CN104359560A - 基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，包括红外成像系统、可见光成像系统以及控制电路，特征在于：控制电路根据红外观成像系统和可见光成像系统的变倍值和聚焦值具有一致对应关系，调节红外成像系统和可见光成像系统的视场同步。本发明的同步方法，包括：1).获取清晰图像；2).读取当前成像系统的变倍、聚焦值；3).获取当前成像系统的视场角；4).获取待调节成像系统的变倍值；5).获取待调节成像系统的聚焦值；6).视场同步化。本发明的系统和方法，只要人工调节一个光谱的镜头位置，即可自动实现另一光谱视场的自动同步，方便高效，精确可靠。能有效提高设备的工作效率，实现双光谱观测仪的智能监控。

Description

基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种根据两成像系统的变倍值和聚焦值具有一致对应关系来进行同步调节的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统及方法。 

背景技术

随着监控行业的发展，不同环境下，不同的光谱成像呈现出各自的优势。在昼间观测时，可见光成像具备像素高、色彩全、分辨能力强等优势；在夜间观测时，红外成像具备探测距离远，隐蔽性强，可穿透烟雾、雨雪等恶劣环境等特点。单一的光谱成像监控系统，已经满足不了越来越复杂的应用环境要求。双光谱观测仪可以实现双光谱同时成像，将可见光成像与红外成像的优势集成为一体，可实现24小时昼夜监控。已经出现带预置位设置和调用功能的变焦红外热像仪及方法(专利申请号为201210531032.5)，配合载重云台，可实现对不同场景、不同目标的巡航监控，无需人工调节，即可实现对不同监控目标的清晰成像，方便高效。目前的双光谱成像系统中，在观测场景或目标变化时，需要对不同光谱的镜头分别进行控制，才能达到相同的视场，工作效率低，调节时间长，视场同步效果不够准确。 

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统及方法。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，包括红外成像系统、可见光成像系统以及用于变倍、聚焦和采集成像数据的控制电路，所述红外成像系统和可见光成像系统均由变倍镜组、聚焦镜组、变倍电机和聚焦电机组成，红外成像聚焦镜组的后端设置有红外成像探测器组件，可见光聚焦镜组的后端设置有可见光摄像机；其特别之处在于：变倍电机和聚焦电机上分别设置有对其转动步数进行检测的变倍编码器和聚焦编码器；控制电路通过变倍编码器和聚焦编码器获取红外成像系统和可见光成像系统的变倍、聚焦信息，并通过变倍电机、聚焦电机驱使其进行变倍和聚焦，使得红外成像系统和可见光成像系统的视场同步。

可见光用于昼间成像，可获取目标清晰的可见光图像；红外成像系统用于夜间或低光照条件下的成像，可获取目标的红外热图。控制电路具有采集、运算和控制作用。通过变倍电机对变倍镜组的驱使，可实现可见光和红外成像系统的变倍作用，通过聚焦电机对聚焦镜组的驱使，可实现可见光和红外成像系统的聚焦作用。红外成像探测器组件和可见光摄像机用于将接收到的图像光信号转化为模拟电信号，输出至控制电路中。

