CN101566693A - 一种共孔径主被动成像探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种共孔径主被动成像探测系统，该系统由激光源、发射和接收光学系统、分光系统以及图像采集、处理和显示系统组成；它放置在外壳里，激光源位于外壳后端，发射和接收光学系统放置在外壳前端；分光系统与光轴成45°角放置，平行于发射－接收分光镜且两者中心连线与光轴垂直；图像采集、处理和显示系统放置在外壳后端(靠右侧)；它可以通过共用接收光学系统实现对包含具有“猫眼”效应目标的场景实时、快速地主被动成像，并对主被动图像处理提取目标特征，确定目标所在方位。该系统结构新颖、紧凑轻便、性能稳定、适应性强、抗干扰性能好、图像信噪比高，可应用于安全保卫、反恐行动、监控工作等。本发明具有广泛的实用价值和应用前景。

Description

一种共孔径主被动成像探测系统

(一)技术领域

本发明涉及一种成像设备，尤其是涉及光、机、电、算一体化信息处理的一种共孔径主被动成像探测系统。该系统主要应用于探测出具有“猫眼”效应的光学瞄准镜、摄像机、望远镜等光学系统，并确定威胁所在方位。属于激光成像探测技术领域。

(二)背景技术

随着狙击步枪射程、精度、威力的提高，高性能观瞄设备的涌现，加上狙击手训练有素，其威胁日益增加。为了准确、及时、快速地发现并歼灭敌方狙击手，多种机理的反狙击手探测系统应运而生，主要有红外探测系统、声探测系统和激光探测系统等几类。其中基于红外探测和声探测成型产品都是被动探测的，虽然可准确发现狙击手位置，但存在只有当狙击手激发第一枪后才能发现的致命缺点。然而激光探测系统不同于红外探测系统和声探测系统，其是一种主动探测系统，有可能在狙击手开枪前就找出他们的具体位置，弥补了被动探测系统的不足。因而提出反狙击手激光主动探测系统，其利用狙击手的瞄准望远镜对入射激光的反射能力比周围背景要强，具有“猫眼”效应的特性进行探测。当不可见光波段的激光束照射到狙击镜时，不易被狙击手觉察，但激光探测系统能感应到较强反射光从而发现狙击手。

另外一般来说，成像系统分为主动成像系统和被动成像系统。被动成像系统没有自主光源，其光信号探测系统依靠目标本身辐射光或者反射光进行成像。主动成像系统由自主光源和光信号探测系统组成，其光源出射光辐射被待测目标反射，由光信号探测系统接收。被动成像系统的优点是由于没有自主光源不容易被对方探测，且能耗相对较低等；缺点是受环境的影响大，比如：在完全黑暗的情况下不能得到目标图像。主动成像的优点在于受环境的影响小，比如：能够在完全黑暗时得到目标图像，能够透过雾霭或者网状障碍物等获得目标图像；缺点是功耗较大，隐蔽性不好。

中国电子科技集团第三研究所推出了一种反狙击手探测系统。该系统由1-2个便携式阵列天线和信号处理单元组成。系统接收轻武器射击产生声波信号，对狙击手实施探测和定位，测定狙击手的方位角、仰角，并识别枪支口径：360°全向探测，并能测定高度角，可探测到从5.56mm到20mm口径的武器。然而该探测系统为全被动式系统，因而提出激光探测系统以实现主动式探测，同时为了提高系统的探测概率和工作效率，提出共孔径主被动成像探测系统，主被动成像的优缺点互补以提高系统探测性能，具有很重要的现实意义。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是为了提供一种共孔径主被动成像探测系统，该系统克服已有的被动反狙击手探测系统当狙击手激发第一枪后才能发现的致命缺点，通过主被动图像融合，有效抑制背景，提高目标探测识别概率，实现远距离捕获、瞄准和跟踪具有“猫眼”效应的目标。该系统结构新颖、体积小、重量轻、性能稳定、抗干扰性能强、图像信噪比高和适应性强等。

