CN105424644B - 一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统及方法，采用电源系统为可见光‑近红外红外摄像机、成像控制器、近红外面成像相机成像提供电源，具有较高的稳定性，成像控制器分时控制激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像，多个激光二极管及其驱动电源产生特定波长的激光，图像采集与处理终端对成像控制器进行参数设置，并对在不同波长激光照射下的序列图像进行采集、储存和处理，根据图像灰度反演处场景中的目标在不同激光波长下的反射率，参考预置的目标反射光谱特征库确定检测目标的种类，利用现有的设备和现有的程序，解决了安全检测领域中存在的检测难度大、危险液体与安全液体不易区分的问题。
Description
技术领域
本发明涉及安全检查领域，具体涉及一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统及方法。
背景技术
液态危险物品的非法运输、使用严重影响公共安全，并成为新的恐怖活动手段，对液态物品的检查、监控日益受到重视。民航、铁路等客运领域当前对液体的检查大多使用目视和气味检测的方法，漏判、误判时有发生，并且难以应付检查高峰期的情形。目前广泛使用的X射线安全检查仪的主要检查目标对象为枪支、刀具等金属物品，而针对汽油、酒精等液态危险品的检查则主要依靠人工。人工检测方法在检测效率、漏检率等方面都不尽如人意，尤其在人流量较大的时段或场所，对公共场所的安全性要求和安全检查的检测效率之间存在的矛盾更加突出。2004年日本推出了易燃液体安全检查仪，能够实现在不开启容器的情况下检测物质成分。国内清华同方威视技术股份有限公司液体安全检查系统利用X射线技术对液体进行无损检测。
X射线安全检查仪需要严格的辐射防护措施，有可能会破坏液体，仪器造价也比较昂贵。目前的检测系统和检测方法均存在的检测困难，液体炸药、松香水、汽油、丙酮、乙醇等易燃易爆液体与水、可乐、牛奶、果汁等安全液体区难以区分的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统及方法，解决目前的检测系统和检测方法均存在的检测困难，液体炸药、松香水、汽油、丙酮、乙醇等易燃易爆液体与水、可乐、牛奶、果汁等安全液体区难以区分的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，包括：
多个激光二极管及其驱动电源：用于产生特定波长的激光；
可见光-近红外红外摄像机：用于对危险品所在的区域进行二次成像；
成像控制器：用于分时控制激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像；
近红外面成像相机成像：接收到成像控制器的触发信号后开始曝光并完成场景图像采集，并将场景图像传输给图像采集与处理终端；
图像采集与处理终端：接收并存储来自近红外面成像相机的图像，并控制可见光-近红外摄像机对准危险品所在的区域进行二次成像；
电源系统：为可见光-近红外红外摄像机、成像控制器、近红外面成像相机成像提供电源。
本发明采用电源系统为可见光-近红外红外摄像机、成像控制器、近红外面成像相机成像提供电源，具有较高的稳定性，成像控制器分时控制激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像，多个激光二极管及其驱动电源产生特定波长的激光，图像采集与处理终端对成像控制器进行参数设置，并对在不同波长激光照射下的序列图像进行采集、储存和处理，根据图像灰度反演处场景中的目标在不同激光波长下的反射率，参考预置的目标反射光谱特征库确定检测目标的种类，利用现有的设备和现有的程序，解决了安全检测领域中存在的检测难度大、危险液体与安全液体不易区分的问题，达到了减少人工检测工作量的目的。
所述多个激光二极管及其驱动电源中，激光二极管的数量为3～5个，其驱动电源的驱动频率为1 Hz～100Hz，驱动电流大于等于450mA，驱动电压1V～6V自适应，驱动上升沿时间小于等于10ms，驱动下降沿时间小于等于10ms。针对安检区域的特点，申请人对于本发明的激光二极管进行了多种分析和选择，从众多的二极管种类中选择出了最适宜于安检系统的激光二极管及其相匹配的驱动电源，具有较高的可靠性和实用性。
所述的多个激光二极管及其驱动电源包括三个不同波长的激光二极管，每个激光二极管匹配一个对应的驱动电源。
所述三个激光二极管的中心波长在900nm～1700nm。
经过申请人长期的研究，找到了最为合适的激光二极管的参数，利用中心波长在900nm～1700nm的激光二极管，可以利用较少的元器件，就可以准确的进行判断，大大简化了系统的复杂度，提高了实用性。
所述的成像控制器输出的触发信号为TTL电平，触发延时在0～40ms范围内。
所述近红外面成像相机的工作波段为900nm～1700nm，成像帧频在20Hz～200Hz之间。
通过多年的研究，发明人针对安监系统配制出了最佳的近红外面成像相机参数，大大提高了准确性。
一种用于安全检查的近红外激光照明成像方法，包括以下步骤：
（a）成像控制器分时控制激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像；
（b）近红外面成像相机成像接收到成像控制器的触发信号后开始曝光并完成场景图像采集，并将场景图像传输给图像采集与处理终端；
