热像方法，包括以下步骤：
第一步，红外相位掩模对被观察目标的红外辐射进行波前编码，其调制传递函数和点扩散函数发生改变；
第二步，编码后的被观察目标的红外辐射信息通过红外光学系统和红外传感器后得到编码后的模糊图像；
第三步，经过红外传感器的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入到信息处理系统；
第四步，信息处理系统对该红外图像进行图像还原和图像计算，得到被观察目标的辐射强度信息和距离信息后，输出两路标准的PAL制式电视信号，其中一路黑白电视信号以图像灰度值标称了被观察目标红外辐射的强度，另一路伪彩色信号以颜色深浅表示被观察目标的距离，即信息处理系统包含两个通道，对同一个红外传感器的信息进行不同的处理，即图像还原处理中，对红外传感器得到的信息进行正则化处理，图像被还原；图像计算处理中，对红外传感器得到的信息进行采样，得到其傅立叶变换后的强度频谱图，并计算出在不同的像素点上的频谱峰的频率，由物体的距离与峰的频率的关系，得到该红外传感器内被观察目标的远近。
本发明红外体视热像方法在红外图像进行图像还原和图像计算处理中，红外传感器的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入信息处理系统中，首先进行图像预处理，完成中值滤波及去噪干扰；然后对图像进行分离和频谱分析，完成快速傅立叶变化和图像分离后，将辐射图像和距离图像以同样的编码格式分别进行强度图像复原和距离图像计算处理，即在强度图像复原处理时对输入信号进行解码，利用正则变化得到被观察目标的辐射强度信号，在距离图像计算处理时对输入信号进行频谱分析，并统计得到图像频谱的峰的频率，计算被观察目标的距离信息；最后，在强度图像复原和距离图像计算处理后同时将同一帧内的辐射强度信息和距离信息进行信息重组和输出控制，即对强度图像复原处理的信号进行显示灰度与辐射强度信息的匹配，对距离图像计算处理的信号进行显示颜色与距离信息的匹配。
一种实现上述红外体视热像方法的系统，包括红外光学系统和红外传感器，在该红外光学系统的前端设置红外相位掩模，该红外相位掩模安装在红外光学系统的光瞳上；在红外光学系统的焦点上设置红外传感器，输出红外辐射强度和距离信息的信息处理系统通过电隔离方式输入驱动信号到红外传感器，该红外传感器通过差分信号方式输出图像信号到信息处理系统。
本发明红外体视热像系统的信息处理系统中，红外传感器驱动模块与红外传感器连接，该红外传感器与图像预处理模块连接，该图像预处理模块与图像分离及频谱分析模块连接，该图像分离及频谱分析模块分别与图像复原模块和图像计算模块连接，所述的图像复原模块和图像计算模块与信息重组和输出控制模块连接，该信息重组和输出控制模块设置输出红外辐射强度和距离信息的接口。
本发明红外体视热像系统的红外相位掩模的强度脉冲响应函数在被观察目标具有低的空间频率特性时，在离焦量为-20＜ψ＜20条件下，系统的调制传递函数的均方差介于0.02与0.05之间。
本发明与现有技术相比，其显著的效果是：(1)现有技术若要同时完成辐射测量和距离测量需要同时使用双路测试或主被动结合的方式才能完成，系统复杂，成本昂贵。本发明中实现辐射测量和距离测量只需要增加一个红外相位掩模，因此系统复杂程度降低，可以实现微型化。(2)所有计算和操作可以在硬件上实现，可以实现实时探测，具有良好的实时探测性。(3)本发明中，实现辐射测量和距离测量采用了全被动方式，无需借助辅助辐射源，可以避免暴露观察者，具有良好的安全性。(4)在红外波段内工作，避免了自然光源或人造光源对探测的干扰。同时，无需借助其他光源或辐射设备，便于不同场合的应用。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
四、附图说明
图1是本发明红外体视热像仪的系统组成示意图。
图2是本发明红外体视热像仪的信息处理系统构成示意图。
五、具体实施方式
本发明红外体视热像方法，包括以下步骤：
