CN106303395A - 一种实时双目偏振消光探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时双目偏振消光探测装置，该装置包括采集路和探测路、支架、云台、信号处理器、采集路显示屏和探测路显示屏，其中采集路和探测路的构成完全相同，各自包括相机、偏振片、步进电机、齿轮组、感应金属以及接近传感器。本发明利用反射光的偏振特性消除强光，具有图像对比度高，目标的细节清晰等显著优点，更利于人眼或其他观测设备对目标物的观察和探测，原理简单，效果明显。

Description

一种实时双目偏振消光探测装置
技术领域
本发明属于偏振消光探测技术领域，特别是一种实时双目偏振消光探测装置。
背景技术
由于目标物反射光太强或者物体表面镜面反射，拍摄到的图像会呈现一片亮眼的白色，强烈干扰人眼或其他观测设备对目标物的观察或探测。因此在这种情况下，需要某些前端设备在不影响目标物探测信息的情况下消除强光，利于人眼或其他观测设备对目标物进行观察或探测。针对这种情况，人们设计实现了各种消除强光的系统，常见的系统是在观测设备和目标物之间加一个衰减片以降低光强。但是，这种系统获得的图像整体光强变低，对比度减弱，目标细节分辨率也会降低。
还有一种技术就是偏振消光系统，利用偏振片进行消光的机理如图1所示：当光源满足布儒斯特角θB入射时，反射光为完全线偏振光，调整检偏器方位角，当偏振方位角与反射光的偏振方向互相垂直时，由于偏振片的阻光作用，反射光完全不能通过偏振片，从而达到消光的目的；当光源偏离布儒斯特角入射，反射光为部分偏振光，调整检偏器方位角只能消除部分反射光，只要满足入射角在布儒斯特角附近都能有效减弱强光对目标探测的影响。
上述消光系统有广泛的应用场景，通常的消光装置主要基于反馈消光、光学消光等。反馈消光是利用电路反馈信号进行调节，从而达到消除强光的目的。文献ZHANGJ H，LIU L G，ZHU H N，et al.The High Resolution Polarization Nulling Measurement Systemwith Magneto-optical Modulator[J].Journal of Optoelectronics-Laser.2001，12(10)：1041-1042.中公开了一种利用新型磁致调制器和驱动电路对偏振光进行调制的方法，该消光装置的优点是快速实时，缺点是对旋光材料要求高，系统设计复杂；光学消光是利用光的性质对强光进行消除，原理简单，适用性广，效果也很明显。专利CN103345099A中公开了一种基于偏振光消光的成像方法，其中用到的消光装置为单路的偏振片消光，相机每次只能拍摄几个特定角度的偏振图像，有一定的局限性且不能实时消光。专利CN102998667A中公开了一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，利用基于液晶相位可变延迟器的偏振成像探测仪进行水面偏振成像探测，对得到的偏振图像基于时间序列分析和图像融合技术计算得到分离太阳耀光背景下的目标物，这种消光探测装置实时性较差且系统代价较高，设备昂贵，只能用在偏振遥感探测的太阳耀光剥离领域，有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时双目偏振消光探测装置，以实现实时消除强光，减弱强光干扰对目标探测的影响，利于人眼或其他观测设备对目标的观察和探测，较为完整地提取出淹没在强光中目标信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种实时双目偏振消光探测装置，该装置包括采集路和探测路、支架、云台、信号处理器、采集路显示屏和探测路显示屏，其中采集路和探测路的构成完全相同，该采集路包括采集路相机、采集路偏振片、采集路步进电机、采集路齿轮组、采集路感应金属以及采集路接近传感器；探测路包括探测路相机、探测路偏振片、探测路步进电机、探测路齿轮组、探测路感应金属以及探测路接近传感器；