在双光谱观测仪处于红外图像（或可见光图像）采集状态且画面聚焦清晰时，通过获取红外成像系统（或可见光成像系统）的变倍、聚焦数值，来调节可见光成像系统（或红外成像系统）的变倍、聚焦值，使可见光图像系统与红外成像系统的视场相匹配，在可见光成像和红外成像切换时，无需再变倍和聚焦，即可获取清晰的可见光图像和红外图像。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，在红外成像系统和可见光成像系统的视场同步过程中，控制电路首先获取当前成像系统的变倍值、聚焦值，并根据变倍值确定出当前成像系统的视场角，由视场角确定出待调节成像系统的变倍值；控制电路由当前成像系统的聚焦值确定出待调节成像系统的聚焦值，根据求出的变倍值、聚焦值对待调节成像系统进行调节，实现红外成像系统和可见光成像系统视场的同步。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，所述控制电路由主控制器和EEPROM存储器组成，可见光摄像机和红外热成像探测器的模拟视频信号输出端与主控制器的输入端相连接；变倍电机和聚焦电机的控制端与主控制器的输出端相连接，变倍编码器和聚焦编码器的输出端与主控制器的输入端相连接。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，所述主控制器通过RS485总线和PAL制模拟视频信号线连接有上位机；上位机用于接收和存储图像和视频数据，并通过主控制器控制可见光成像系统和红外成像系统进行变倍和聚焦。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，所述变倍电机和聚焦电机均采用步进电机。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的同步方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：1).获取清晰图像，通过上位机或双光谱观测仪上按键的控制，驱使变倍镜组和、聚焦镜组分别进行变倍和聚焦调节，直至获取当前成像系统下某一场景的清晰图像；2).读取当前成像系统的变倍、聚焦值，读取当前成像系统清晰成像时变倍编码器和聚焦编码器输出的变倍值和聚焦值，设变倍值为A、聚焦值为B；3).获取当前成像系统的视场角，根据成像系统本身所固有的视场角与变倍值之间的对应关系，获取变倍值为A时所对应的当前成像系统的视场角                                               ；4).获取待调节成像系统的变倍值，根据成像系统所固有的视场角与变倍值的对应关系，获取视场角为时所对应的待调节成像系统的变倍值，设变倍值为C；5).获取待调节成像系统的聚焦值，根据同一视场角条件下，可见光成像系统与红外成像系统的聚焦值具有一致的对应关系，由当前成像系统的聚焦值B确定出待调节成像系统的聚焦值，设聚焦值为D；6).视场同步化，根据步骤4)中获取的变倍值C和步骤5)中获取的聚焦值D，控制电路通过变倍电机驱使变倍镜组运动至变倍值为C的位置处，通过聚焦电机驱使聚焦镜组运动至聚焦值为D的位置处；以实现红外成像系统和可见光成像系统的视场同步，无需手动变倍、聚焦调节即可实现红外成像系统与可见光成像系统的视场同步，保证成像清晰。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的同步方法，步骤5)中所述的可见光成像系统与红外成像系统聚焦值的一致对应关系通过以下步骤进行建立：5-1).观察一致场景，调节可见光成像系统和红外成像系统，使其观察同一场景，此时可见光成像系统与红外成像系统的视场角相等；5-2).等分聚焦行程，设红外成像系统的聚焦行程为Xmm，以红外成像系统为基准，根据聚焦镜组的整个行程距离Xmm，以2mm为单位，将整个聚焦行程进行均分为Y份； Y=X/2；当X不能被X整除时，舍去余数；5-3).选取红外成像聚焦点，在红外成像系统的聚焦行程内，每隔2mm选取一个点，通过聚焦编码器的输出记录下此时红外成像系统的聚焦值，并在红外成像画面中选取能够聚焦清楚的物体作为标识物；5-4).获取可见光成像聚焦点，将双光谱观测仪切换至可见光成像，在可见光画面中对步骤5-3)中同一标识物进行观察，并同时进行聚焦调节，直至标识物聚焦清楚，通过聚焦编码器记下此时可见光成像系统的聚焦值；并将步骤5-3)中红外成像系统的聚焦值与步骤5-4)中的可见光成像系统的聚焦值作为一组对应值进行存储；5-5).获取Y份对应值，重复执行步骤5-3)和步骤5-4)直至红外成像系统的整个聚焦行程均记录完毕，可获取Y组红外成像系统与可见光成像系统聚焦值的对应数组；5-6).聚焦值对应调节，在视场同步聚焦调节的过程中，只要知道一个成像系统的聚焦值，通过查找对应数组中的聚焦值，即可获取另一个成像系统的聚焦值，实现视场同步的同时，保证成像清晰。

本发明的有益效果是：本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，控制电路通过变倍电机、聚焦电机分别对变倍镜组、聚焦镜组的驱使，可实现可见光成像系统和红外成像系统的变倍和聚焦；通过对变倍编码器和聚焦编码器输出脉冲个数计数，即可实现对变倍、聚焦位置信息的检测，以确定变倍和聚焦镜组的位置。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统和同步方法，通过采集一个成像系统画面聚焦清晰时的变倍值、聚焦值，根据红外成像系统与可见光成像系统之间的对应关系，获取另一个成像系统在该场景下也可清晰成像的变倍值、聚焦值，驱使另一个成像系统进行变倍、聚焦，使得两个成像系统视场同步。在同一场景下，无需进行变倍、聚焦动作，即可实现红外成像系统与可见光成像系统的快速切换时，方便了使用。

