CN103425080A

CN103425080A - 主动成像式红外隐身系统

Info

Publication number: CN103425080A
Application number: CN2013102540033A
Authority: CN
Inventors: 骆延令; 高教波; 高蒙; 王吉龙; 赵宇洁; 高飞
Original assignee: Xian institute of Applied Optics
Current assignee: Xian institute of Applied Optics
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN103425080B

Abstract

本发明公开了一种主动成像式红外隐身系统，该系统由热像仪、图像采集处理系统、红外LED驱动电路和红外LED显示系统构成。其主要特点是：红外LED显示系统分块布置在隐身系统的各个方向上，图像采集处理系统采集热像仪所成的背景红外图像，同时根据红外LED的调制脉宽与图像灰度值的对应关系，将背景灰度图像转换为调制脉宽图像，然后对该图像进行缩放、分割，形成与显示子单元数量对应的分割数据块并将其发送到红外LED驱动电路，红外LED驱动电路控制红外LED显示系统对背景进行显示，从而使隐身系统在敌方红外系统中的红外特征与背景相似，达到隐身目的。本发明具有伪装逼真度高、隐身速度快和结构简单易于安装拆卸等优点。

Description

主动成像式红外隐身系统

技术领域

本发明属于光电对抗技术领域，主要涉及一种红外隐身系统，尤其涉及一种采用主动成像方式的中波红外隐身系统。

背景技术

随着红外探测技术的发展，军用目标面临随时被发现的危险。为提高目标的生存能力，降低目标被敌方红外侦察系统发现的概率，各国越来越重视红外隐身技术的研究。对目标进行红外隐身的主要技术途径有：降低目标的热辐射，改变目标表面的热辐射分布，降低目标与背景的热辐射差异，采用特殊材料使目标辐射波段在红外探测器响应波段外。目前研究较多的是在目标表面涂敷低发射率的涂料以及在目标表面覆盖特殊绝热材料制作的伪装网。目前所用的低发射率涂料的发射率大多都在0.6以上，距离作战使用还有一定差距，而进一步降低涂料的发射率相当困难；采用伪装网将会导致目标平台的机动性降低。此外，上述这两种隐身方法，其目标外形轮廓的红外特征相对环境比较固定，因此对环境的适应性较差。

公开号为CN202383461U的中国专利公布了一种主动式红外隐身装置，该专利通过红外信号采集单元获取红外背景信号，并通过自动控制单元控制热电陶瓷面板的热辐射与背景相同。由于采用热电陶瓷面板作为红外辐射显示单元，其单元面积较大，布置在隐身系统上的数量有限，所显示的背景逼真度不高，导致隐身效果不理想；而且热电陶瓷面板单元的红热辐射采用电阻加热的方式实现，采用这种温控反馈方法达到稳定温度通常需要较长的时间，导致系统隐身速度慢；此外所采用的温度控制系统的结构和电路连接都比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种伪装逼真度高、隐身速度快、结构简单的红外隐身系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的系统包括热像仪、二维转台、图像采集处理系统、红外LED驱动电路和红外LED显示系统；

所述热像仪具有调焦机构和自动增益控制功能，热像仪通过所述二维转台安装在车辆的顶部；热像仪和二维转台均受所述图像采集处理系统的控制，热像仪的输出图像送给图像采集处理系统进行处理；

所述红外LED显示系统含有n个显示子单元，每个显示子单元由a×a个红外LED构成矩阵形式,各行红外LED的阴极相连接而形成a个阴极连接端，各列红外LED的阳极相连接而形成a个阳极连接端，其中a=2^b，b=3、4、5；n个显示子单元分成四个显示块分别布置在车体的前方、后方、左侧方和右侧方：其中，车体前方显示块排列有c_前×d_前个显示子单元，车体后方显示块排列有c_后×d_后个显示子单元，车体左侧方显示块排列有c_左×d_左个显示子单元,车体右侧方显示块排列有c_右×d_右个显示子单元；其中，c_前表示前方显示块含有显示子单元的行数，d_前表示前方显示块含有显示子单元的列数；c_后表示后方显示块含有显示子单元的行数，d_后表示后方显示块含有显示子单元的列数；c_左表示左侧方显示块含有显示子单元的行数，d_左表示左侧方显示块含有显示子单元的列数；c_右表示右侧方显示块含有显示子单元的行数，d_右表示右侧方显示块含有显示子单元的列数；c_前、d_前、c_后、d_后、c_左、d_左、c_右、d_右均≥2；n=c_前×d_前+c_后×d_后+c_左×d_左+c_右×d_右；

