CN102735347B - 目标跟踪红外凝视层析成像方法及装置 - Google Patents

目标跟踪红外凝视层析成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外凝视层析成像方法，将大视场、高分辨率图象调制成划分成分视场，经过层析调制器调制成二维层析阵列，经过聚集透镜阵列缩小后，成像于低分辨率、小规模的红外焦平面阵列上，获得二维层析数字阵列，用二维层析重构算法实现图象重构，经过去模糊和滤波等图象处理去除虚假信号后，实现目标图象重构。本发明采用刀边圆锥扫描器阵列或液晶光阀圆锥扫描器实现层析调制。本发明将大视场分块成小视场调制成二维低分辨的层析阵列，并用二维层析重构算法实现图像复原，采用分视场二维层析和二维重构，增加了视场，提高了帧频；本发明对红外焦平面阵列像元数和尺寸要求低，具有成本低等优点。

Description

目标跟踪红外凝视层析成像方法及装置
技术领域
本发明涉及一种多目标跟踪红外成像方法，尤其是能用于目标跟踪的红外凝视成像装置。
背景技术
随着目标跟踪精确的不断提高，为了能远距离发现并稳定跟踪目标，需获得更多的目标信息，对目标探测的空间分辨率要求越来越高，以便于更远距离跟踪。同时要求红外成像具有较大的视场角，以满足目标搜索发现能力的要求。红外成像一般采用调制盘机械扫描和凝视成像（电子扫描）实现，但是在红外成像中空间分辨率和总视场的大小是矛盾的，提高空间分辨率一般都要减小视场，故很难同时实现大视场、高空间分辨率的要求，不能满足如在大范围的复杂环境中电力和电讯系统中故障诊断的要求。红外焦平面阵列空间分辨率不足，阵列越大制造成本越高，非线性校正越复杂，且发展水平受到大规律集成电路和多元探测器发展水平的限制，很难达到大视场、高分辨率的红外成像要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种为复杂场景和干扰情况下大视场、高空间分辨率红外成像多目标跟踪，提供大视场、高分辨率、无需复杂光机扫描的红外凝视层析成像方法。
本发明采用的技术方案是：
红外凝视层析成像方法，其特征在于，包括有红外镜头、层析传感器、DSP图像处理平台，所述的DSP图像处理平台中设有二维层析重构算法和图像处理系统，所述的红外镜头将目标成像于层析传感器上，经过层析传感器调制后变成数字图象数列送入DSP图像处理平台，经过所述的二维层析重构算法重构后，复原出图象，经过图象处理系统进行去模糊和滤波后，消除图象中虚假信息，获得原图象；
具体实现方法包括如下步骤：
（1）通过红外镜头获取目标的红外图像；
（2）所述的层析传感器包括有层析调制器、聚焦透镜阵列、成像透镜、红外焦平面阵列，层析调制器将红外图像的大视场分成多个高空间分辨率的小块的分视场，并对每个分视场进行层析，即把多个分视场分别转化成低空间分辨率的一维层析信号，多个分视场形成的一维层析信号经过聚焦透镜阵列形成低分辨率的二维层析阵列，通过成像透镜将低分辨率的二维层析阵列进行空间压缩后成像于红外焦平面阵列上并并转化输出成二维层析数字阵列；
（3）所述的二维层析重构算法是利用二维Radon变换理论和方法实现的，通过二维层析重构算法对所述的经过红外镜头和层析传感器输出的随扫描时间变化的二维层析数字阵列实现并行重构，恢复大视场、高空间分辨率的图像，在DSP图像处理平台采用多处理器并行计算，实现大视场、高空间分辨率的快速重构；
具体重构过程如下：
1）重采样信号获得等扫描长度间隔的信号；
    2）计算层析阵列信号对长度的微分；
    3）计算层析阵列信号的FFT；
    4）设计和信号等长的RamLak或窗口数字滤波器；
    5）信号和滤波器对应相乘,并对乘积进行FFT逆变换；
    6）对变换结果沿扫描线在图像空间中用插值法后向投影，对所有扫描的角度求和；
    7）将分视场的信号按上述过程并行重构；
    8）通过标准方格图消除分视场间的相互干扰；
（4）所述的图象处理系统是一种图像处理单元，经过二维层析重构算法重构后的图像用图象处理系统中的滤波反向投影技术实现重构图像的去模糊，完整再现目标场景；
