CN107505628B - 一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法,属于激光三维成像领域。本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统包括系统控制模块、激光发射模块、光学相控阵;还包括光选通模块、第一前端光学系统、粗捕获探测接收模块、粗捕获探测识别模块、第二前端光学系统、精跟踪探测接收模块、精跟踪探测识别模块。本发明还公开用于所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统的一种光学相控阵变分辨率成像方法。本发明目的是为了解决在激光扫描探测中扫描速度、扫描精度与探测准确度平衡提升的问题,提供一种同时提升扫描速度与精度的激光扫描探测系统及方法,此外,具有在保持高精度探测状态时,少信息处理量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学相控阵变分辨率探测成像系统及方法,尤其是光学相控阵变分辨率成像系统及方法,属于激光三维成像领域。
背景技术
激光三维成像是利用飞行时间法,通过测量脉冲激光的发射脉冲和接收脉冲的时间间隔,进行目标探测的技术,由于其能精确的测量目标位置的距离和方位信息,越来越多的应用于国防工业及智能生活的方方面面。激光三维成像系统主要包括一个激光发射器、一个激光接收器和一个光束偏转装置。激光发射器发射一束脉冲激光,经过目标物体反射后,被激光接收器接收。激光接收器准确的测量光脉冲从激光发射到激光接收的时间间隔,将测量出来的激光传播时间信息转化为激光传播的距离信息。激光偏转装置可以实现不同方向上的距离测量,得到激光扫描截面上的距离和角度信息并实现对目标图像的三维重构。传统的激光机械偏转方法,存在扫描效率低的缺陷;基于光学相控阵的电控扫描方法,可使扫描速度比机械扫描有较大提高。激光三维成像分辨率与成像速率一直是难以兼顾的关键技术瓶颈,对于扫描方式,提高扫描精度时,多通过减小扫描步长实现,因此会导致扫描速度下降,成像速率下降,同时对目标的探测准确度也有待提升。因此,如何解决同时提高激光三维成像的扫描精度、扫描速度与探测准确度这一问题对提升激光三维成像质量尤为重要。
目前关于实现激光扫描探测的方法有很多相关研究,比如:CN106291573号专利“一种用于二维的激光雷达扫描系统及方法”提出采用电控机械式的激光扫描方法,能够实现激光的二维扫描,但并未显著提升激光扫描速度;CN 104092494号专利“一种高精度光学相控捕跟系统”提出基于液晶相控阵和液晶光楔的快速扫描方法,它能够实现激光的快速扫描,但因其定扫描分辨率的特性,在提升精度的同时又较大的增加了数据冗余,从而增加数据处理时间,对激光扫描探测在高探测精度与高探测速度方面并没有很好的平衡。
发明内容
本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法,目的是为了解决在激光扫描探测中扫描速度、扫描精度与探测准确度平衡提升的问题,提供一种同时提升扫描速度与精度的激光扫描探测系统及方法,此外,具有在保持高精度探测状态时,少信息处理量的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统包括系统控制模块、激光发射模块、光学相控阵;还包括光选通模块、第一前端光学系统、粗捕获探测接收模块、粗捕获探测识别模块、第二前端光学系统、精跟踪探测接收模块、精跟踪探测识别模块。激光发射模块与光学相控阵相连,光学相控阵与光选通模块相连,光选通模块同时连接第一前端光学系统与第二前端光学系统,且第一前端光学系统与第二前端光学系统各自独立且只能选通其中一路光路通光,同时确保第一前端光学系统与第二前端光学系统的发射与接收的同轴度。粗捕获探测接收模块接收由第一前端光学系统采集到相控阵大光斑、大视场粗探测的回波信号,粗捕获探测识别模块用于对粗捕获探测接收模块接收大光斑、大视场粗探测的回波信号进行数据处理、低分辨率成像与识别。精跟踪探测接收模块接收由第二前端光学系统采集到相控阵小光斑、小视场精跟踪的回波信号,精跟踪探测识别模块用于对精跟踪探测接收模块接收小光斑、小视场精跟踪的回波信号进行数据处理、高分辨率成像与识别。系统控制模块接收粗捕获探测识别模块与精跟踪探测识别模块的处理信号同时根据处理结果对激光发射模块、光学相控阵、光选通模块进行相应调控。低分辨率探测成像与高分辨率探测成像变分辨率切换通过光学相控阵相位调制与光选通模块对第一前端光学系统与第二前端光学系统的选通实现。
