CN101770032B - 一种激光锁定成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光锁定成像方法及装置，属于电子信息技术领域，涉及图像处理技术。本发明采用周期性调制激光照射目标区域，通过光学滤波滤除目标视场部分背景光，再通过微弱信号检测的鉴相处理，将目标视场的目标图像从强背景光中提取出来。本发明可从强背景光中提取出清晰的目标图像，具有强大的背景光抑制能力。本发明可应用于交通监测、工业监测、武器装备中的瞄准系统和夜视装备中。

Description

一种激光锁定成像方法及装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及图像处理技术，具体是指一种具有消除背景光功能的激光锁定成像方法及装置。

技术背景

通常情况下，强背景光和成像目标同处于成像系统的视场时，目标图像将湮没在强背景光或复杂背景中而无法辨别，使成像系统失去对目标的成像能力。现有的CCD图像传感器，在强的背景光下，将因为饱和而失去成像能力。

在工业监测中，监测环境往往不可避免有强光源干扰。例如钢水和其它金属液面的检测，由于高温和火光非常强，目前尚缺乏有效的成像检测手段。连铸生产是钢材生产中的必要环节，对钢材品质有重要影响。在钢水连铸生产过程中，氧化剂和钢水中的杂质混合形成液体钢渣，其比重较轻，浮于钢水上部。在钢水浇铸后期，钢渣逐渐流入中间包，影响钢材品质，降低钢板寿命。因此需要检测钢水的液面。在汽车电子眼检测中，阳光和其他环境光将使电子眼失去检测能力。机器人视觉中，希望机器人能够识别例如火灾复杂环境下的目标。由于太阳强光直射，面向太阳的人眼和CCD图像传感器难以识别背向太阳的目标。

随着经济社会的发展，已有越来越多的汽车加装了一种叫做红外夜视成像辅助驾驶系统，使用该系统能够使驾驶员增强夜间能见度，确保驾车安全，同时在夜间会车过程中，由于迎面来车的强光干扰使司机出现炫目，往往会导致交通事故的发生。

跟踪瞄准是战场格斗中的重要环节。在步枪、火炮、装甲车、坦克、战斗机、武装直升飞机、军舰、导弹等武器装备中，光学瞄准总是不可缺少的。但在战场火光硝烟状态下，光学瞄准并不是总是有效的。例如低空高射武器瞄准系统，传统目视瞄准采用从分划板上读取提前量或用活动格栅测量目标速度，瞄准手通过观察目标在分划板上的图像，调整俯仰和方位机构实现跟踪瞄准。显然，在瞄准环节中，人眼必须能看清目标图像。这样的目视跟踪瞄准的精度差，瞄准与否依赖于射手，且人眼遇到强光干扰时，将失去瞄准能力。利用CCD图像传感器获取目标图像，可以获取目标的细节，大大提高跟瞄的有效性。但当环境光太强时，CCD探测器阵列由于饱和而无法观察目标。跟瞄的有效性取决于图像的有效获取。我国的新型主战99坦克，使用了激光瞄准同时压制敌方的光学瞄准。但当遭到对方用同样波长的激光瞄准时，也同样可能失去瞄准能力。

这些广泛的应用需要一种强背景光下获取目标图像的技术，使得从看不见的环境中看清目标图像。

美国新泽西技术学院物理系2000年提出了锁定成像系统的方案，采用多周期集成焦平面锁定成像(MIFPA)。该方案的系统如图1所示。信号发生器发出的调制信号调制光源，光源照射到需要成像的目标，目标散射的微弱光信号进入CCD焦平面探测器阵列上。经过多幅图像的多周期积分与乘法相关运算，最后得到一幅新的图像。这个多周期积分与乘法相关运算过程就是锁相放大器中弱信号检测过程。该技术方案的缺点是没有采用激光作为光源，因此背景光或环境光中光强变化频率接近于调制信号频率的光是无法滤除的。调制信号频率必须远小于CCD图像传感器的帧频，所以即使环境光的缓慢变化也会干扰图像。因此该方案只能用于实验室样品图像的检测。

为了检测材料内部的损伤或缺陷，哈尔滨工业大学2007年提出了一种锁相红外检测方法，其原理框图如图2所示。红外光源照明需要检测的目标，目标物体吸收红外光源发热，使用热像仪获取目标图像。正弦信号发生器调制红外光源，目标热像灰度因此受到调制。同样通过多幅图像的多周期积分与乘法相关运算，最后得到一幅新的图像。该技术方案主要用于对不透明固体物质表面有无缺陷进行检测，采用强度受到控制的红外光对目标物体进行照射，由于目标物体是不透明的固体物质，一部分入射的能量会被该物体吸收而转化为热能，并在物质中产生一周期变化的局部热流，形成周期的温度分布。热能以热波形式在物体中传播，该传播与物体的热学性质及热源的调制频率有关。当遇到样品中有缺陷时，由于热不均匀性，热波将被散射或发射，热波返回样品表面时，改变了样品表面的温度分布。用红外热像仪记录下样品表面温度变化过程，与信号处理技术相结合，对视频序列图像进行处理，通过对热传导反问题进行求解，采用适当的反演算法，可以对样品一个或多个热学参数进行重构，进而对样品缺陷进行分析。该技术方案使用的是热波作为信号源传给热像仪，只能通过热图像来分析物体表面的缺陷，不能得到物体的可见光图像。