第一步，红外相位掩模1对被观察目标的红外辐射进行波前编码(wave-frontcoding)，其调制传递函数(MTF)和点扩散函数(PSF)发生改变；
第二步，编码后的被观察目标的红外辐射信息通过红外光学系统2和红外传感器3后得到编码后的模糊图像；
第三步，经过红外传感器3的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入到信息处理系统4；
第四步，信息处理系统4对该红外图像进行图像还原和图像计算，得到被观察目标的辐射强度信息和距离信息后，输出两路标准的PAL制式电视信号，其中一路黑白电视信号以图像灰度值标称了被观察目标红外辐射的强度，另一路伪彩色信号以颜色深浅表示被观察目标的距离，即信息处理系统4包含两个通道，对同一个红外传感器3的信息进行不同的处理，即图像还原处理中，对红外传感器3得到的信息进行正则化处理，图像被还原；图像计算处理中，对红外传感器3得到的信息进行采样，得到其傅立叶变换后的强度频谱图，并计算出在不同的像素点上得频谱峰的频率，由物体的距离与峰的频率的关系，得到该红外传感器3内被观察目标的远近。在红外图像进行图像还原和图像计算处理中，红外传感器3的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入信息处理系统4中，首先进行图像预处理，完成中值滤波及去噪干扰；然后对图像进行分离和频谱分析，完成快速傅立叶变化和图像分离后，将辐射图像和距离图像以同样的编码格式分别进行强度图像复原和距离图像计算处理，即在强度图像复原处理时对输入信号进行解码，利用正则变化得到被观察目标的辐射强度信号，在距离图像计算处理时对输入信号进行频谱分析，并统计得到图像频谱的峰的频率，计算被观察目标的距离信息；最后，在强度图像复原和距离图像计算处理后同时将同一帧内的辐射强度信息和距离信息进行信息重组和输出控制，即对强度图像复原处理的信号进行显示灰度与辐射强度信息的匹配，对距离图像计算处理的信号进行显示颜色与距离信息的匹配。最后显示系统可以分别显示被观察目标的红外辐射信息和距离信息。
结合图1，实现上述红外体视热像方法的系统，包括红外光学系统2和红外传感器3，在该红外光学系统2的前端设置红外相位掩模1，该红外相位掩模1安装在红外光学系统2的光瞳上；在红外光学系统2的焦点上设置红外传感器3，输出红外辐射强度和距离信息的信息处理系统4通过电隔离方式输入驱动信号到红外传感器3，该红外传感器3通过差分信号方式输出图像信号到信息处理系统4。
所述的红外相位掩模1可以使成像系统的光学传递函数形成一系列周期变化的与目标物体距离有关的零点。在传递函数中这些与距离有关的零点被传递并最终会成像。因此可通过对给定的采样图像的频谱分析来估计目标物体的距离。该红外相位掩模1的强度脉冲响应函数应满足：在被观察目标具有低的空间频率特性时，在离焦量为-20＜ψ＜20条件下，系统的调制传递函数(MTF)的均方差介于0.02与0.05之间。本发明中，红外相位掩模1采用CDM OPTICS公司提供的WAVEFRRONT CODING系列产品。红外相位掩模1属于非球面光学薄膜，设置与红外光学系统前的光瞳上，与红外光学系统2的透镜的中心距离介于1/2透镜厚度与透镜厚度之间。红外传感器3位于红外光学透镜2的聚焦点上。红外传感器3的分辨率需要大于：400*600，工作波段为：8μm至12μm。信息处理系统4中的红外传感器驱动模块5提供红外传感器的驱动控制信号。信息处理系统4中的红外传感器3与红外传感器驱动模块5的连接采用电隔离方式，通过ANANLOG DEVICE生产的Icouple系列的电隔离芯片实现。红外传感器3的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式连接到信息处理系统4的图像预处理模块6。图像预处理模块6主要完成5×5的中值滤波及其他去噪算法等。经过图像预处理模块6处理的图像送至图像分离和频谱分析模块7。