2、技术方案：

如图1所示，本发明是一种共孔径主被动成像探测系统，该系统主要由激光源、发射和接收光学系统、分光系统以及图像采集、处理和显示系统组成。它放置在外壳里，激光源位于外壳后端，发射和接收光学系统放置在外壳前端；分光系统与光轴成45°角放置，平行于发射和接收光学系统的发射-接收分光镜，且两者中心连线与光轴垂直；图像采集、处理和显示系统放置在外壳后端(靠右侧)。

所述激光源是由半导体激光器构成，该半导体激光器位于系统后端，它输出连续红外激光；

所述发射和接收光学系统是由准直发射透镜、发射-接收分光镜和接收透镜组成。准直发射透镜和发射-接收分光镜构成发射光学系统，发射-接收分光镜和接收透镜构成接收光学系统。

其中，准直发射透镜由一个平凸透镜和口径为D1的光阑组成，它与光轴垂直放置，并位于半导体激光器前端，根据激光器输出激光发散角选择透镜焦距，平凸透镜后端镀有高反膜，防止后向散射光干扰激光器正常工作；

其中，发射-接收分光镜中间开孔，与光轴成45°角放置，位于准直发射透镜和焦距为f2接收透镜之间，其开孔口径D2在光轴方向的投影口径D3比光阑口径D1要略大，焦距为f2接收透镜的中间开孔口径D4比口径D3要略大，有利于发射光束充分透过；后向散射光通过位于系统前端且与光轴垂直放置的焦距为f2接收透镜后，经发射-接收分光镜反射到分光系统上；

其中，接收透镜口径D5与发射-接收分光镜在光轴方向投影口径D6要中心匹配，且远大于口径D1，有利于扩大接收视场。以上所述透镜的选择均需考虑对激光器输出激光功率的承受能力；

所述分光系统由二向色分光镜构成。二向色分光镜与光轴成45°角放置，对后向散射光进行分光，其平行于发射-接收分光镜，且两者中心连线与光轴垂直；根据系统要求选择二向色分光镜对所需分光波长的透射率和反射率。

所述图像采集、处理和显示系统是由两个低照度电荷耦合器件CCD、双通道数据采集卡、图像处理单元和图像显示单元组成。具体布局是：两个低照度电荷耦合器件CCD的光轴互相垂直且均与二向色分光镜成45°；双通道数据采集卡、图像处理单元和图像显示单元构成一个模块通过信号线与低照度电荷耦合器件CCD连接。

其中，图像处理单元由基于数字信号处理器DSP的实时处理单元和若干个微控制处理器的处理部分构成，图像显示单元为有机发光显示屏OLED。经过分光系统后，后向散射光被分为可见光和红外光，分别投射到两个低照度电荷耦合器件CCD上，双通道数据采集卡接收前者的输出信号送到基于数字信号处理器DSP的实时处理单元和若干个微控制处理器的处理部分处理转换后由有机发光显示屏OLED显示特征图像。该系统工作时，从半导体激光器出射的连续红外激光束，依次通过准直发射透镜、发射-接收分光镜、接收透镜的中间开孔入射到目标上；从目标返回的后向散射光通过接收透镜后，经发射-接收分光镜反射到二向色分光镜上被分为可见光和红外光，分别投射到两个低照度电荷耦合器件CCD，后续实现图像采集、处理和显示。本发明实质上是采用了主动连续红外激光和被动可见光两种成像模式，通过主动红外图像与被动可见光图像融合及采用相应算法和硬件实现实时提取出具有“猫眼”效应目标的信息。

3、优点及功效：

该系统对“猫眼”效应目标的后向散射光进行探测，并实现对目标场景的共孔径主被动成像，通过图像处理提取目标特征，它可广泛用于安全保卫、反恐行动、监控工作等，具有很大的市场效益和很好的应用前景。(1)该系统可快速准确地测定狙击手的方位，大大提高战场作战人员的安全系数，另外可将其应用于边防哨所保卫边境安全；(2)该系统可以保护重要人物及设施，实施环境警戒，对各种恐怖暗杀及破坏行动及时控制，例如在政治集会举行地或者体育场等，如果将该类系统部署在重要人物周围，一旦探测到狙击手的瞄准具，再结合其他技术的支持(如GPS卫星导航)，狙击手的位置立即暴露无遗；(3)该系统能准确探测出数码相机、摄像机等配有光学系统的设备，用于防电影偷拍等等。

