CN105676305B - 一种共口径多视场图谱协同探测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共口径多视场图谱协同探测系统，所述系统包括红外光学窗口、大视场二维扫描转镜、共口径多视场主光学系统、大视场扫描探测器、凝视红外探测器、红外非成像宽光谱测谱单元、数据处理单元、控制单元及伺服系统。相应地，本发明还提出了基于该系统的方法。本发明通过大视场扫描对目标区域进行搜索，然后由中视场凝视红外检测识别目标，最后对该区域进行小视场精细探测，结合光谱数据分析，识别目标，探测灵敏度更高，捕获跟踪动目标更精确、更稳定，解决了常规遥感探测不可能对动目标和动态现象的运动变化进行研究及对于小尺度对象的搜索和跟踪无法奏效的技术问题，因而具有较高的可实施性及实用推广价值。

Description

一种共口径多视场图谱协同探测系统与方法
技术领域
本发明属于遥感测控、光谱分析及图像识别交叉领域，更具体地，涉及一种共口径多视场图谱协同探测系统与方法。
背景技术
遥感探测是实现我国科技强国的前沿科学技术领域，由于传统的红外定焦系统视场单一，不能同时实现搜索和跟踪；而智能化多空间分辨率传感器可根据探测器需求，智能化调节焦距的连续变化，来改变视场大小，像面稳定并且保持良好的像质，不易丢失目标(如水下航行器)，因此兼具大视场大尺度搜索和小视场小尺度跟踪功能。此外，还能根据不同的使用环境和观测目标，选择合适的焦距以达到最佳观测效果，具有一定的现实意义。
但针对多视场目标探测应用场景，现有的遥感探测技术存在以下缺陷：(1)常规的遥感探测手段不能兼顾低/中/高分辨率，跟踪探测动目标和动态现象的运动变化进行研究；(2)现有的遥感探测技术对于小尺度的对象不能奏效，不能同时实现搜索和跟踪，缺乏相关的理论方法和技术手段；相应地，本领域亟需寻找一种适用于多视场目标探测应用环境下的系统及方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或不足，本发明提供了一种共口径多视场图谱协同探测系统与方法，通过采用大视场大尺度扫描搜索、中视场红外凝视识别及小视场小尺度跟踪识别的方法，使得探测灵敏度更高，使得捕获跟踪识别动目标更精确、更稳定，因而尤其适用于多视场动目标探测环境 的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述系统包括红外光学窗口、大视场二维扫描转镜、共口径多视场主光学系统、大视场扫描探测器、凝视红外探测器、红外非成像宽光谱测谱单元、数据处理单元、控制单元及伺服系统，其中：
所述大视场二维扫描转镜通过伺服系统控制转动调整方位对准目标区域，用于将目标区域的光反射至共口径多视场主光学系统；
所述共口径多视场主光学系统，用于将大视场扫描红外光线聚焦至大视场扫描探测器，将凝视红外光线聚焦至凝视红外探测器；同时将剩余光线聚焦至红外非成像宽光谱测谱单元进行测谱；
所述大视场扫描探测器，用于对目标区域进行大视场红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；
所述凝视红外探测器，用于对目标区域进行凝视红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；
所述红外非成像宽光谱测谱单元，用于对目标进行测谱分析，然后将目标红外光谱数据，传送至数据处理单元；
所述数据处理单元，用于对目标大视场扫描红外图像数据、凝视红外图像数据、红外宽光谱数据进行融合处理；
所述控制单元，用于依据所述数据处理单元融合的数据处理结果，通过伺服系统控制所述大视场二维扫描转镜跟踪动目标和动态现象的运动。
作为进一步优选的，所述共口径多视场主光学系统，包含卡氏反射镜组、宽光谱中继镜、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第一分光镜及第二分光镜。
作为进一步优选的，所述卡氏反射镜组，用于将大视场二维扫描转镜反射的光线反射至宽光谱中继镜；所述宽光谱中继镜用于将光线聚焦至第 一透镜组；所述第一分光镜用于将来自第一透镜组的光线部分透射至第二透镜组，并由第二透镜组聚焦至大视场焦平面，剩余光线反射至第三透镜组；所述第二分光镜用于将来自第三透镜组的光部分透射至第四透镜组，并由第四透镜组聚焦至中视场焦平面，剩余光线反射至第五透镜组，并由第五透镜组聚焦至小视场焦平面。