在采集路中，所述的采集路齿轮组包括大齿轮和小齿轮，小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮，小齿轮的转动带动大齿轮转动；所述的采集路偏振片镶在采集路齿轮组的大齿轮的中心，大齿轮的转动带动偏振片的转动；所述的采集路步进电机安装在采集路齿轮组的小齿轮背后的支架上，采集路步进电机带动小齿轮转动，从而带动镶有偏振片的大齿轮转动；所述的采集路感应金属沿着采集路齿轮组的大齿轮的半径方向安装在大齿轮表面的边缘位置，随大齿轮一起转动，采集路接近传感器安装在采集路齿轮组的大齿轮背后的支架上，靠近大齿轮的边缘；采集路相机、探测路相机设置在支架上，所述云台位于支架的正下方，所述信号处理器分别与采集路相机、采集路步进电机的控制器、探测路步进电机的控制器、采集路接近传感器、探测路接近传感器、云台、采集路显示屏连接；探测路相机与探测路显示屏连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用反射光的偏振特性消除强光，与利用衰减片进行消光的现有方法相比，具有图像对比度高，目标的细节清晰等显著优点，更利于人眼或其他观测设备对目标物的观察和探测，原理简单，效果明显。(2)实时显示消光图像，快速响应场景变动，动态显示探测结果。(3)实时校正系统误差，使用对金属物敏感的接近传感器实时探测系统状态，并周期性校正电机的空回误差，排除系统运行过程中不断产生累积误差的情况，实时的系统误差校正使系统运行稳定性大大提升。(4)实现系统上电自动初始化，利用两个接近传感器组件分别获取两路偏振片的位置，并控制两路电机分别带动各自偏振片旋转到相应的初始位置，完成系统的初始化。初始化的目的是使两路偏振片的0°偏振方向角相互平行，即两路具有相同的起始状态。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为偏振消光原理示意图。
图2为本发明实时双目偏振消光探测装置的结构示意图。
图3为本发明的支架结构示意图。
图4为本发明实时双目偏振消光探测装置的接线示意图。
具体实施方式
结合图2，本发明实时双目偏振消光探测装置，该装置包括采集路A和探测路B、支架8、云台7、信号处理器9、采集路显示屏10和探测路显示屏11，其中采集路A和探测路B的构成完全相同，该采集路A包括采集路相机1、采集路偏振片2、采集路步进电机3、采集路齿轮组4、采集路感应金属5以及采集路接近传感器6；探测路B包括探测路相机、探测路偏振片、探测路步进电机、探测路齿轮组、探测路感应金属以及探测路接近传感器；
在采集路A中，所述的采集路齿轮组4包括大齿轮和小齿轮，小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮，小齿轮的转动带动大齿轮转动；所述的采集路偏振片2镶在采集路齿轮组4的大齿轮的中心，大齿轮的转动带动偏振片2的转动；所述的采集路步进电机3安装在采集路齿轮组4的小齿轮背后的支架8上，采集路步进电机3带动小齿轮转动，从而带动镶有偏振片的大齿轮转动；所述的采集路感应金属5沿着采集路齿轮组4的大齿轮的半径方向安装在大齿轮表面的边缘位置，随大齿轮一起转动，采集路接近传感器6安装在采集路齿轮组4的大齿轮背后的支架8上，靠近大齿轮的边缘；采集路相机1、探测路相机设置在支架8上(采集路中的器件与对应的采集路支架连接，探测路中的器件与对应的探测路支架连接)，所述云台7位于支架8的正下方，所述信号处理器9分别与采集路相机1、采集路步进电机3的控制器、探测路步进电机的控制器、采集路接近传感器6、探测路接近传感器、云台7、采集路显示屏10连接；探测路相机与探测路显示屏11连接。信号处理器(9)可以为Altera公司生产的型号为EP4CE115F29C7的FPGA芯片。采集路显示屏10显示采集路相机实时采集到的视频，探测路显示屏11实时显示消光视频。