(四)附图说明

图1为共孔径主被动成像探测系统结构示意图

图中符号说明如下：

1半导体激光器；2准直发射透镜；3发射-接收分光镜；4接收透镜；5发射和接收光学系统；6二向色分光镜；7低照度电荷耦合器件CCD；8低照度电荷耦合器件CCD；9双通道数据采集卡；10图像处理单元；11图像显示单元；12图像采集、处理和显示系统；13外壳。

(五)具体实施方式

本发明是一种共孔径主被动成像探测系统，它由半导体激光器1，准直发射透镜2和发射-接收分光镜3组成的发射光学系统，以及发射-接收分光镜3和焦距f₂接收透镜4组成的接收光学系统，二向色分光镜6，低照度电荷耦合器件CCD 7，低照度电荷耦合器件CCD 8，双通道数据采集卡9，图像处理单元10和图像显示单元11构成。它放置在外壳13里，激光源位于外壳13后端，发射和接收光学系统5放置在外壳13前端；分光系统与光轴成45°角放置，平行于发射和接收光学系统5中的发射-接收分光镜3，且两者中心连线与光轴垂直；图像采集、处理和显示系统12放置在外壳13后端(靠右侧)。

所述激光源是由半导体激光器1构成，该半导体激光器1位于系统后端，它输出连续红外激光；

所述发射和接收光学系统5是由准直发射透镜2、发射-接收分光镜3和接收透镜4组成。准直发射透镜2和发射-接收分光镜3构成发射光学系统，发射-接收分光镜3和接收透镜4构成接收光学系统。

其中，准直发射透镜2由一个平凸透镜和口径为D1的光阑组成，它与光轴垂直放置，并位于半导体激光器1前端，根据半导体激光器1输出激光发散角选择透镜焦距，平凸透镜后端镀有高反膜，防止后向散射光干扰半导体激光器正常工作；

其中，发射-接收分光镜3中间开孔，与光轴成45°角放置，位于准直发射透镜2和焦距为f2接收透镜4之间，其开孔口径D2在光轴方向的投影口径D3比光阑口径D1要略大，焦距为f2接收透镜4的中间开孔口径D4比口径D3要略大，有利于发射光束充分透过；后向散射光通过位于系统前端且与光轴垂直放置的焦距为f2接收透镜4后，经发射-接收分光镜3反射到分光系统的二向色分光镜6上；

其中，接收透镜4口径D5与发射-接收分光镜3在光轴方向投影口径D6要中心匹配，且远大于口径D1，有利于扩大接收视场。以上所述透镜的选择均需考虑对激光器输出激光功率的承受能力；

所述分光系统由二向色分光镜6构成。二向色分光镜6与光轴成45°角放置，对后向散射光进行分光，其平行于发射和接收光学系统5中的发射-接收分光镜3，且两者中心连线与光轴垂直；根据系统要求选择二向色分光镜对所需分光波长的透射率和反射率。

所述图像采集、处理和显示系统12是由两个低照度电荷耦合器件CCD7和CCD8、双通道数据采集卡9、图像处理单元10和图像显示单元11组成。具体布局是：两个低照度电荷耦合器件CCD7、CCD8的光轴互相垂直且均与二向色分光镜6成45°；双通道数据采集卡9、图像处理单元10和图像显示单元11构成一个模块通过信号线与低照度电荷耦合器件CCD7、CCD8连接。