（5）研究原图像和重构图像的空间频谱，并用测定的调制传递函数来验证重构图像的对比度信息和虚假信息；根据虚假信息特征，用高斯滤波函数作为预滤波模型实现虚假信息抑制及图像预处理。
    所述的层析调制器可以采用刀边圆锥扫描器阵列或液晶光阀圆锥扫描器组成；每个子盘独立扫描，扫描频率可以相同，也可以不相同。
所述的聚焦透镜阵列采用六边形结构。
和现有的方法相比，本发明提出的红外凝视层析成像方法具有如下优点：
（1）大视场、高空间分辨率、低成本、无复杂光机扫描、无欠采样引起的信号混淆；
（2）将大视场分块成小视场调制成二维低分辨的层析阵列，并用二维层析重构算法实现图像复原，采用分视场二维层析和二维重构，增加了视场，提高了帧频。
（3）红外凝视层析成像方法对红外焦平面阵列像元数和尺寸要求低，具有成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的红外凝视层析成像装置的示意图。
图2是本发明的层析传感器的示意图。
图3是本发明的层析调制器的示意图。
图4是本发明的聚焦透镜阵列的示意图。
图5是图（3）中的层析调制器的局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1-5所示，红外凝视层析成像方法，包括有红外镜头1、层析传感器2、DSP图像处理平台，DSP图像处理平台中设有二维层析重构算法3和图像处理系统4，红外镜头1将目标成像于层析传感器2上，经过层析传感器2调制后变成数字图象数列送入DSP图像处理平台，经过二维层析重构算法3重构后，复原出图象，经过图象处理系统4进行去模糊和滤波后，消除图象中虚假信息，获得原图象；
具体实现方法包括如下步骤：
（1）通过红外镜头1获取目标的红外图像；
（2）层析传感器2包括有层析调制器2-1、聚焦透镜阵列2-2、成像透镜2-3、红外焦平面阵列2-4，层析调制器2-1将红外图像的大视场分成多个高空间分辨率的小块的分视场，并对每个分视场进行层析，即把多个分视场分别转化成低空间分辨率的一维层析信号，多个分视场形成的一维层析信号经过聚焦透镜阵列2-2形成低分辨率的二维层析阵列，通过成像透镜2-3将低分辨率的二维层析阵列进行空间压缩后成像于红外焦平面阵列2-4上并并转化输出成二维层析数字阵列；
如图3所示的二维层析调制器的形式，本实施例将视场分成9个子视场，每个子视场采用图5的刀边圆锥扫描器对子视场进行层析调制，形成一个随时间变化的强度值。9个子视场形成层析阵列信号，完成将大视场、高分辨率目标像调制成层析阵列信号。将视场分成其他数目的层析调制器也在本在专利的保护范围之内。
（3）二维层析重构算法3是利用二维Radon变换理论和方法实现的，通过二维层析重构算法对经过红外镜头1和层析传感器2输出的随扫描时间变化的二维层析数字阵列实现并行重构，恢复大视场、高空间分辨率的图像，在DSP图像处理平台采用多处理器并行计算，实现大视场、高空间分辨率的快速重构；
具体重构过程如下：
1）重采样信号获得等扫描长度间隔的信号；
    2）计算层析阵列信号对长度的微分；
    3）计算层析阵列信号的FFT；
    4）设计和信号等长的RamLak或窗口数字滤波器；
    5）信号和滤波器对应相乘,并对乘积进行FFT逆变换；
    6）对变换结果沿扫描线在图像空间中用插值法后向投影，对所有扫描的角度求和；
    7）将分视场的信号按上述过程并行重构；
    8）通过标准方格图消除分视场间的相互干扰；
（4）图象处理系统4是一种图像处理单元，经过二维层析重构算法3重构后的图像用图象处理系统4中的滤波反向投影技术实现重构图像的去模糊，完整再现目标场景；
（5）研究原图像和重构图像的空间频谱，并用测定的调制传递函数来验证重构图像的对比度信息和虚假信息；根据虚假信息特征，用高斯滤波函数作为预滤波模型实现虚假信息抑制及图像预处理。
    层析调制器2-1可以采用刀边圆锥扫描器或液晶光阀圆锥扫描器阵列组成；每个子盘独立扫描，扫描频率可以相同，也可以不相同。
聚焦透镜阵列2-2采用六边形结构。
    红外凝视层析成像系统所需的红外焦平面阵列2-4探测元数较少，探测元的分辨能力要求较低，无复杂光机扫描，能实现大视场、高分辨率的红外凝视成像。