所述图像采集处理系统为内置有图像采集卡、存储器、图像处理软件包的计算机，存储器存放有红外LED调制脉宽与图像灰度值的对应关系表及a、c_前、d_前、c_后、d_后、c_左、d_左、c_右和d_右的值；

所述图像处理软件包包括界面模块、采集模块、控制模块、转换模块和分割模块；界面模块的功能是在计算机的显示器上显示功能按钮组和图像显示区；功能按钮组中设有用于调节热像仪工作参数的多个调节按钮和图像处理中所必备的操作控制按钮；图像显示区实时显示采集模块的输出图像；

采集模块的功能是，采集热像仪输出的背景图像，将背景图像转换为背景灰度图像并送入图像显示区；

控制模块的功能是，根据调节按钮指令对所述热像仪的工作参数进行调节；当接收到锁定按钮指令时，对当前一帧背景灰度图像进行锁定并缓存；当接收到红外LED驱动电路发出的n条数据接收完毕反馈信息时，向红外LED驱动电路发送显示命令；

转换模块的功能是，接收到转换按钮指令时，根据所述红外LED脉宽调制与图像灰度值的对应表，将锁定的当前背景灰度图像转换为脉宽调制图像；采用邻近插值算法，将脉宽调制图像转换成大小为j_前×k_前的前方缩放图像,其中j_前=a×c_前,k_前=a×d_前；将脉宽调制图像转换成大小为j_后×k_后的后方缩放图像，其中j_后=a×c_后,k_后=a×d_后；将脉宽调制图像转换成大小为j_左×k_左的左侧方缩放图像，其中j_左=a×c_左,k_左=a×d_左；将脉宽调制图像转换成大小为j_右×k_右的右侧方缩放图像，其中j_右=a×c_右,k_右=a×d_右；

分割模块的功能是接收分割按钮的指令，将前方缩放图像分割为c_前×d_前个大小相等的前方分割数据块，送入计算机的第三串口；将后方缩放图像分割为c_后×d_后个大小相等的后方分割数据块，送入计算机的第四串口；将左侧方缩放图像分割为c_左×d_左个大小相等的左侧方分割数据块，送入计算机的第五串口；将右侧方缩放图像分割为c_右×d_右个大小相等的右侧方分割数据块，送入计算机的第六串口；