在待调节成像系统变倍值获取的过程中，首先获取当前成像系统的变倍值，依据成像系统所固有的变倍值与视场角的对应关系，获取当前成像系统的变倍值所对应的视场角；然后根据获取的视场角查找出待调节成像系统的变倍值，以便进行视场同步调节。在待调节成像系统聚焦值获取的过程中，根据当前成像系统的聚焦值与待调节成像系统的聚焦值具有一致的对应关系，获取待调节成像系统的聚焦值。

在对多个场景目标巡航监控时，只要人工调节一个光谱的镜头位置，自动实现另一光谱视场的自动同步，方便高效，精确可靠。结构简单耐用、布局清晰合理，能有效提高设备工作效率，实现双光谱观测仪的智能监控。

附图说明

图1为本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的原理图；

图2为本发明中控制电路及其与外围电路的连接电路图。

图中：1红外成像变倍镜组，2红外成像聚焦镜组，3红外成像探测器组件，4红外成像变倍电机，5红外成像变倍编码器，6红外成像聚焦电机，7红外成像聚焦编码器，8可见光变倍镜组，9可见光聚焦镜组，10可见光摄像机，11可见光变倍电机，12可见光成像变倍编码器，13可见光聚焦电机，14可见光成像聚焦编码器，15控制电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的原理图，其由红外成像系统、可见光成像系统和控制电路15组成，红外成像系统由红外成像变倍镜组1、红外成像聚焦镜组2、红外成像探测器组件3、红外成像变倍电机4和红外成像聚焦电机6组成，红外成像变倍电机4、红外成像聚焦电机6分别驱使红外成像变倍镜组1和红外成像聚焦镜组2进行变倍、聚焦，以获取清晰的红外图像。红外成像探测器3用于将图像的红外光信号转化为电信号，并输入至控制电路15中。红外成像变倍电机4和红外成像聚焦电机6上分别设置有对其转动角度进行测量的红外成像变倍编码器5和红外成像聚焦编码器7，对变倍、聚焦电机转动角度的测量，以确定红外成像系统的变倍值和聚焦值。

所示的可见光成像系统由可见光变倍镜组8、可见光聚焦镜组9、可见光摄像机10组成、可见光变倍电机11和可见光聚焦电机13组成，可见光变倍电机11和可见光聚焦电机13分别驱使可见光变倍镜组8和可见光聚焦镜组9进行变倍和聚焦。可见光摄像机10由CCD图像传感器组成，用于将图像的可见光信号转化为电信号，并输入至控制电路15中，实现对可见光图像和视频信息的采集。可见光变倍电机11和可见光聚焦电机13上分别设置有可见光成像变倍编码器12和可见光成像聚焦编码器14，以分别对可见光变倍电机11和可见光聚焦电机13的转动角度进行测量，获取可见光成像系统的变倍值、聚焦值。虽然红外成像系统和可见光成像系统的变倍电机和聚焦电机均采用步进电机，但步进电机可能会发生失步，通过变倍编码器可获得电机的实际转动步数，故通过统计脉冲个数即可获知步进电机的转动步数。在编码器输出脉冲数与步进电机转动的步数相等的情况下，可通过统计脉冲个数即可获知步进电机的转动步数。

如图2所示，给出了本发明中控制电路及其与外围电路的连接电路图，所示的控制电路15由主控制器和EEPROM存储器组成，主控制器通过PAL制式模拟视频信号线和RS485总线与上位机相连接，以将视频数据上传至上位机以及接收上位机的控制信息。可见光摄像机10和红外热成像探测器3均与主控制器相连接，以便将采集的模拟视频信号输入至主控制器。可见光成像系统和红外成像系统的变倍电机和聚焦电机均与主控制器的输出端相连接，以实现对成像系统的变倍、聚焦控制。可见光成像系统和红外成像系统的变倍编码器和聚焦编码器均与主控制器的输入端相连接，以实现对变倍值和聚焦值的检测。

在视场同步的过程中：人工聚焦画面清晰后，主控制器通过变倍编码器和聚焦编码器，获取当前成像系统下的变倍值和聚焦值，依据红外成像系统和可见光成像系统的视场角与变倍值具有一致对应关系，获取当前成像系统的视场角。根据获取的视场角，确定出待调节成像系统的变倍值。根据同一视场角条件下，可见光成像系统与红外成像系统的聚焦值具有一致的对应关系，由当前成像系统的聚焦值确定出待调节成像系统的聚焦值。最后，由求出的待调节成像系统的变倍值和聚焦值，对待调焦成像系统进行变倍、聚焦，即可实现红外成像系统和可见光成像系统视场的同步，无需进行变倍、聚焦动作，即可实现红外成像系统与可见光成像系统的快速切换时，方便了使用。