发明内容

本发明提供一种激光锁定成像方法及装置，具有强背景光抑制功能，能够将淹没于强背景光中的目标图像提取出来。

本发明采用正弦信号调制激光照射目标区域，通过光学滤波滤除目标视场部分背景光，再通过微弱信号检测的鉴相处理，将激光照明区域(目标视场)的目标图像从强背景光中提取出来。具体方案如下：

一种激光锁定成像方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：采用周期性的调制信号(如：正弦信号)对激光进行调制，所得调制激光经光学透镜发散后照射目标视场。

步骤2：采用光谱范围覆盖且超过调制激光光谱范围的光学滤波片对目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波处理。

步骤3：经光学滤波处理后的目标散射激光和背景光由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像。

步骤4：对步骤3所获一系列目标视场的传感图像进行鉴相处理。设在步骤1中所述周期性调制信号的一个或整数个调制周期内，步骤3中所述CCD焦平面阵列采集到的目标视场的传感图像的数量为N，具体过程如下：

步骤4-1：将N幅传感图像中的任意一幅传感图像的所有象素点的灰度值与采集该传感图像对应时刻的周期性调制信号相乘；

步骤4-2：将全部经步骤4-1处理后的N幅传感图像叠加在一起，就得到一幅最终去除了背景光的目标图像。

本发明工作原理如下：

设一幅步骤3所获得的目标视场的传感图像为G，传感图像G中包含了目标视场背景光、CCD焦平面阵列的暗电流和目标视场散射激光的信息。设G＝G_B+G_L，其中G_B为目标视场背景光灰度和CCD焦平面阵列的暗电流灰度之和，G_L为目标视场散射激光灰度值。

设步骤1中使用的照射激光是正弦调制的激光，所以传感图像为G中目标视场散射激光灰度值G_L也是正弦变化的，即：

G_L＝G_L0(1+msin(ωt+φ))                    (1)

其中G_L0和φ为常数，m为调制度，ω为正弦调制信号角频率，t为采样时刻。

设正弦调制信号sin(ωt)和传感图像G的乘积为G_M，则：

$G_M\∝(G_B+G_{L0}(1+m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})))\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

                                                                    (2)

$=(G_B+G_{L0})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{2}{G}_{L0}m(\cos \left(\mathrm{\φ}\right)-\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}))$

通常情况下，目标视场背景光的灰度变化是非正弦变换的。在一个正弦调制周期内，将所有采集到的传感图像和步骤1中使用的正弦调制信号进行锁定相乘后再叠加后，(2)式中的(G_B+G_L0)sin(ωt)和

均可以相互抵消，只有反映目标视场散射激光灰度信号的

得以保留，从而将目标视场背景光的灰度滤除。

上述过程没有包括激光滤波的作用，如果加上步骤2的激光滤波的效果，本发明提供的激光锁定成像具有更加强大抑制背景光的能力。

本发明同时提供一种激光锁定成像装置，如图3所示，包括一个周期性调制信号产生器(如：正弦信号产生器)、一个半导体激光器、一个光学发散透镜、一个光学滤波片、一个CCD焦平面阵列、一个视频处理电路和一个显示屏；周期性调制信号产生器产生的周期性调制信号用于调制半导体激光器产生的激光，使半导体激光器产生周期性调制激光，周期性调制激光经光学发散透镜发散后照射目标视场；目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像；将周期性调制信号产生器产生的周期性调制信号和CCD焦平面阵列匀速采集到的目标视场的传感图像存储于视频处理电路中的存储器，由视频处理电路完成目标视场的传感图像的鉴相处理：即在一个或整数个周期性调制信号的调制周期内，将CCD焦平面阵列采集到的目标视场的每一幅传感图像与采集该传感图像对应时刻的周期性调制信号相乘，然后再叠加成一幅最终去除了背景光的目标图像；目标图像最后通过显示器显示出来。

需要说明的是：

1、本发明没有将目标视场的散射激光和背景光直接采集于CCD焦平面阵列，而是先通过光学滤波处理再采集，其目的在于先将目标视场的背景光做一个“能量衰减”的滤波处理，以防止背景光过强所造成的CCD焦平面阵列传感饱和而无法成像。由于调制激光的光谱很窄，而背景光光谱通常较宽，所以可以采用光谱范围覆盖且适当超过调制激光光谱范围的光学滤波片来透过目标视场的散射激光而滤除部分背景光。