其中，图像处理单元10由基于数字信号处理器DSP的实时处理单元和若干个微控制处理器的处理部分构成，图像显示单元11为有机发光显示屏OLED。经过分光系统后，后向散射光被分为可见光和红外光，分别投射到两个低照度电荷耦合器件CCD7、CCD8上，双通道数据采集卡9接收前者的输出信号送到基于数字信号处理器DSP的实时处理单元和若干个微控制处理器的处理部分处理转换后由有机发光显示屏OLED显示特征图像。

图1所示为共孔径主被动成像探测系统结构示意图。半导体激光器1发出波长为808nm的连续激光，通过平凸准直发射透镜2后，经发射-接收分光镜3并透过焦距为f₂接收透镜4的中间开孔入射到目标上。目标后向散射光通过焦距为f₂接收透镜4后，经发射-接收分光镜3反射到二向色分光镜6上。二向色分光镜6将后向散射光分为可见光和红外光。被分开的可见光和红外光分别投射到低照度电荷耦合器件CCD 7和低照度电荷耦合器件CCD 8上，双通道数据采集卡9接收低照度电荷耦合器件CCD 7和低照度电荷耦合器件CCD 8输出的主被动图像信号送到图像处理单元10，采用相应算法计算提取出目标的特征信息，处理转换工作完成后由有机发光显示屏OLED图像显示单元11显示特征图像，实现共孔径主被动成像探测。

Claims (5)

1、一种共孔径主被动成像探测系统，其特征在于：该系统由激光源、发射和接收光学系统、分光系统以及图像采集、处理和显示系统组成；它放置在外壳里，激光源位于外壳后端，发射和接收光学系统放置在外壳前端；分光系统与光轴成45°角放置，平行于发射和接收光学系统中的发射-接收分光镜，且两者中心连线与光轴垂直；图像采集、处理和显示系统放置在外壳后端；

所述激光源是由半导体激光器构成，该半导体激光器输出连续红外激光；

所述发射和接收光学系统是由准直发射透镜、发射-接收分光镜和接收透镜组成；准直发射透镜和发射-接收分光镜构成发射光学系统，发射-接收分光镜和接收透镜构成接收光学系统；

所述分光系统由二向色分光镜构成；二向色分光镜与光轴成45°角放置，对后向散射光进行分光，其平行于发射和接收光学系统中的发射-接收分光镜，且两者中心连线与光轴垂直；

所述图像采集、处理和显示系统是由两个低照度电荷耦合器件CCD、双通道数据采集卡、图像处理单元和图像显示单元组成；具体布局是：两个低照度电荷耦合器件CCD的光轴互相垂直且均与二向色分光镜成45°；双通道数据采集卡、图像处理单元和图像显示单元构成一个模块通过信号线与低照度电荷耦合器件CCD连接。

2、根据权利要求1所述的一种共孔径主被动成像探测系统，其特征在于：准直发射透镜由一个平凸透镜和口径为D1的光阑组成，它与光轴垂直放置，并位于半导体激光器前端，根据半导体激光器输出激光发散角选择透镜焦距，平凸透镜后端镀有高反膜，防止后向散射光干扰半导体激光器正常工作。

3、根据权利要求1所述的一种共孔径主被动成像探测系统，其特征在于：发射-接收分光镜中间开孔，与光轴成45°角放置，位于准直发射透镜和焦距为f2接收透镜之间，其开孔口径D2在光轴方向的投影口径D3比光阑口径D1要略大，焦距为f2接收透镜的中间开孔口径D4比口径D3要略大，有利于发射光束充分透过；后向散射光通过位于系统前端且与光轴垂直放置的焦距为f2接收透镜后，经发射-接收分光镜反射到分光系统上。

4、根据权利要求1所述的一种共孔径主被动成像探测系统，其特征在于：接收透镜口径D5与发射-接收分光镜在光轴方向投影口径D6要中心匹配，且远大于口径D1，有利于扩大接收视场。

5、根据权利要求1所述的一种共孔径主被动成像探测系统，其特征在于：图像处理单元由基于数字信号处理器DSP的实时处理单元和若干个微控制处理器的处理部分构成，图像显示单元为有机发光显示屏OLED。

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