结合图3，本发明的支架8包括采集路支架、探测路支架以及底座87，采集路支架和探测路支架的结构完全相同，其中每一路支架又包括空心圆柱桶81、长方形板82、第一孔83、第三孔85、第二孔84以及立柱86，第一孔83、第三孔85、第二孔84设置在一条直线上，第三孔85位于第一孔83、第二孔84的中间，其中，空心圆柱桶81的前端用于固定轴承，轴承连接大齿轮(在采集路支架中，该轴承连接采集路齿轮组4的大齿轮；在探测路支架中，该轴承连接探测路齿轮组的大齿轮)，后端用于放置相机(在采集路支架中，该相机为采集路相机1；在探测路支架中，该相机为探测路相机)镜头，空心圆柱桶81的内径略大于相机镜头的直径，空心圆柱桶81的高略大于相机镜头长，以保证相机镜头能放入空心圆柱桶81中，长方形板82用于固定步进电机，步进电机转轴连接小齿轮，第一孔83、第二孔84用于固定长方形板2背后的步进电机，该步进电机的转轴透过第三孔85与小齿轮连接，与底座87连接的立柱86支撑着空心圆柱桶81和长方形板82，云台7位于底座87的正下方并与该底座87固定连接。
结合图3，本发明的采集路偏振片2和探测路偏振片安装前需要进行预先标定，标定好两路偏振片的0°偏振方向，将两路感应金属分别拨到接近传感器正前方，此时先安装好采集路偏振片2，再安装探测路偏振片，保证两路偏振片的0°偏振方向相互平行即可。本发明的采集路齿轮组4和探测路齿轮组中的大齿轮和小齿轮的齿比为2∶1，即大齿轮的齿数为小齿轮的2倍，小齿轮每转一圈，大齿轮转半圈，偏振片转180°。
本发明的采集路中，采集路感应金属5每经过一次采集路接近传感器6，采集路接近传感器6都会产生一个感应信号，即大齿轮每转一圈，采集路接近传感器6都能获取一次偏振片的位置信息。采集路接近传感器6主要有以下两个作用：完成系统初始化以及周期性校正齿轮的空回误差。系统初始化的作用是使系统上电后两路偏振片有相同的起始状态。利用接近传感器周期性校正齿轮的空回误差可以消除由于电机空回造成的系统误差累积，提高系统运行的稳定性。在探测路中的感应金属、接近传感器内容同上。
本发明的云台7的应用可以使装置进行360°范围内目标搜索定位，云台可以上、下、左、右四个方向旋转。采集路电机带动该路偏振片始终保持匀速转动，探测路步进电机会随场景变化带动该路偏振片旋转到不同的消光角度。采集路相机1将实时采集到的视频信号传输给信号处理器9并输出至采集路显示屏10显示；信号处理器9根据接收到的采集路视频信号进行消光态判别，控制探测路电机带动探测路偏振片旋转到相应的消光角度，同时探测路相机将采集到的实时消光视频信号直接输出至探测路显示屏显示11。
本发明实时双目偏振消光探测装置工作的步骤如下：
步骤一，双路偏振同步初始化，即采集路、探测路偏振片处于偏振同步状态，使得两路偏振片的偏振方向保持一致，偏振角度差为零。
所述控制双路偏振片完成双路偏振同步初始化的具体步骤如下：
步骤1：对采集路、探测路偏振片的0度偏振方向进行标定，找到偏振片的0度偏振方向；
步骤2：利用接近传感器设定双路偏振片的初始位置，并保证在初始位置时，两路偏振片的0度方向保持平行；
步骤3：两路偏振片上电前处于任意位置时，控制芯片控制步进电机转动，当采集路、探测路中任意一路偏振片转到步骤2设定的初始位置时，接近传感器发给控制芯片一个感应信号，控制芯片控制该路停止转动，等待另一路偏振片也转到初始位置时，控制芯片收到另一路接近传感器的感应信号，此时上电自动初始化完成，两路偏振片都处偏振同步初始位置。
步骤二，采集路图像采集与处理：完成双路偏正同步初始化后，采集路偏振片以一个固定角速度匀速转动，同时采集路CCD相机开始连续采集图像，首先对采集路CCD相机采集到的每一帧图像进行高斯滤波，减少噪声；然后将图像中所有像素点的亮度值求和，得到每一帧图像的像素亮度和。
所述采集路图像采集与处理的具体步骤如下：
步骤1：控制芯片控制采集路步进电机以一个固定的角速度沿一个方向旋转，同时记录步进电机的前进步数Ki，采集路相机以固定帧频F进行图像采集，控制芯片记录采集路相机每采集到的每帧图像对应的采集路步进电机步数，并且根据采集路步进电机的步进角度ang和初始位置的角度angint，计算出每帧图像对应的偏振角度angi，计算公式如下：
angi＝ang×Ki-angint
步骤2：对采集路相机采集到的每一帧图像，利用高斯滤波进行降噪处理；