2、本发明在对目标视场的传感图像的鉴相处理时，通过将一个或数个调制周期内的传感图像鉴相处理成一幅目标图像。目标图像的清晰度随着鉴相处理的调制周期数的增加而增加；但对于运动目标而言，鉴相处理的调制周期数不能太大；另外，但对于运动目标而言，要求提高正弦信号的调制频率，同时提高CCD焦平面的采样频率(这可通过采用高速CCD成像系统实现)。

本发明实质是通过周期性调制激光照射目标视场，同时采用光学滤波和对CCD焦平面传感图像的鉴相处理技术，从而获得清晰的目标图像，具有强大的背景光抑制能力。本发明可应用于下述领域：(1)用于交通监测中以解决现有电子眼在强光下将失去监测能力的问题。(2)用于工业监测，如冶金行业中金属液面的有效监测。(3)用于武器装备中的瞄准系统。当步枪、火炮、装甲车、坦克、战斗机、武装直升飞机、军舰、导弹等武器装备在战场火光硝烟状态下，光学瞄准并不是总是有效的。应用该项发明，在强背景光下获取目标图像，从而提高瞄准的可靠性，提高对敌方目标的打击能力。(4)用于夜视装备解决夜视问题。

附图说明

图1为现有的一种锁定成像原理框图。

图2为现有的一种锁相红外检检测方法原理图。

图3为本发明提供的一种激光锁定成像方法及装置原理图。

具体实施方式

具体技术方案如图3所示，正弦信号产生器产生的正弦信号用于调制半导体激光器产生的激光，使半导体激光器产生正弦信号调制激光，正弦信号调制激光经光学发散透镜发散后照射目标视场；目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像；将正弦信号产生器产生的正弦信号和CCD焦平面阵列匀速采集到的目标视场的传感图像存储于视频处理电路中的存储器，由视频处理电路完成目标视场的传感图像的鉴相处理：即在一个或整数个正弦调制周期内，将CCD焦平面阵列采集到的目标视场的每一幅传感图像与采集该传感图像对应时刻的正弦信号相乘，然后再叠加成一幅最终去除了背景光的目标图像；目标图像最后通过显示器显示出来。

其中，半导体激光产生的激光功率为50mW、波长为650nm±3nm。光学滤波片光谱范围为650nm±5nm。CCD焦平面阵列采集的传感图像大小：1374×976像素，像素尺寸为：5.2um×5.2um，帧频为24f/s。

采用上述激光锁定成像方法及装置对太阳光背景和火光背景下的坦克模型进行了实际成像验证。火光背景实验时，将坦克模型置于火光和CCD图像传感器之间。太阳光背景实验时，将目标置于太阳和CCD图像传感器之间。实验证明，本发明提供的激光锁定成像方法及装置对背景光的抑制效果非常明显，目标视场中的坦克模型清晰可辨。

Claims (2)

1.一种激光锁定成像方法，包括以下步骤：

步骤1：采用周期性的正弦调制信号对激光进行调制，所得调制激光经光学透镜发散后照射目标视场；

步骤2：采用光谱范围覆盖且超过调制激光光谱范围的光学滤波片对目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波处理；

步骤3：经光学滤波处理后的目标散射激光和背景光由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像；

步骤4：对步骤3所获一系列目标视场的传感图像进行鉴相处理；

设在步骤1中所述周期性正弦调制信号的一个或数个调制周期内，步骤3中所述CCD焦平面阵列采集到的目标视场的传感图像的数量为N，具体过程如下：

步骤4-1：将N幅传感图像中的任意一幅传感图像的所有象素点的灰度值与采集该传感图像对应时刻的周期性正弦调制信号相乘；

步骤4-2：将全部经步骤4-1处理后的N幅传感图像叠加在一起，就得到一幅最终去除了背景光的目标图像。

2.一种激光锁定成像装置，包括一个周期性正弦调制信号产生器、一个半导体激光器、一个光学发散透镜、一个光学滤波片、一个CCD焦平面阵列、一个视频处理电路和一个显示屏；周期性正弦调制信号产生器产生的周期性正弦调制信号用于调制半导体激光器产生的激光，使半导体激光器产生周期性正弦调制激光，周期性正弦调制激光经光学发散透镜发散后照射目标视场；目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像；将周期性正弦调制信号产生器产生的周期性正弦调制信号和CCD焦平面阵列匀速采集到的目标视场的传感图像存储于视频处理电路中的存储器，由视频处理电路完成目标视场的传感图像的鉴相处理：即在一个或数个周期性正弦调制信号的调制周期内，将CCD焦平面阵列采集到的目标视场的每一幅传感图像与采集该传感图像对应时刻的周期性正弦调制信号相乘，然后再叠加成一幅最终去除了背景光的目标图像；目标图像最后通过显示器显示出来。

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