作为进一步优选的，所述卡氏反射镜组采用卡塞格林系统，由一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜组成，实现对目标区域的红外光谱成像和能量会聚，所述抛物面反射镜和所述双曲面反射镜遮挡比不大于1∶3。
作为进一步优选的，所述第一透镜组为大视场透镜组；所述第三透镜组为中视场透镜组；所述第五透镜组为小视场透镜组；所述第二透镜组及所述第四透镜组为宽光谱透镜组，用于补偿校正红外宽光谱能量会聚的光斑质量。
作为进一步优选的，所述第一透镜组、第一分光镜和第二透镜组综合焦距为f1；第一透镜组、第三透镜组、第二分光镜和第四透镜组综合焦距为f2＝af1，a＞1；第一透镜组、第一分光镜、第三透镜组、第二分光镜和第五透镜组综合焦距为f3＝bf2，b＞a。
作为进一步优先的，所述第一分光镜分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域；所述中部小区域全反射中视场所需成像波段和小视场所需成谱波段，所述大区域全透大视场的成像波段。
作为进一步优选的，所述第二分光镜分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域；所述中部小区域全反小视场所需成谱的波段，所述大区域全透中视场所需成像波段。
作为进一步优选的，所述第五透镜组与红外非成像宽光谱测谱单元之间采用光学耦合。
按照本发明的另一方面，提出了一种基于所述的共口径多视场图谱协 同探测系统的探测方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)大视场二维扫描转镜搜索视场；
(2)针对目标区域，采集大视场红外图像，检测是否有疑似目标；
(3)若检测到疑似目标，采用中视场凝视目标区域，获取目标区域红外图像；若未检测到疑似目标，则继续大视场搜索目标区域；
(4)针对疑似目标，采用小视场瞄准，并采集目标红外光谱数据；
(5)融合目标多视场、多不同分辨率的红外图像及光谱信息；
(6)识别目标，并输出目标类型。
总体而言，按照本发明点的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明提出的共口径多视场图谱协同探测的系统及对应方法，通过物质的谱特征可以区分不同的物体或物质，再加上物体的多空间分辨率的红外图像信息，使得遥感探测识别物体能力更强大；
2、此外，本发明通过大视场扫描对目标区域进行搜索，然后由中视场凝视红外检测识别目标，最后对该区域进行小视场精细探测，结合光谱数据分析，识别目标，探测灵敏度更高，识别目标更准确；
附图说明
图1为本发明共口径多视场图谱协同探测系统示意图；
图2为本发明共口径主光学系统布局图；
图3为本发明共口径多视场图谱协同探测方法示意图；
图4为本发明共口径多视场图谱协同探测实例图；
图5为本发明共口径多视场图谱协同探测方法流程图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种共口径多视场图谱协同探测系统，同时集成了多空间分辨率成像及小视场高分辨率测谱功能，如图1所示，所述探测系统包括红外光学窗口、共口径多视场主光学系统、大视场扫描探测器、凝视红外探测器、红外非成像宽光谱测谱单元、数据处理单元、控制单元及伺服系统；大视场二维扫描转镜通过伺服系统控制转动调整方位对准目标区域，用于将目标区域的光反射至共口径多视场主光学系统；共口径多视场主光学系统将大视场扫描红外光线聚焦至大视场扫描探测器；将凝视红外光线聚焦至凝视红外探测器；同时将剩余光线聚焦至红外宽光谱测谱单元进行测谱；大视场扫描探测器对目标区域进行大视场红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；凝视红外探测器对目标区域进行凝视红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；红外非成像宽光谱测谱单元，对目标进行测谱分析，然后将目标红外光谱数据，传送至数据处理单元；数据处理单元对目标大视场扫描红外图像数据、凝视红外图像数据、红外宽光谱数据进行融合处理；控制单元依据数据处理单元融合数据处理结果，通过伺服系统控制扫描反射镜跟踪动目标和动态现象的运动。
进一步地，所述共口径多视场主光学系统，包含卡氏反射镜组、宽光谱中继镜、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第一分光镜及第二分光镜；