图像分离和频谱分析模块7完成快速傅立叶变化和图像分离后，将辐射图像和距离图像以同样的编码格式分别送到强度图像复原模块8和距离图像计算模块9。强度图像复原模块8对输入信号进行解码，利用正则变化得到被观察目标的辐射强度信号。距离图像计算模块9对输入信号进行频谱分析，并统计得到图像频谱的峰的频率，根据原有的公式计算被观察目标的距离信息。最后，强度图像复原模块8和距离图像计算模块9同时将同一帧内的辐射强度信息和距离信息送给信息重组和输出控制模块10。信息重组和输出控制模块10对强度图像复原模块8的信号进行显示灰度与辐射强度信息的匹配，对距离图像计算模块9的信号进行显示颜色与距离信息的匹配。信息重组和输出控制模块10同时通过USB接口与操作人员进行人机交互操作。操作人员通过命令设置改变显示灰度与显示灰度与辐射强度信息的匹配参数和改变显示颜色与距离信息的伪彩色显示模式的切换。信息重组和输出控制模块10完成匹配后，将输出信号转换为模拟差分信号送到外接液晶屏显示。
结合图2，在所述的信息处理系统4中，红外传感器驱动模块5、图像预处理模块6和图像分离和频谱分析模块7由主控芯片13完成。主控芯片13采用现场可编程逻辑阵列芯片，其逻辑单元数大于6000单位，并具有硬件乘法器。主控芯片13、图像复原芯片14和图像计算芯片15用LTTL电平通信传输。强度图像复原模块8和距离图像计算模块9采用数字处理器(DSP)，其主频大于300MHz，并支持原始视频信号采集模式。图像复原芯片14和图像计算芯片15的输出信号通过驱动芯片74LV16245后送到图像显示和人机交互芯片10。
红外体视热像仪工作时，被观察目标的红外辐射信息首先通过红外相位掩模1。红外相位掩模1不改变被观察目标的红外辐射信息的辐射强度。经过红外相位掩模1编码后，被观察目标的红外辐射信息根据离焦量的不同，形成具有不同零点的红外辐射频谱。红外传感器3对该信息成像后转换为电信号以差分形式送到主控芯片13。主控芯片13完成预处理等功能后分别送到图像复原芯片8和图像计算芯片9。
距离图像计算芯片9中距离计算的算法如下：
若令HI为其强度脉冲响应的傅立叶变换，AI为被观察目标的红外辐射的输入频谱，AO为红外传感器得到的像频谱，则有：AO(fx，fy，ψ)＝HI(fX，fy，ψ)*AI(fx，fy)。
HI归一化后得到的是光学传递函数(OTF)，以离焦参量ψ为变量的函数。令do为被观察物体与体视热成像仪的距离，di为体视热成像仪的像距，光学系统的焦距为f。则有：
经过采样后，在红外传感器上得到的图像的频谱的峰的频率ω与离焦参数成正比。根据上式可得到物体的距离与峰的频率ω的关系为：
Claims (6)
1.一种红外体视热像方法，包括以下步骤：
第一步，红外相位掩模[1]对被观察目标的红外辐射进行波前编码，其调制传递函数和点扩散函数发生改变；
第二步，编码后的被观察目标的红外辐射信息通过红外光学系统[2]和红外传感器[3]后得到编码后的模糊图像；
第三步，经过红外传感器[3]的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入到信息处理系统[4]；
第四步，信息处理系统[4]对该红外图像进行图像还原和图像计算，得到被观察目标的辐射强度信息和距离信息后，输出两路标准的PAL制式电视信号，其中一路黑白电视信号以图像灰度值标称了被观察目标红外辐射的强度，另一路伪彩色信号以颜色深浅表示被观察目标的距离，即信息处理系统[4]包含两个通道，对同一个红外传感器[3]的信息进行不同的处理，即图像还原处理中，对红外传感器[3]得到的信息进行正则化处理，图像被还原；图像计算处理中，对红外传感器[3]得到的信息进行采样，得到其傅立叶变换后的强度频谱图，并计算出在不同的像素点上的频谱峰的频率，由物体的距离与峰的频率的关系，得到该红外传感器[3]内被观察目标的远近。