所述红外LED驱动电路包括前电路组、后电路组、左侧电路组和右侧电路组，前电路组含有c_前×d_前个子电路，后电路组含有c_后×d_后个子电路，左侧电路组含有c_左×d_左个子电路，右侧电路组含有c_右×d_右个子电路；每个子电路与对应的显示子单元连接；每个子电路由单片机、电源模块、译码器、锁存器和a个三极管组成；前电路组中所有单片机的串口均与计算机的第三串口连接，后电路组中所有单片机的串口均与计算机的第四串口连接，左侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第五串口连接，右侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第六串口连接；电源模块用于给子电路各元器件供电；单片机的log₂a条地址线与译码器的log₂a个输入端按照译码高低位对应连接，译码器的a个输出端与显示子单元的a个阴极端一一对应连接，其中译码器的第i位输出端与显示子单元阴极的第i行对应连接,其中1≤i≤a；单片机的a个数据输出口分别与锁存器的a个输入端一一对应连接；锁存器的a个输出端与a个三极管的基极一一对应连接且每条连接线路中串接1个电阻，a个三极管的集电极均与电源模块的输出端连接，a个三极管的发射极与显示子单元的a个阳极一一对应连接；单片机的功能是，从计算机送出的分割数据块中选择与自身存储地址对应的显示子单元的调制脉宽数据并缓存，待接收完a×a个调制脉宽数据后向计算机发送一条接收完毕反馈信号；当接收到计算机发出的显示指令时，按时序向译码器发出多组地址数据，同时从缓存器中读取和本子电路相应的显示子单元中与每一组地址对应的行调制脉宽数据，据此按时序产生与多组地址数据对应的多组脉冲信号并送入锁存器；译码器的功能是按时序接收单片机输出的多组地址数据，使与每组地址对应的一个输出端口为低电平；锁存器的功能是按时序对单片机输出的多组脉冲信号进行锁存并按时序送给所述电阻；三极管的功能是当所述电阻接收到锁存器输出的高电平信号时，点亮与之连接的红外LED。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明中布置在隐身系统上的红外LED显示系统由多个显示子单元构成相应的阵列，每个显示子单元为红外LED的方阵，红外LED驱动电路由与显示子单元数量对应的子电路构成。图像采集处理系统对采集的背景图像进行转换、缩放处理后变为脉宽调制图像，子电路根据每个红外LED的脉宽数据，控制相应的显示子单元进行显示。由于红外LED的体积较小，整个隐身系统所布置的红外LED数目较多；同时经过图像转换缩放处理和红外LED驱动电路驱动后，原背景图像的像素灰度信息转换为每个红外LED的辐射亮度，背景显示的逼真度更高，隐身效果得到了增强。

(二)本发明中布置在隐身系统的红外LED显示系统由n个显示子单元构成，而且n个显示子单元接收到计算机的显示指令时同步显示经处理后的隐身背景，图像的显示帧频较高；此外，红外LED的响应时间为纳秒级，因此这种分布式显示阵列极大地缩短了红外LED显示系统的响应时间，提高了系统隐身伪装的速度。

(三)本发明中红外LED驱动电路中的每个子电路由单片机、译码器、锁存器和三极管等构成，结构和电路连接比较简单，可以和对应的显示子单元集成在一起，便于整个隐身系统的布置安装和拆卸。

附图说明

图1是主动成像式红外隐身系统的组成示意图。

图2是本发明中显示子单元的排列形式及连接关系示意图。

图3是本发明中图像采集处理系统的工作流程图。

图4是本发明中子电路的组成及连接关系示意图。

图5是子电路中单片机的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，本发明以军用车辆为进行隐身的目标，优选实施例包括热像仪1、二维转台2、图像采集处理系统3、红外LED驱动电路4、红外LED显示系统5。

热像仪1的响应波段为3～5μm，分辨率为640×512，视场为11°×8°，输出图像帧频为50Hz。热像仪1具有调焦机构和自动增益控制功能。热像仪1安装在二维转台2上，通过调节二维转台2可以使热像仪1对准目标。热像仪1与二维转台2的组合体安装在车辆的顶部。热像仪1的视频信号输出端通过数据线与图像采集处理系统3的图像采集卡输入端连接，控制端通过数据线与图像采集处理系统3的第一串口连接，用来接收热像仪1的控制信号。二维转台2的控制端与图像采集处理系统3的第二串口连接，用来接收二维转台2的控制信号。

红外LED显示系统5由n个显示子单元构成，每个显示子单元由a×a个红外LED构成矩阵方式,各行红外LED的阴极相连接，形成a个阴极连接端，各列红外LED的阳极相连接，形成a个阳极连接端(参见图2)，其中a=2^b，b=3、4、5；n个显示子单元分成四个显示块分别布置在车体的前方、后方、左侧方和右侧方：其中，车体前方显示块排列有c_前×d_前个显示子单元，车体后方显示块排列有c_后×d_后个显示子单元，车体左侧方显示块排列有c_左×d_左个显示子单元,车体右侧方显示块排列有c_右×d_右个显示子单元；其中，c_前表示前方显示块含有显示子单元的行数，d_前表示前方显示块含有显示子单元的列数；c_后表示后方显示块含有显示子单元的行数，d_后表示后方显示块含有显示子单元的列数；c_左表示左侧方显示块含有显示子单元的行数，d_左表示左侧方显示块含有显示子单元的列数；c_右表示右侧方显示块含有显示子单元的行数，d_右表示右侧方显示块含有显示子单元的列数。其中，n=c_前×d_前+c_后×d_后+c_左×d_左+c_右×d_右。本实例中a=16，n=96,c_前=c_后=d_前=d_后=d_左=d_右=4,c_左=c_右=8。实际的红外LED的布置数量不限于本实施例中的布置数量。本实施例所用的红外LED型号为LED43，辐射波长范围为3.4－4.6μm，峰值波长为4.15μm，响应时间为20ns，辐射功率约200μW。