进一步地，所述卡氏反射镜组镜将大视场二维扫描转镜反射的光线反射至宽光谱中继镜；宽光谱中继镜将光线聚焦至第一透镜组；第一分光镜将来自第一透镜组的光线部分透射至第二透镜组，并由第二透镜组聚焦至大视场焦平面，剩余光线反射至第三透镜组；第二分光镜将来自第三透镜组的光部分透射至第四透镜组，并由第四透镜组聚焦至中视场焦平面；剩余光线反射至第五透镜组，并由第五透镜组聚焦至小视场焦平面；
进一步地，所述卡氏反射镜组采用卡塞格林系统，由一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜组成，实现对目标区域的红外光谱成像和能量会聚， 所述抛物面反射镜和双曲面反射镜遮挡比不大于1∶3。
在本发明的一个实施实例中，如图3所示，所述第一视场透镜组为大视场透镜组，空间分辨率较低；第三透镜组为中视场透镜组，空间分辨率较高；第五透镜组为小视场透镜组，空间分辨率最高；第二、第四透镜组为宽光谱透镜组，用于实现对红外宽光谱能量会聚光斑质量的补偿校正；
进一步地，所述第五透镜组与红外非成像宽光谱测谱单元之间采用光学耦合；
进一步地，所述第一透镜组、第一分光镜和第二透镜组综合焦距为f1；第一透镜组、第三透镜组、第二分光镜和第四透镜组综合焦距为f2＝af1，a＞1；第一透镜组、第一分光镜、第三透镜组、第二分光镜和第五透镜组综合焦距为f3＝bf2，b＞a；
进一步地，所述第一分光镜分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域。其中部小区域全反射中视场所需成像波段和小视场所需成谱波段，大区域全透大视场的成像波段。
进一步地，所述第二分光镜接分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域。其中部小区域全反射小视场所需成谱的波段，大区域全透中视场所需成像波段。
进一步地，所述大视场扫描探测器及凝视红外探测器的读出电路芯片上集成了AD转换的功能，使红外焦平面阵列探测器直接输出数字信号。
如图4所示为应用本发明共口径多视场图谱协同探测系统对实际目标进行探测的实例图；
进一步地，如图5所示，本发明提供了一种基于共口径多视场图谱协同探测系统的探测方法流程图，具体步骤如下：
(7)大视场二维扫描反射镜搜索视场；
(8)针对目标区域，采集大视场红外图像，检测是否有疑似目标；
(9)若检测到疑似目标，采用中视场凝视目标区域，获取目标区域红外图像；若未检测到疑似目标，则继续大视场搜索目标区域；
(10)针对疑似目标，采用小视场瞄准，并采集目标红外光谱数据；
(11)融合目标多视场、多不同分辨率的红外图像及光谱信息；
(12)识别目标，并输出目标类型。
进一步地，通过图1中的共口径多视场图谱协同探测系统为例说明本发明探测方法的实施，具体地：图2中共口径多视场主光学系统由卡氏反射镜组、宽光谱中继镜、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第一分光镜及第二分光镜组成；目标入射光经大视场二维扫描反射镜反射至共孔径多视场主光学系统，共口径主光学系统将大视场扫描红外光线聚焦至大视场扫描探测器；将凝视红外光线聚焦至凝视红外探测器；同时将剩余光线聚焦至红外宽光谱测谱单元进行测谱；大视场扫描探测器对目标区域进行大视场红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；凝视红外探测器对目标区域进行凝视红外成像，红外图像进A/D转换后，传送至数据处理单元；红外非成像宽光谱测谱单元，对目标进行测谱分析，然后将目标红外光谱数据，传送至数据处理单元；数据处理单元对目标大视场扫描红外图像数据、凝视红外图像数据、红外宽光谱数据进行融合处理；控制单元依据数据处理单元融合数据处理结果，通过伺服系统控制扫描反射镜跟踪动目标和动态现象的运动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述系统包括红外光学窗口、大视场二维扫描转镜、共口径多视场主光学系统、大视场扫描探测器、凝视红外探测器、红外非成像宽光谱测谱单元、数据处理单元、控制单元及伺服系统，其中：
所述大视场二维扫描转镜通过伺服系统控制转动调整方位对准目标区域，用于将目标区域的光反射至共口径多视场主光学系统；
所述共口径多视场主光学系统，用于将大视场扫描红外光线聚焦至大视场扫描探测器，将凝视红外光线聚焦至凝视红外探测器；同时将剩余光线聚焦至红外非成像宽光谱测谱单元进行测谱；