（c）图像采集与处理终端接收并存储来自近红外面成像相机的图像，并控制可见光-近红外摄像机对准危险品所在的区域进行二次成像，并判断出是否属于危险品。
本发明的另一个目的是提供一种用于液体安全检测的方法，根据图像灰度反演处场景中的目标在不同激光波长下的反射率，参考预置的目标反射光谱特征库确定检测目标的种类。
所述步骤（c）中危险品的识别是按照以下步骤进行的：
（c1）当对目标场景成像时，依次获得的单色图像序列其某个像素的灰度、以及对应的波长值，获得了光谱采样点；
（c2）根据多个光谱采样点绘制出反应目标原始光谱特征的特征曲线；
（c3）将步骤（c2）获得特征曲线与预先存储的典型物质的原始光谱特征曲线进行对比，当与其中的任意一种典型物质的原始光谱特征曲线相似度大于都等于设定的阀值，则是该对应的典型物质，判断出被监控点物质是否属于危险物品。
三个激光二极管的中心波长在900nm～1700nm之间分别选取，每当三个激光二极管中的1个处于点亮状态时，成像控制器即输出一个脉冲触发近红外面成像相机，近红外面成像相机开始曝光并完成场景图像采集，图像采集与处理终端接收并存储来自近红外面成像相机的图像。为了获得准实时的成像结果在本实施例中，近红外面成像相机的工作帧频为25×3=75Hz。图像采集与处理终端每接收三幅不同波长的图像，即开始对图像数据进行处理和分析，结合参考预置的液体危险品反射光谱特征库，实现对场景中潜在危险品的准实时识别、显示和报警。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，可以远距离、大范围监测目标场景，实现多目标、多种类的疑似危险品探测和可疑人员筛查；方便安检工作人员随身携带、就地安装，也可以安装到现有摄像监控支架上，适用于多种应用环境；具有内置的常见液体危险物品反射光谱特征信息，可通过成像控制器的对外通讯接口实时更新数据库，适用于多种危险品的检测，也方便系统的功能扩展和升级；
2、本发明一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，采用电源系统为可见光-近红外红外摄像机、成像控制器、近红外面成像相机成像提供电源，具有较高的稳定性，成像控制器分时控制激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像，多个激光二极管及其驱动电源产生特定波长的激光，图像采集与处理终端对成像控制器进行参数设置，并对在不同波长激光照射下的序列图像进行采集、储存和处理，根据图像灰度反演处场景中的目标在不同激光波长下的反射率，参考预置的目标反射光谱特征库确定检测目标的种类，利用现有的设备和现有的程序，解决了安全检测领域中存在的检测难度大、危险液体与安全液体不易区分的问题，达到了减少人工检测工作量的目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例中激光二极管出光及近红外面成像相机触发脉冲时序示意图；
图3为本发明实施例中液体危险品安全检查的原理示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、2、3均为激光二极管，4、5、6为与激光二极管匹配的驱动电源，7-可见光-近红外摄像机，8-电源系统，9-近红外面成像相机，10-成像控制器，11-图像采集与处理终端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统的结构框图，包括7个部分：其中1、2、3分别表示三个激光二极管，三个激光二极管的中心波长在900nm～1700nm之间分别选取，且每个激光二极管的中心波长均不同，1、2、3三个激光二极管分别匹配一个驱动电源，框图中以4、5、6分别表示；还包括近红外面成像相机9、可见光-近红外摄像机7、电源系统8、成像控制器10、图像采集与处理终端11，其中近红外面成像相机9的工作帧频为25×3=75Hz；图像采集与处理终端11采集并存储近红外面成像相机9输出的图像序列，并可以对图像序列进行准实时的处理，并参考已经预先设置的数据库，实现对场景中物质成分进行分析和识别；每当三个激光二极管1、2、3中的任意一个处于点亮状态时，成像控制器10立即输出一个脉冲触发近红外面成像相机9，近红外面成像相机9开始曝光并完成场景图像采集，图像采集与处理终端11接收并存储来自近红外面成像相机9的图像，图像采集与处理终端11每接收三幅不同波长的图像，即开始对图像数据进行处理和分析，与预先存储的液体危险品反射光谱特征库进行对比，实现对场景中潜在危险品的准实时识别、显示和报警。当发现场景中存在潜在危险品时，通过图像采集与处理终端11可以控制可见光-近红外摄像机7对准危险品所在的区域进行高分辨率成像，提供危险品的更多细节。
图2是本发明实施例二中激光二极管出光及近红外面成像相机触发脉冲时序示意图，不同波长的三个激光二极管1、2、3对应的驱动电源4、5、6分别输出如图所示的驱动波形12、13、14，成像控制器10在三个激光二极管1、2、3中的任意一个出光并达到稳定状态后，即输出一个用于触发近红外面成像相机9的TTL电平，触发的方式可以是上升沿触发，也可以是下降沿触发。图2中，t为近红外面成像相机9完成一组图像序列的时间，本实施例中三幅图像为一组图像序列，t0为成像控制器10输出相机触发脉冲相对激光二极管出光的延迟时间，t1为激光二极管的出光时间，t2为死区时间，设置t2参数可以严格保证在任意时间段只有一组激光照射在被成像物体上。以上所有参数都存储在成像控制器10中，并可根据实际情况通过图像采集与处理终端11进行设置。