步骤3：提取滤波后的每帧图像的亮度Y，将每帧图像上所有像素点的亮度求和，得到每一帧图像的像素亮度和Si，至此，采集路相机采集到的每一帧图像的Si、angi和Ki已知。
步骤三：消光态判别：将采集路偏振片每转180度过程中，采集路CCD相机拍摄到的所有帧图像的像素亮度和进行判断，找出像素亮度和最大和最小的两帧图像，同时找到“获得采集到最小像素亮度和图像时”的偏振片角度，判断最小像素亮度和图像对应的偏振片角度即为最佳消光角度，最小像素亮度和与最大亮度和之比即为消光比。
所述消光态判别具体方法为：需要对采集路采集到的每一帧图像的像素亮度和Si进行比较，采用冒泡算法找出在采集路偏振片每转180度过程中，采集路相机拍摄到的最大像素亮度和Smax、最小像素亮度和Smin、Smin对应的偏振角度angmin和Smin对应的步进电机前进步数Kmin，即Smax、Smin、angmin和Kmin，用采集路偏振片转动一个周期内的最小像素亮度和Smin比上最大像素亮度和Smax，即可算出当前场景的消光比Ratio：
Ration＝Smin/Smax。
步骤四：探测路实时消光显示：在采集路进行消光态判别得到最佳消光角度之后，探测路偏振片立刻转动到最佳消光角度，同时探测路CCD相机开始采集图像，此时探测路CCD相机采集到的图像即为消光之后的图像，采集路偏振片每转一圈，利用接近传感器以减小累计误差，由此完成实时偏振消光。
所述探测路实时消光的具体显示方法为：在得到采集路偏振片转动180度过程中的Smin、angmin和Kmin后，控制芯片控制探测路步进电机带动探测路偏振片从当前角度angcurrent转到最佳消光角度angmin，探测路电机需要前进的步数Kadvance计算方法如下：
Kadvance＝Kmin-Kcurrent
其中，Kcurrent为探测路步进电机当前位置相对于初始位置前进的步数；若Kadvance为正，探测路步进电机带动探测路偏振片前进Kadvance步，若Kadvance为负，探测路步进电机带动探测路偏振片后退Kadvance步，使得探测路偏振片到达最佳消光角度angmin，此时，探测路相机采集到的图像，就是消光之后的图像。
下面举例说明本发明装置的工作过程。如图4所示，以友晶DE2-115多媒体FPGA开发板为实验平台，实验利用图像大小为640×480，帧频为15Hz的黑白CCD相机作为采集路相机，利用图像大小为640×480，帧频为15Hz的黑白CCD相机作为探测路相机。实验利用太阳光和灯光作为光源，利用水面和刻字木板作为探测对象。具体操作步骤如下：
1.将两路偏振片的偏振0°方向进行预先标定：将两路感应金属分别拨到接近传感器正前方，此时先安装好第一路偏振片，再安装第二路偏振片，保证两路偏振片的0°偏振方向相互平行，系统上电时，FPGA芯片先利用接近传感器控制两路偏振片转到同步位置，以完成双路偏振同步初始化。
2.完成偏振同步初始化后，FPGA芯片控制一路采集路电机带动采集路偏振片不断匀速转动，转速为30r/min，同时采集路CCD相机开始采集图像，FPGA将采集到的图像进行高斯滤波，然后将经过滤波后的图像的亮度信号Y储存在开发板上的SDRAM里，FPGA读取SDRAM中每一帧图像亮度数据Y，并计算一帧图像中所有像素点的亮度和Si。结合相机15f/s的帧频和偏振片3r/min的转速可知，偏振片每转180度，FPGA能得到15帧图像的像素亮度和数据，即S1...S15。在FPGA采集图像的亮度像素和数据的同时，FPGA通过记录步进电机的前进步数K，结合接近传感器的应用，可以得到每一帧像素亮度和对应的偏振角度。
3.对采集路采集到的一个周期内的15帧图像，进行消光态判别：FPGA对采集路采集到的一个周期内的15帧图像的像素亮度和S1...S15，并比较出这15帧图像中的最大像素亮度和Smax和最小像素亮度和Smin，根据式(1)计算出消光比。
Ratio＝Smin/Smax (1)
其中，Ratio为当前场景的消光比。
通过查询Smin对应的步进电机从初始位置开始所前进的步数Kmin，根据式(2)，计算出最佳消光角度。
Angmin＝ang×Kmin-angint (2)
