CN104165626B - 仿生复眼成像目标定位系统 - Google Patents

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Abstract

新型仿生复眼成像目标定位系统属于目标探测领域，包括：保护玻璃、大孔径复眼光学系统、曲面分布的探测器阵列、计算机神经网络信号处理系统、伺服控制系统、机控信号处理系统、支撑结构及壳体组成；复眼光学系统作为该系统的光学信息采集系统，将入射光聚焦到曲面分布的探测器阵列上成像；信号处理系统不仅对光学图像信息进行预处理，该信号处理系统采用神经网络处理方式，计算机通过对已建立目标信息数据库反复训练，可以实现目标的快速识别，并将信息以数字号形式输出至伺服控制系统，伺服控制系统对输入的数字信号进行处理分析得到目标当前的相对位置信息，并将以反馈信号的形式输出给机控信号处理系统，机控信号处理系统根据反馈的信号对系统的姿态进行调整，实现精准定位跟踪。该系统结构简单、紧凑、成本低，并具有探测范围广、高分辨率、高识别概率以及定位准确等特点。

Description

仿生复眼成像目标定位系统
技术领域
本发明属于目标探测技术领域，具体涉及一种应用仿生昆虫复眼光学系统采集目标的光学图像信息并能够进行信息的传输、处理和控制的仿生复眼成像目标定位系统。
背景技术
目标探测与识别技术是自动化监视跟踪系统的核心技术，随着技术的不断进步以及工作环境的日益复杂化，对其性能要求不断提高。光学精确制导技术作为一类重要的精确制导技术，具有分辨率高、易于成像、测量精度高无多路径效应、隐蔽性好，重量轻和体积小等优点。本发明所涉及的仿生复眼成像目标定位系统正是基于仿生光学的目标识别技术。
对于目前的目标图像探测技术，无论是光机扫描成像，还是凝视焦平面成像，有限的探测角度极大的限制了系统的探测范围。这是因为传统光学系统的视场受限于结构对称于唯一光轴，并且成像质量随视场的增大而降低。尽管广角镜头和鱼眼镜头可以有效增大光学系统的视场，但其成本高，装调困难，重量大，而且复杂的结构使其在某些波段对材料性能要求较高，如红外波段。近年来，随着仿生光学的迅速发展，通过利用昆虫复眼的成像原理提出了解决光轴唯一性的问题，可以有效扩大系统视场，但微透镜系统的工作距较短且加工技术尚不成熟，很大成都限制了复眼成像技术的应用。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种可见光波段的仿生复眼成像目标定位系统，该系统采用中心高分辨系统与低分辨率边缘阵列子系统相结合的方式，不仅有效扩大了系统探测范围，而且高低分辨率相结合的方式能够简化系统结构和降低成本。
1.仿生复眼成像目标定位系统，该系统包括：保护玻璃、大孔径复眼光学系统、曲面分布的探测器阵列、基于神经网络的信号处理系统、伺服控制系统、系统机控信号处理系统、支撑结构及壳体组成；复眼光学系统作为该系统的光学信息采集系统，将入射光聚焦到曲面分布的探测器阵列上成像；信号处理系统不仅对光学图像信息进行预处理，该信号处理系统采用神经网络处理方式，计算机通过对已建立目标信息数据库反复训练，可以实现目标的快速识别，并将信息以数字信号形式输出至伺服控制系统，伺服控制系统对输入的数字信号进行处理分析得到目标当前的相对位置信息，并将以反馈信号的形式输出给机控信号处理系统，机控信号处理系统根据反馈的信号对系统的姿态进行调整，实现精准定位跟踪。
本发明的有益效果是：
1、仿生复眼成像目标定位系可以实现在可见光波段的大视场目标探测与识别，将其应用在光学成像目标搜索与定位能够充分解决传统可见光制导系统大视场与高分辨的矛盾。
2、仿生复眼成像目标定位系的球面阵列式排布，通过增大子系统间光轴夹角，迅速提高整体系统的视场角。
3、仿生复眼成像目标定位系属于大视场凝视成像，与扫描成像系统相比，机械结构简单。
4、仿生复眼成像目标定位系由于各子眼系统视场小，结构简单，制作成本较低，可实现大规模装载。
5、仿生复眼成像目标定位系利用基于神经网络的信号处理系统可以对获取的目标图像信息更快的进行比对识别探测定位。
以上特点使其在可见光成像目标搜索与定位领域里具有极其广阔的应用前景，目前尚未见到同类型的可见光成像目标搜索定位系统。
附图说明
图1为仿生复眼成像目标定位系示意图；
图2(a)为仿生复眼成像目标定位系分前视图；
图2(b)为仿生复眼成像目标定位系分后视图；
图2(c)为仿生复眼成像目标定位系分左视图；
图3为子眼系统X方向(子午)视场拼接示意图；
图4(a)为子眼光学系统物方工作面全视场正视图；
图4(b)为子眼光学系统物方工作面全视场侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。