Claims (3)

1.一种红外凝视层析成像方法，其特征在于，包括有红外镜头、层析传感器、DSP图像处理平台，所述的DSP图像处理平台中设有二维层析重构算法和图像处理系统，所述的红外镜头将目标成像于层析传感器上，经过层析传感器调制后变成数字图象数列送入DSP图像处理平台，经过所述的二维层析重构算法重构后，复原出图象，经过图象处理系统进行去模糊和滤波后，消除图象中虚假信息，获得原图象；
具体实现方法包括如下步骤：
（1）通过红外镜头获取目标的红外图像；
（2）所述的层析传感器包括有层析调制器、聚焦透镜阵列、成像透镜、红外焦平面阵列，层析调制器将红外图像的大视场分成多个高空间分辨率的小块的分视场，并对每个分视场进行层析，即把多个分视场分别转化成低空间分辨率的一维层析信号，多个分视场形成的一维层析信号经过聚焦透镜阵列形成低分辨率的二维层析阵列，通过成像透镜将低分辨率的二维层析阵列进行空间压缩后成像于红外焦平面阵列上并并转化输出成二维层析数字阵列；
（3）所述的二维层析重构算法是利用二维Radon变换理论和方法实现的，通过二维层析重构算法对所述的经过红外镜头和层析传感器输出的随扫描时间变化的二维层析数字阵列实现并行重构，恢复大视场、高空间分辨率的图像，在DSP图像处理平台采用多处理器并行计算，实现大视场、高空间分辨率的快速重构；
具体重构过程如下：
1）重采样信号获得等扫描长度间隔的信号；
    2）计算层析阵列信号对长度的微分；
    3）计算层析阵列信号的FFT；
    4）设计和信号等长的RamLak或窗口数字滤波器；
    5）信号和滤波器对应相乘,并对乘积进行FFT逆变换；
    6）对变换结果沿扫描线在图像空间中用插值法后向投影，对所有扫描的角度求和；
    7）将分视场的信号按上述过程并行重构；
    8）通过标准方格图消除分视场间的相互干扰；
（4）所述的图象处理系统是一种图像处理单元，经过二维层析重构算法重构后的图像用图象处理系统中的滤波反向投影技术实现重构图像的去模糊，完整再现目标场景；
（5）研究原图像和重构图像的空间频谱，并用测定的调制传递函数来验证重构图像的对比度信息和虚假信息；根据虚假信息特征，用高斯滤波函数作为预滤波模型实现虚假信息抑制及图像预处理。
2.根据权利要求1所述的红外凝视层析成像方法，其特征在于，所述的层析调制器采用刀边圆锥扫描器阵列或液晶光阀圆锥扫描器组成；每个子盘独立扫描，扫描频率可以相同，也可以不相同。
3.根据权利要求1所述的红外凝视层析成像方法，其特征在于，所述的聚焦透镜阵列采用六边形结构。
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