2.根据权利要求1所述的红外体视热像方法，其特征在于：在红外图像进行图像还原和图像计算处理中，红外传感器[3]的输出信号转换为数字信号模式后，以差分信号的形式输入信息处理系统[4]中，首先进行图像预处理，完成中值滤波及去噪干扰；然后对图像进行分离和频谱分析，完成快速傅立叶变化和图像分离后，将辐射图像和距离图像以同样的编码格式分别进行强度图像复原和距离图像计算处理，即在强度图像复原处理时对输入信号进行解码，利用正则变化得到被观察目标的辐射强度信号，在距离图像计算处理时对输入信号进行频谱分析，并统计得到图像频谱的峰的频率，计算被观察目标的距离信息；最后，在强度图像复原和距离图像计算处理后同时将同一帧内的辐射强度信息和距离信息进行信息重组和输出控制，即对强度图像复原处理的信号进行显示灰度与辐射强度信息的匹配，对距离图像计算处理的信号进行显示颜色与距离信息的匹配。
3.一种实现权利要求1或2所述的红外体视热像方法的系统，包括红外光学系统[2]和红外传感器[3]，其特征在于：在该红外光学系统[2]的前端设置红外相位掩模[1]，该红外相位掩模[1]安装在红外光学系统[2]的光瞳上；在红外光学系统[2]的焦点上设置红外传感器[3]，输出红外辐射强度和距离信息的信息处理系统[4]通过电隔离方式输入驱动信号到红外传感器[3]，该红外传感器[3]通过差分信号方式输出图像信号到信息处理系统[4]。
4.根据权利要求3所述的实现红外体视热像方法的系统，其特征在于：所述的信息处理系统[4]中，红外传感器驱动模块[5]与红外传感器[3]连接，该红外传感器[3]与图像预处理模块[6]连接，该图像预处理模块[6]与图像分离及频谱分析模块[7]连接，该图像分离及频谱分析模块[7]分别与图像复原模块[8]和图像计算模块[9]连接，所述的图像复原模块[8]和图像计算模块[9]与信息重组和输出控制模块[10]连接，该信息重组和输出控制模块[10]设置输出红外辐射强度和距离信息的接口。
5.根据权利要求3所述的实现红外体视热像方法的系统，其特征在于：所述的红外相位掩模[1]的强度脉冲响应函数在被观察目标具有低的空间频率特性时，在离焦量为-20＜ψ＜20条件下，系统的调制传递函数的均方差介于0.02与0.05之间。
6.根据权利要求3所述的实现红外体视热像方法的系统，其特征在于：所述的红外相位掩模[1]与红外光学系统[2]的透镜的中心距离介于0.5～1个透镜厚度之间。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: CHEN QIAN GU GUOHUA HE WEIJI BO LIANFA YU XUELIAN ZHANG YI LU DONGMING ZHANG CANLIN ZHANG WENTIAN ZHOU BEIBEI TO: CHEN QIAN GU GUOHUA HE WEIJI BO LIANFA YU XUELIAN ZHANG YI LU DONGMING ZHANG CANLIN ZHANG WENWEN ZHOU BEIBEI |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Nanjing Science And Technology Park Co., Ltd. Assignor: Nanjing University of Science and Technology Contract record no.: 2012320000278 Denomination of invention: Infrared stereoscopic vision thermal image method and its system Granted publication date: 20110824 License type: Exclusive License Open date: 20080813 Record date: 20120322 |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110824 Termination date: 20130207 |