其中，Angmin为最佳消光角度，ang为步进电机的步进角度，angint为初始化后偏振片的初始角度。
4.采集路根据FPGA芯片给出的最佳消光角度进行实时消光：探测路电机带动探测路偏振片转到最佳消光角度Angmin，根据式(3)来计算探测路步进电机需要前进或后退的步数。
Kadvance＝Kmin-Kcurrent (3)
其中，Kadvance为探测路电机需要前进或后退的步数，Kcurrent为探测路步进电机前进到当前的位置所走过的步数。若Kadvance为正，则探测路电机前进Kadvance步，若为负，则后退Kadvance步。从而实时控制探测路偏振片转到最佳消光位置，使得探测路CCD相机能够始终探测消光之后的图像。并且，FPGA芯片实时显示消光角度Angmin和消光比Ratio等消光参数信息。同时，采集路和探测路偏振片每经过接近传感器所在的初始位置，FPGA内部的步进电机计数器K清零，从而减少由于电机空回等原因造成的系统误差。

Claims (4)

1.一种实时双目偏振消光探测装置，其特征在于该装置包括采集路(A)和探测路(B)、支架(8)、云台(7)、信号处理器(9)、采集路显示屏(10)和探测路显示屏(11)，其中采集路(A)和探测路(B)的构成完全相同，该采集路(A)包括采集路相机(1)、采集路偏振片(2)、采集路步进电机(3)、采集路齿轮组(4)、采集路感应金属(5)以及采集路接近传感器(6)；探测路(B)包括探测路相机、探测路偏振片、探测路步进电机、探测路齿轮组、探测路感应金属以及探测路接近传感器；
在采集路(A)中，所述的采集路齿轮组(4)包括大齿轮和小齿轮，小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮，小齿轮的转动带动大齿轮转动；所述的采集路偏振片(2)镶在采集路齿轮组(4)的大齿轮的中心，大齿轮的转动带动偏振片(2)的转动；所述的采集路步进电机(3)安装在采集路齿轮组(4)的小齿轮背后的支架(8)上，采集路步进电机(3)带动小齿轮转动，从而带动镶有偏振片的大齿轮转动；所述的采集路感应金属(5)沿着采集路齿轮组(4)的大齿轮的半径方向安装在大齿轮表面的边缘位置，随大齿轮一起转动，采集路接近传感器(6)安装在采集路齿轮组(4)的大齿轮背后的支架(8)上，靠近大齿轮的边缘；采集路相机(1)、探测路相机设置在支架(8)上，所述云台(7)位于支架(8)的正下方，所述信号处理器(9)分别与采集路相机(1)、采集路步进电机(3)的控制器、探测路步进电机的控制器、采集路接近传感器(6)、探测路接近传感器、云台(7)、采集路显示屏(10)连接；探测路相机与探测路显示屏(11)连接。
2.根据权利要求1所述的实时双目偏振消光探测装置，其特征在于所述支架(8)包括采集路支架、探测路支架以及底座(87)，采集路支架和探测路支架的结构完全相同，其中每一路支架又包括空心圆柱桶(81)、长方形板(82)、第一孔(83)、第三孔(85)、第二孔(84)以及立柱(86)，第一孔(83)、第三孔(85)、第二孔(84)设置在一条直线上，第三孔(85)位于第一孔(83)、第二孔(84)的中间，其中，空心圆柱桶(81)的前端用于固定轴承，轴承连接大齿轮，后端用于放置相机镜头，空心圆柱桶(81)的内径大于相机镜头的直径，空心圆柱桶(81)的高大于相机镜头长，以保证相机镜头能放入空心圆柱桶(81)中，长方形板(82)用于固定步进电机，步进电机转轴连接小齿轮，第一孔(83)、第二孔(84)用于固定长方形板(2)背后的步进电机，该步进电机的转轴透过第三孔(85)与小齿轮连接，与底座(87)连接的立柱(86)支撑着空心圆柱桶(81)和长方形板(82)，云台(7)位于底座(87)的正下方并与该底座(87)固定连接。
3.根据权利要求1所述的实时双目偏振消光探测装置，其特征在于采集路偏振片(2)和探测路偏振片的0°偏振方向相互平行。
4.根据权利要求1所述的实时双目偏振消光探测装置，其特征在于采集路齿轮组(4)中的大齿轮和小齿轮的齿比为2∶1。
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