本发明的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的同步方法，通过以下步骤来实现：

1).获取清晰图像，通过上位机或双光谱观测仪上按键的控制，驱使变倍镜组和、聚焦镜组分别进行变倍和聚焦调节，直至获取当前成像系统下某一场景的清晰图像；

对于双光谱观测仪来说，其上设置的红外成像系统和可见光成像系统的光轴同轴，以便在相同视场角下可对同一场景进行观察。

2).读取当前成像系统的变倍、聚焦值，读取当前成像系统清晰成像时变倍编码器和聚焦编码器输出的变倍值和聚焦值，设变倍值为A、聚焦值为B；

3).获取当前成像系统的视场角，根据成像系统本身所固有的视场角与变倍值之间的对应关系，获取变倍值为A时所对应的当前成像系统的视场角；

4).获取待调节成像系统的变倍值，根据成像系统所固有的视场角与变倍值的对应关系，获取视场角为时所对应的待调节成像系统的变倍值，设变倍值为C；

5).获取待调节成像系统的聚焦值，根据同一视场角条件下，可见光成像系统与红外成像系统的聚焦值具有一致的对应关系，由当前成像系统的聚焦值B确定出待调节成像系统的聚焦值，设聚焦值为D；

该步骤中，可见光成像系统与红外成像系统聚焦值的一致对应关系通过以下步骤进行建立：

5-1).观察一致场景，调节可见光成像系统和红外成像系统，使其观察同一场景，此时可见光成像系统与红外成像系统的视场角相等；

5-2).等分聚焦行程，设红外成像系统的聚焦行程为Xmm，以红外成像系统为基准，根据聚焦镜组的整个行程距离Xmm，以2mm为单位，将整个聚焦行程进行均分为Y份； Y=X/2；当X不能被X整除时，舍去余数；

5-3).选取红外成像聚焦点，在红外成像系统的聚焦行程内，每隔2mm选取一个点，通过聚焦编码器的输出记录下此时红外成像系统的聚焦值，并在红外成像画面中选取能够聚焦清楚的物体作为标识物；

5-4).获取可见光成像聚焦点，将双光谱观测仪切换至可见光成像，在可见光画面中对步骤5-3)中同一标识物进行观察，并同时进行聚焦调节，直至标识物聚焦清楚，通过聚焦编码器记下此时可见光成像系统的聚焦值；并将步骤5-3)中红外成像系统的聚焦值与步骤5-4)中的可见光成像系统的聚焦值作为一组对应值进行存储；

5-5).获取Y份对应值，重复执行步骤5-3)和步骤5-4)直至红外成像系统的整个聚焦行程均记录完毕，可获取Y组红外成像系统与可见光成像系统聚焦值的对应数组；

5-6).聚焦值对应调节，在视场同步聚焦调节的过程中，只要知道一个成像系统的聚焦值，通过查找对应数组中的聚焦值，即可获取另一个成像系统的聚焦值，实现视场同步的同时，保证成像清晰。

6).视场同步化，根据步骤4)中获取的变倍值C和步骤5)中获取的聚焦值D，控制电路通过变倍电机驱使变倍镜组运动至变倍值为C的位置处，通过聚焦电机驱使聚焦镜组运动至聚焦值为D的位置处；以实现红外成像系统和可见光成像系统的视场同步，无需手动变倍、聚焦调节即可实现红外成像系统与可见光成像系统的视场同步，保证成像清晰。 

Claims (7)

1.一种基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，包括红外成像系统、可见光成像系统以及用于变倍、聚焦和采集成像数据的控制电路，所述红外成像系统和可见光成像系统均由变倍镜组、聚焦镜组、变倍电机和聚焦电机组成，红外成像聚焦镜组（2）的后端设置有红外成像探测器组件（3），可见光聚焦镜组（9）的后端设置有可见光摄像机（10）；其特征在于：变倍电机和聚焦电机上分别设置有对其转动步数进行检测的变倍编码器和聚焦编码器；控制电路通过变倍编码器和聚焦编码器获取红外成像系统和可见光成像系统的变倍、聚焦信息，并通过变倍电机、聚焦电机驱使其进行变倍和聚焦，使得红外成像系统和可见光成像系统的视场同步。