2.如图1所示，该系统主要由保护玻璃2、子眼大孔径复眼光学系统3、曲面分布的探测器阵列4、基于神经网络的信号处理系统5、伺服控制系统6、系统机控信号处理系统7组成；其中，大孔径复眼光学系统3作为实现一系列特殊功能的关键性部件，主要负责对目标及背景的光学信息1采集，将入射的光聚焦到曲面分布的探测器阵列4上成像。信号处理系统5不仅光学对图像信息进行预处理，该信号处理系统采用神经网络处理方式，计算机通过对已建立目标信息数据库反复训练，可以实现目标的快速识别，并将信息以数字信号形式输出至伺服控制系统6，伺服控制系统6对输入的数字信号进行处理分析得到目标当前的相对位置信息，并将以反馈信号的形式输出给机控信号处理系统7，机控信号处理系统7根据反馈的信号对系统的姿态进行调整，实现精准定位跟踪。
作为本发明的关键组件，仿生复眼成像目标定位系与传统的光学系统不同，其子眼光学系统阵列的各部分功能与排布形式比较特殊。仿生复眼成像目标定位系由1个中心高分辨子眼光学系统和2个低分辨边缘阵列光学系统组成。其中，中心高分辨子眼光学系统具有小视场，长焦距以及高分辨率的特点，其作用在与目标的高分辨率识别；边缘阵列光学系统相对于中心光学系统，其视场较大、焦距较短、分辨率较低，主要完成大视场范围内目标的捕获任务。如图2所示，仿生复眼成像制导系统子眼系统以圆周阵列的形式分布在球形壳体表面。其中，中心光学系统光轴与系统的对称光轴重合，边缘第1阵列光学系统光轴与中心光学系统光轴夹角为7.8°，阵列周期为12个；边缘第2阵列光学系统光轴与中心光学系统光轴夹角为20.5°，阵列周期为18个。中心光学系统视场角为5.1°，焦距60，F数为2.3；边缘阵列光学系统视场角为2w＝15.2°，焦距2w＝20，F数为2.7。该系统探测器均采用1/3-inch COMS，探测器分辨率为752×480。仿生复眼成像目标定位系的全视场凝视范围2W＝60°，探测距离可达3Km，探测范围内无盲区。
子眼光学系统共分为三个部分，中心光学系统，第一阵列边缘子眼系统和第二阵列边缘子眼系统。三个部分通过X方向视场拼接和绕Z轴旋转阵列的方式，将子眼光学系统的视场扩大为全视场60°。其中X方向视场拼接又称子午视场拼接，在子午方向拼接过程如图3所示。A为中心系统，B为第一阵列边缘子眼系统在子午面内一个基元，C为第二阵列边缘子眼系统在子午面内一个基元，D为个系统的coms探测器，E为物方工作面。中心光学系统视场为2ω1，边缘子眼光学系统的视场分别为2ω2和2ω3。中心光学系统与第一阵列边缘子眼光学系统的光轴夹角为第一阵列边缘子眼光学系统与第二阵边缘子眼光学系统的夹角为由此可以得出，在忽略实际系统的机械间隔的理想情况下，当中心光学系统的边缘光线和边缘子眼光学系统的边缘光线平行时，此时视场将是无缝拼接的临界条件，得到关系式如下：
然而实际系统是存在机械间隔的，用来固定各个子系统，所以考虑此情况上述公式应为：
此时，子眼光学系统的总视场角2W与各个分系统的视场关系为：
将系统各项参数带入关系式中以及综合分析各子系统的空间机械间隔等问题，最终推导出中心光学系统与第一阵列边缘子眼光学系统的光轴夹角为7.8°(子午面内)，第一阵列边缘子眼光学系统与第二阵列边缘子眼光学系统的光轴夹角为20.5°(子午面内)，因此确定子眼光学系统在子午面的排列方式及分布情况，进而确定了三个分系统的基元的精确分布，为绕Z轴旋转阵列确定最终子眼光学系统的排布方式打下基础。
根据在X方向的视场拼接方式，确定第一阵列的边缘子眼系统和第二阵列边缘子眼系统在子午面内的系统基元，将两组基元分别通过绕Z轴圆周阵列可以实现Y方向的视场拼接过程，也就是弧矢面内的视场拼接，并且遵循工作物面无盲区的拼接原则，进而可以推导出每一层的阵列周期数目的数学表达式。每层子系统的周期阵列数n与其对应的子系统的Y方向的视场有如下关系式：
其中为各个子系统的光轴之间的夹角(i＝1,2)，x和y分别为coms探测器的相面尺寸，f'为边缘子系统的焦距。在子眼光学系统的设计过程中可以根据各个子眼的光学系统的性能要求选择合适的焦距并根据所选探测器的相面尺寸确定子眼周期的阵列数目。所以根据此次系统设计要求及各项参数代入上述关系式可以得出第一层周期阵列数目为12，第二层周期阵列数目为18。
利用计算计软件，对距离3km远的物方工作面视场进行模拟，最终得到子眼光学系统的全视场分布图如图4所示。其中红色和蓝色矩形部分为X方向3个子系统基元在物方工作面视场的拼接过程。因为此次设计是coms探测器工作相面作为系统的视场光阑，所以根据物象共轭原则实际物方工作面应为矩形视场，在图4(a)中，中心处最小红色矩形框为中心系统视场，其正上方第一个蓝色矩形框为第一阵列边缘子眼光学系统列在子午面内系统基元的视场，第二个红色矩形框为第二阵列边缘子眼光学系统在子午面内系统基元的视场。