图像采集处理系统3包括计算机、显示器，图像采集卡、存储器和图像处理软件包，其工作流程如图3所示。图像采集卡安装在计算机的PCI插槽上，图像采集卡的分辨率不小于640×512。本实例中使用的图像采集卡为8位，分辨率为640×512，输出帧频为50Hz。存储器存放有：红外LED调制脉宽与图像灰度值的对应关系表及a、c_前、d_前、c_后、d_后、c_左、d_左、c_右和d_右的值。

图像处理软件包包括界面模块、采集模块、控制模块、转换模块和分割模块。界面模块的功能是在显示器上显示功能按钮组和图像显示区。功能按钮组包括采集启动按钮、锁定按钮、焦距增加按钮、焦距减小按钮、方位角增加按钮、方位角减小按钮、俯仰角增加按钮、俯仰角减小按钮、自动增益按钮、转换按钮、分割按钮。图像显示区动态显示采集到背景的灰度图像，焦距增加或减小按钮的功能是调节热像仪1成像镜头的伸缩，默认值为上次的使用值，调节步长是1mm；方位角和俯仰角增加按钮、方位角和俯仰角减小按钮的功能是调节热像仪1的方位角和俯仰角，默认值为上次的使用值，单次调节量为1°。本实例中热像仪1的水平调节范围为0°～360°，俯仰调节范围为-20°～+60°。

采集模块的功能是采集热像仪1输出的背景图像，将背景图像转换为背景灰度图像并送入界面图像显示区进行显示。

控制模块的功能是根据焦距增加或减少按钮的指令，向热像仪1发出焦距调节指令；根据方位角或俯仰角按钮指令，向二维转台2发出俯仰或水平调节指令；当接收到锁定按钮指令，将当前一帧背景灰度图像锁定并缓存；根据自动增益按钮指令，向热像仪1发出采用自动增益指令；当接收到红外LED驱动电路4的n条数据接收完毕反馈信息时，向红外LED驱动电路4发送显示命令。

获得红外LED调制脉宽与图像灰度值对应关系表的方法如下：将单个红外LED固定，使其辐射面与水平方向垂直。将红外LED的阳极接入信号发生器的“+”输出端，阴极接入信号发生器的“-”输出端。设置信号发生器输出波形为方波，信号周期为500μs，红外LED工作电流幅值为200mA。调节方波信号的脉宽从0到255μs，调节步长为1μs，热像仪1与红外LED的距离为2米，调节热像仪1的焦距、方位和俯仰，在图像采集处理软件包的图像显示区中央得到红外LED的清晰图像。记录256组红外LED调制脉宽值及其对应的图像灰度值，将二者对应关系表进行存储。

转换模块的功能是接收转换按钮的指令，调用红外LED脉宽调制与图像灰度值的对应表，将锁定的当前背景灰度图像转换为脉宽调制图像。根据存储器中车体前方、后方、左侧方、右侧方安装的显示子单元的行数和列数及每个显示子单元包含红外LED的行数和列数，采用邻近插值算法将脉宽调制图像转换为四幅缩放图像。本实施例中，将640×512大小的脉宽调制图像转换为前缩放图像、后缩放图像、左侧缩放图像、右侧缩放图像。前缩放图像的大小为j_前×k_前,其中j_前=a×c_前,k_前=a×d_前;后缩放图像的大小为j_后×k_后，j_后=a×c_后,k_后=a×d_后;左侧缩放图像的大小为j_左×k_左,其中j_左=a×c_左,k_左=a×d_左;右侧缩放图像的大小为j_右×k_右，其中j_右=a×c_右,k_右=a×d_右。