所述大视场扫描探测器，用于对目标区域进行大视场红外成像，红外图像进行A/D转换后，传送至数据处理单元；
所述凝视红外探测器，用于对目标区域进行凝视红外成像，红外图像进行A/D转换后，传送至数据处理单元；
所述红外非成像宽光谱测谱单元，用于对目标进行测谱分析，然后将目标红外光谱数据，传送至数据处理单元；
所述数据处理单元，用于对目标大视场扫描红外图像数据、凝视红外图像数据、红外宽光谱数据进行融合处理；
所述控制单元，用于依据所述数据处理单元融合的数据处理结果，通过伺服系统控制所述大视场二维扫描转镜跟踪动目标和动态现象的运动。
2.如权利要求1所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述共口径多视场主光学系统，包含卡氏反射镜组、宽光谱中继镜、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组、第一分光镜及第二分光镜。
3.如权利要求2所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述卡氏反射镜组，用于将大视场二维扫描转镜反射的光线反射至宽光谱中继镜；所述宽光谱中继镜用于将光线聚焦至第一透镜组；所述第一分光镜用于将来自第一透镜组的光线部分透射至第二透镜组，并由第二透镜组聚焦至大视场焦平面，剩余光线反射至第三透镜组；所述第二分光镜用于将来自第三透镜组的光部分透射至第四透镜组，并由第四透镜组聚焦至中视场焦平面，剩余光线反射至第五透镜组，并由第五透镜组聚焦至小视场焦平面。
4.如权利要求2或3所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述卡氏反射镜组采用卡塞格林系统，实现对目标区域的红外光谱成像和能量会聚，由一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜组成，所述抛物面反射镜和所述双曲面反射镜遮挡比不大于1:3。
5.如权利要求4所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述第一透镜组为大视场透镜组；所述第三透镜组为中视场透镜组；所述第五透镜组为小视场透镜组；所述第二透镜组及所述第四透镜组为宽光谱透镜组，用于补偿校正红外宽光谱能量会聚的光斑质量。
6.如权利要求2或3所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述第一透镜组、第一分光镜和第二透镜组综合焦距为f1；第一透镜组、第三透镜组、第二分光镜和第四透镜组综合焦距为f2＝af1,a＞1；第一透镜组、第一分光镜、第三透镜组、第二分光镜和第五透镜组综合焦距为f3＝bf2,b＞a。
7.如权利要求2或3所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述第一分光镜分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域；所述中部小区域全反射中视场所需成像波段和小视场所需成谱波段，所述大区域全透射大视场的成像波段。
8.如权利要求2或3所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述第二分光镜分为两个区域：中部小区域和其周边的大区域；所述中部小区域全反射小视场所需成谱的波段，所述大区域全透射中视场所需成像波段。
9.如权利要求2或3所述的共口径多视场图谱协同探测系统，其特征在于，所述第五透镜组与红外非成像宽光谱测谱单元之间采用光学耦合。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的共口径多视场图谱协同探测系统的探测方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)大视场二维扫描转镜搜索视场；
(2)针对目标区域，采集大视场红外图像，检测是否有疑似目标；
(3)若检测到疑似目标，采用中视场凝视目标区域，获取目标区域红外图像；若未检测到疑似目标，则继续大视场搜索目标区域；
(4)针对疑似目标，采用小视场瞄准，并采集目标红外光谱数据；
(5)融合目标多视场、多不同分辨率的红外图像及光谱信息；
(6)识别目标，并输出目标类型。
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