Claims (6)

1.仿生复眼成像目标定位系统，其特征在于该系统包括：保护玻璃、大孔径复眼光学系统、曲面分布的探测器阵列、基于神经网络的信号处理系统、伺服控制系统、系统机控信号处理系统、支撑结构及壳体组成；复眼光学系统作为该系统的光学信息采集系统，将入射的光聚焦到曲面分布的探测器阵列上成像；信号处理系统不仅对光学图像信息进行预处理，该信号处理系统采用神经网络处理方式，计算机通过对已建立目标信息数据库反复训练，可以实现目标的快速识别，并将信息以数字信号形式输出至伺服控制系统，伺服控制系统对输入的数字信号进行处理分析得到目标当前的相对位置信息，并将以反馈信号的形式输出给机控信号处理系统，机控信号处理系统根据反馈的信号对系统的姿态进行调整，实现精准定位跟踪；其中，仿生复眼成像目标定位系由1个中心高分辨子眼光学系统和2个低分辨边缘阵列光学系统组成。
2.如权利要求1所述的仿生复眼成像目标定位系统 ，其特征在于，利用生物并列复眼成像特性，通过子系统多光轴的多向性，迅速提高系统总体视场。
3.如专利要求1所述的仿生复眼成像目标定位系统 ，其特征在于，该系统还包括:子眼系统的分布形式；子眼系统作为仿生复眼成像系统的组成部分，以圆周阵列的形式分布构成整体的复眼成像系统。
4.如权利要求1所述的仿生复眼成像目标定位系统 ，其特征在于，所述各子眼系统结构相对独立，并通过曲面分布的探测器阵列分布分割系统总体视场。
5.如权利要求1所述的仿生复眼成像目标定位系统 ，其特征在于，该系统中采用的复眼型结构具有中心分辨率高，边缘分辨率相对较低的特点，利用模糊搜索提高目标搜索效率。
6.如权利要求1所述的仿生复眼成像目标定位系统 ，其特征在于，该系统采用计算机神经网络信号处理系统进行图像信号的处理分析。
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