分割模块的功能是接收分割按钮的指令，将前方缩放图像分割为c_前×d_前个大小相等的前方分割数据块，送入计算机的第三串口；将后方缩放图像分割为c_后×d_后个大小相等的后方分割数据块，送入计算机的第四串口；将左侧方缩放图像分割为c_左×d_左个大小相等的左侧方分割数据块，送入计算机的第五串口；将右侧方缩放图像分割为c_右×d_右个大小相等的右侧方分割数据块，送入计算机的第六串口。

所述红外LED驱动电路4包括前电路组、后电路组、左侧电路组和右侧电路组，前电路组含有c_前×d_前个子电路，后电路组含有c_后×d_后个子电路，左侧电路组含有c_左×d_左个子电路，右侧电路组含有c_右×d_右个子电路，每个子电路与对应的显示子单元连接。每个子电路由单片机、电源模块、译码器、锁存器和a个三极管组成。电源模块的输入端连接12V直流电源，其输出端与单片机、译码器和锁存器的电源输入端连接，其功能是向子电路提供5V的电压。前电路组中所有单片机的串口均与计算机的第三串口连接，后电路组中所有单片机的串口均与计算机的第四串口连接，左侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第五串口连接，右侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第六串口连接。单片机的log₂a条地址线与译码器的log₂a个输入端按照译码高低位对应连接，译码器的a个输出端与显示子单元的a个阴极端一一对应连接，其中译码器的第i位输出端与显示子单元阴极的第i行对应连接,其中1≤i≤a；单片机的a个数据输出口分别与锁存器的a个输入端一一对应连接（参见图4）；锁存器的a个输出端与a个三极管的基极一一对应连接且每条连接线路中串接1个1kΩ电阻，a个三极管的集电极均与电源模块的输出端连接，a个三极管的发射极与显示子单元的a个阳极一一对应连接。单片机的功能是，从计算机送出的分割数据块中选择与自身存储地址对应的显示子单元的调制脉宽数据并缓存，待接收完a×a个调制脉宽数据后向计算机发送一条接收完毕反馈信号；当接收到计算机发出的显示指令时，按时序向译码器发出多组地址数据，同时从缓存器中读取和本子电路相应的显示子单元中与每一组地址对应的行调制脉宽数据，据此按时序产生与多组地址数据对应的多组脉冲信号并送入锁存器。单片机的工作流程参见图5。译码器的功能是按时序接收单片机输出的多组地址数据，使与每组地址对应的一个输出端口为低电平。锁存器的功能是按时序对单片机输出的多组脉冲信号进行锁存并按时序送给所述电阻。三极管的功能是当所述电阻接收到锁存器输出的高电平信号时，点亮与之连接的红外LED。本实施例子电路中采用的单片机为AT89C52，电源模块为LM7805，译码器为74CH154，锁存器为74AC16373，三极管为VT8050，单片机的时钟频率为12MHz，完成一帧图像显示时间约为4ms。

Claims

1.一种主动成像式红外隐身系统，包括具有调焦机构和自动增益控制功能的热像仪（1）、二维转台（2）和图像采集处理系统（3）；所述热像仪（1）通过所述二维转台（2）安装在车辆的顶部；所述热像仪（1）和二维转台（2）均受所述图像采集处理系统（3）的控制，所述热像仪（1）的输出图像送给所述图像采集处理系统（3）进行处理；其特征在于：还包括红外LED驱动电路（4）和红外LED显示系统（5）；