图3 为本实施例近红外激光照明成像系统实现液体危险品安全检查的原理示意图，三个激光二极管1、2、3的中心波长分别为λ1、λ2和λ3，当近红外激光照明成像系统对目标场景成像时，依次获得的单色图像序列其某个像素的灰度分别为g1、g2和g3，对应的波长值分别为激光二极管1、2、3的中心波长分别为λ1、λ2和λ3，这样获得了三个光谱采样点17、18、19，其数值分别为（λ1，g1）、（λ2，g2）和（λ3，g3），由三个光谱采样点17、18、19描绘的曲线20基本反映了目标原始光谱16的主要特征，对特定的物质成分来说，其光谱是独特的，根据这种独特的光谱特征，可以实现物质成分的有效识别，在本发明中，典型物质的原始光谱特征作为先验知识存储于图像采集与处理终端11，因此该系统可以对场景中的物质成分进行快速识别和分类。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于包括：
多个激光二极管及其驱动电源：用于产生特定波长的激光；
可见光-近红外红外摄像机：用于对危险品所在的区域进行二次成像；
成像控制器：用于分时控制多个激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像；每个激光二极管的中心波长均不同；
近红外面成像相机成像：接收到成像控制器的触发信号后开始曝光并完成场景图像采集，并将场景图像传输给图像采集与处理终端；
图像采集与处理终端：接收并存储来自近红外面成像相机的图像，并控制可见光-近红外摄像机对准危险品所在的区域进行二次成像；所述图像采集与处理终端中存储有典型物质的原始光谱特征；
电源系统：为可见光-近红外红外摄像机、成像控制器、近红外面成像相机成像提供电源；
多个激光二极管产生特定波长的激光，图像采集与处理终端对在不同波长激光照射下的序列图像进行采集、储存和处理，根据图像灰度反演处场景中的目标在不同激光波长下的反射率，得到不同的波长-灰度光谱采样点，参考预置的目标反射光谱特征库确定检测目标的种类；
所述激光二极管的数量为三个，三个激光二极管的中心波长分别为λ1、λ2和λ3，当近红外激光照明成像系统对目标场景成像时，依次获得的单色图像序列其某个像素的灰度分别为g1、g2和g3，这样获得了三个光谱采样点，光谱采样点的波长-灰度数值分别为(λ1，g1)、(λ2，g2)和(λ3，g3)，由三个光谱采样点描绘的曲线基本反映了目标原始光谱的主要特征，对特定的物质成分来说，其光谱是独特的，根据这种独特的光谱特征，可以实现物质成分的有效识别，对场景中的物质成分进行快速分类。
2.根据权利要求1所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于：所述多个激光二极管及其驱动电源中，其驱动电源的驱动频率为1Hz～100Hz，驱动电流大于等于450mA，驱动电压1V～6V自适应，驱动上升沿时间小于等于10μs，驱动下降沿时间小于等于10μs。
3.根据权利要求2所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于：所述的多个激光二极管及其驱动电源包括三个不同波长的激光二极管，每个激光二极管匹配一个对应的驱动电源。
4.根据权利要求3所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于：所述三个激光二极管的中心波长在900nm～1700nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于：所述的成像控制器输出的触发信号为TTL电平，触发延时在0～40ms范围内。
6.根据权利要求1所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统，其特征在于：所述近红外面成像相机的工作波段为900nm～1700nm，成像帧频在20Hz～200Hz之间。
7.一种用于安全检查的近红外激光照明成像方法，其特征在于采用权利要求1中的一种用于安全检查的近红外激光照明成像系统进行成像，所述方法包括以下步骤：
(a)成像控制器分时控制多个激光二极管出光，在激光二极管出光的同时触发近红外面成像相机成像；
(b)近红外面成像相机成像接收到成像控制器的触发信号后开始曝光并完成场景图像采集，并将场景图像传输给图像采集与处理终端；
(c)图像采集与处理终端接收并存储来自近红外面成像相机的图像，并控制可见光-近红外摄像机对准危险品所在的区域进行二次成像，并判断出是否属于危险品。
8.根据权利要求7所述的一种用于安全检查的近红外激光照明成像方法，其特征在于所述步骤(c)中危险品的识别是按照以下步骤进行的：
(c1)当对目标场景成像时，依次获得的单色图像序列其某个像素的灰度、以及对应的波长值，获得了光谱采样点；
(c2)根据多个光谱采样点绘制出反应目标原始光谱特征的特征曲线；
(c3)将步骤(c2)获得特征曲线与预先存储的典型物质的原始光谱特征曲线进行对比，当与其中的任意一种典型物质的原始光谱特征曲线相似度大于或等于设定的阀值，则是该对应的典型物质，判断出被监控点物质是否属于危险物品。
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