2.根据权利要求1所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，其特征在于：在红外成像系统和可见光成像系统的视场同步过程中，控制电路首先获取当前成像系统的变倍值、聚焦值，并根据变倍值确定出当前成像系统的视场角，由视场角确定出待调节成像系统的变倍值；控制电路由当前成像系统的聚焦值确定出待调节成像系统的聚焦值，根据求出的变倍值、聚焦值对待调节成像系统进行调节，实现红外成像系统和可见光成像系统视场的同步。

3.根据权利要求1所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，其特征在于：所述控制电路（15）由主控制器和EEPROM存储器组成，可见光摄像机（10）和红外热成像探测器（3）的模拟视频信号输出端与主控制器的输入端相连接；变倍电机和聚焦电机的控制端与主控制器的输出端相连接，变倍编码器和聚焦编码器的输出端与主控制器的输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，其特征在于：所述主控制器通过RS485总线和PAL制模拟视频信号线连接有上位机；上位机用于接收和存储图像和视频数据，并通过主控制器控制可见光成像系统和红外成像系统进行变倍和聚焦。

5.根据权利要求1或2所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统，其特征在于：所述变倍电机和聚焦电机均采用步进电机。

6.一种基于权利要求1所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的同步方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

1).获取清晰图像，通过上位机或双光谱观测仪上按键的控制，驱使变倍镜组和、聚焦镜组分别进行变倍和聚焦调节，直至获取当前成像系统下某一场景的清晰图像；

2).读取当前成像系统的变倍、聚焦值，读取当前成像系统清晰成像时变倍编码器和聚焦编码器输出的变倍值和聚焦值，设变倍值为A、聚焦值为B；

3).获取当前成像系统的视场角，根据成像系统本身所固有的视场角与变倍值之间的对应关系，获取变倍值为A时所对应的当前成像系统的视场角                                               ；

4).获取待调节成像系统的变倍值，根据成像系统所固有的视场角与变倍值的对应关系，获取视场角为时所对应的待调节成像系统的变倍值，设变倍值为C；

5).获取待调节成像系统的聚焦值，根据同一视场角条件下，可见光成像系统与红外成像系统的聚焦值具有一致的对应关系，由当前成像系统的聚焦值B确定出待调节成像系统的聚焦值，设聚焦值为D；

6).视场同步化，根据步骤4)中获取的变倍值C和步骤5)中获取的聚焦值D，控制电路通过变倍电机驱使变倍镜组运动至变倍值为C的位置处，通过聚焦电机驱使聚焦镜组运动至聚焦值为D的位置处；以实现红外成像系统和可见光成像系统的视场同步，无需手动变倍、聚焦调节即可实现红外成像系统与可见光成像系统的视场同步，保证成像清晰。

7.根据权利要求6所述的基于步进电机的双光谱观测仪视场同步控制系统的同步方法，其特征在于，步骤5)中所述的可见光成像系统与红外成像系统聚焦值的一致对应关系通过以下步骤进行建立：

5-1).观察一致场景，调节可见光成像系统和红外成像系统，使其观察同一场景，此时可见光成像系统与红外成像系统的视场角相等；

5-2).等分聚焦行程，设红外成像系统的聚焦行程为Xmm，以红外成像系统为基准，根据聚焦镜组的整个行程距离Xmm，以2mm为单位，将整个聚焦行程进行均分为Y份； Y=X/2；当X不能被X整除时，舍去余数；

5-3).选取红外成像聚焦点，在红外成像系统的聚焦行程内，每隔2mm选取一个点，通过聚焦编码器的输出记录下此时红外成像系统的聚焦值，并在红外成像画面中选取能够聚焦清楚的物体作为标识物；

5-4).获取可见光成像聚焦点，将双光谱观测仪切换至可见光成像，在可见光画面中对步骤5-3)中同一标识物进行观察，并同时进行聚焦调节，直至标识物聚焦清楚，通过聚焦编码器记下此时可见光成像系统的聚焦值；并将步骤5-3)中红外成像系统的聚焦值与步骤5-4)中的可见光成像系统的聚焦值作为一组对应值进行存储；

5-5).获取Y份对应值，重复执行步骤5-3)和步骤5-4)直至红外成像系统的整个聚焦行程均记录完毕，可获取Y组红外成像系统与可见光成像系统聚焦值的对应数组；

5-6).聚焦值对应调节，在视场同步聚焦调节的过程中，只要知道一个成像系统的聚焦值，通过查找对应数组中的聚焦值，即可获取另一个成像系统的聚焦值，实现视场同步的同时，保证成像清晰。