所述红外LED显示系统（5）含有n个显示子单元，每个显示子单元由a×a个红外LED构成矩阵形式,各行红外LED的阴极相连接而形成a个阴极连接端，各列红外LED的阳极相连接而形成a个阳极连接端，其中a=2^b，b=3、4、5；n个显示子单元分成四个显示块分别布置在车体的前方、后方、左侧方和右侧方：其中，车体前方显示块排列有c_前×d_前个显示子单元，车体后方显示块排列有c_后×d_后个显示子单元，车体左侧方显示块排列有c_左×d_左个显示子单元,车体右侧方显示块排列有c_右×d_右个显示子单元；其中，c_前表示前方显示块含有显示子单元的行数，d_前表示前方显示块含有显示子单元的列数；c_后表示后方显示块含有显示子单元的行数，d_后表示后方显示块含有显示子单元的列数；c_左表示左侧方显示块含有显示子单元的行数，d_左表示左侧方显示块含有显示子单元的列数；c_右表示右侧方显示块含有显示子单元的行数，d_右表示右侧方显示块含有显示子单元的列数；c_前、d_前、c_后、d_后、c_左、d_左、c_右、d_右均≥2；n=c_前×d_前+c_后×d_后+c_左×d_左+c_右×d_右；

所述图像采集处理系统（3）为内置有图像采集卡、存储器、图像处理软件包的计算机，存储器存放有红外LED调制脉宽与图像灰度值的对应关系表及a、c_前、d_前、c_后、d_后、c_左、d_左、c_右和d_右的值；

所述图像处理软件包包括界面模块、采集模块、控制模块、转换模块和分割模块；界面模块的功能是在计算机的显示器上显示功能按钮组和图像显示区；功能按钮组中设有用于调节热像仪（1）工作参数的多个调节按钮和图像处理中所必备的操作控制按钮；图像显示区实时显示采集模块的输出图像；

采集模块的功能是，采集热像仪（1）输出的背景图像，将背景图像转换为背景灰度图像并送入图像显示区；

控制模块的功能是，根据调节按钮指令对所述热像仪（1）的工作参数进行调节；当接收到锁定按钮指令时，对当前一帧背景灰度图像进行锁定并缓存；当接收到红外LED驱动电路（4）发出的n条数据接收完毕反馈信息时，向红外LED驱动电路（4）发送显示命令；

所述红外LED驱动电路（4）包括前电路组、后电路组、左侧电路组和右侧电路组，前电路组含有c_前×d_前个子电路，后电路组含有c_后×d_后个子电路，左侧电路组含有c_左×d_左个子电路，右侧电路组含有c_右×d_右个子电路；每个子电路与对应的显示子单元相连接；每个子电路由单片机、电源模块、译码器、锁存器和a个三极管组成；前电路组中所有单片机的串口均与计算机的第三串口连接，后电路组中所有单片机的串口均与计算机的第四串口连接，左侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第五串口连接，右侧电路组中所有单片机的串口均与计算机的第六串口连接；电源模块用于给子电路各元器件供电；单片机的log₂a条地址线与译码器的log₂a个输入端按照译码高低位对应连接，译码器的a个输出端与显示子单元的a个阴极端一一对应连接，其中译码器的第i位输出端与显示子单元阴极的第i行对应连接,其中1≤i≤a；单片机的a个数据输出端分别与锁存器的a个输入端一一对应连接；锁存器的a个输出端与a个三极管的基极一一对应连接且每条连接线路中串接1个电阻，a个三极管的集电极均与电源模块的输出端连接，a个三极管的发射极与显示子单元的a个阳极一一对应连接；单片机的功能是，从计算机送出的分割数据块中选择与自身存储地址对应的显示子单元的调制脉宽数据并缓存，待接收完a×a个调制脉宽数据后向计算机发送一条接收完毕反馈信号；当接收到计算机发出的显示指令时，按时序向译码器发出多组地址数据，同时从缓存器中读取和本子电路相应的显示子单元中与每一组地址对应的行调制脉宽数据，据此按时序产生与多组地址数据对应的多组脉冲信号并送入锁存器；译码器的功能是按时序接收单片机输出的多组地址数据，使与每组地址对应的一个输出端口为低电平；锁存器的功能是按时序对单片机输出的多组脉冲信号进行锁存并按时序送给所述电阻；三极管的功能是当所述电阻接收到锁存器输出的高电平信号时，点亮与之连接的红外LED。

2.根据权利要求1所述的主动成像式红外隐身系统，其特征在于:取a=16,c_前=c_后=d_前=d_后=d_左=d_右=4,c_左=c_右=8。