系统控制模块分别依次对激光发射模块、光学相控阵、光选通模块发送控制信号,控制激光发射模块发射脉冲激光,发射激光进入光学相控阵进行相位调制实现激光扫描的角度控制,经光选通模块发射至第一前端光学系统进行大光斑、大视场的粗捕获激光扫描,粗捕获探测接收模块接收信号发送至粗捕获探测识别模块,通过目标识别算法判断是否发现可疑目标,若发现目标则执行精跟踪激光扫描,若未发现目标则继续执行粗捕获扫描。发现可疑目标时由系统控制模块再次发送相应信号控制激光发射经光学相控阵、光选通模块、第二前端光学系统进行小光斑、小视场的精跟踪激光扫描,精跟踪探测接收模块接收信号发送至精跟踪探测识别模块,再通过目标识别算法对可疑目标进行明确识别,若确认目标则进行低分辨率大视场图像与高分辨率高精度图像输出,若排除目标则重新进行粗捕获激光扫描与精跟踪激光扫描直至输出高分辨率目标图像。
所述的目标识别算法选用基于视频图像的凝视点提取与特征识别算法。粗捕获探测接收模块接收信号发送至粗捕获探测识别模块,由粗捕获探测识别模块进行信号处理与图像的特征点提取,与目标特征点进行匹配,所述的匹配是通过计算探测信号与目标特征点的相关系数实现的,若匹配成功选取特征点相关系数达标的区域为精跟踪扫描凝视点,进行小视场、高分辨率扫描成像,进而精跟踪探测接收模块接收信号发送至精跟踪探测识别模块,按照相同的特征点提取与匹配方法进行高精度的匹配识别。至此完成目标识别算法。
本发明还公开一种光学相控阵变分辨率成像方法,用于所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,包括如下步骤:
步骤一:搭建所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,并完成校准;对光学相控阵粗捕获激光扫描与精跟踪激光扫描的扫描总视场与单次扫描视场进行相位调制预设。
步骤二:系统控制模块发出控制信号进行一次大视场、低分辨率粗捕获激光扫描,将扫描后接收的回波信号进行信号处理,并利用目标识别算法进行目标识别与匹配。
步骤三:若匹配成功找到可疑目标则进行大视场、低分辨率图像输出同时系统控制模块发出精跟踪激光扫描控制信号,若未匹配成功则对附近区域重复进行步骤二,直至匹配可疑目标。
步骤四:系统控制模块发出控制信号进行一次小视场、高分辨率精跟踪激光扫描,将扫描后接收的回波信号进行算法匹配。
步骤五:若匹配成功确认目标则进行大视场低分辨率与小视场高分辨率图像输出,若排除目标则重复步骤二、三、四直至找到目标并输出低分辨率大视场图像与高分辨率目标图像。
至此完成基于激光三维成像的光学相控阵变分辨率探测。
有益效果:
1、本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法,基于激光三维成像的光学相控阵激光扫描探测能够实现大视场下的高速激光扫描探测。
2、本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法,采用第一前端光学系统与第二前端光学系统分别进行不同视场、不同精度的激光扫描,能够同时快速获取包含粗捕捉目标的低分辨率大视场图像与精跟踪目标的高分辨率小视场图像,降低数据冗余,即实现少信息处理量。
3、本发明公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统及方法,采用基于视频图像的凝视点提取与特征识别算法,对粗捕获目标与精跟踪目标的特征点进行多次匹配验证,能够提高目标识别的准确率。
附图说明
图1:基于光学相控阵变分辨率探测方法信号流图;
图2:扫描回波信号处理与目标匹配流程图。
1-系统控制模块,2-激光发射模块,3-光学相控阵,4-光选通模块,5-第一前端光学系统,6-粗捕获探测接收模块,7-粗捕获探测识别模块,8-第二前端光学系统,9-精跟踪探测接收模块,10-精跟踪探测识别模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例说明本实施方式,即一种光学相控阵变分辨率探测方法。
实施例1:
本实施例公开的一种光学相控阵变分辨率探测方法,系统信号流图如图1所示,扫描回波信号处理与目标匹配流程图如图2所示。
本实施例公开的一种光学相控阵变分辨率成像系统包含激光发射模块2、光学相控阵3、光选通模块4、第一前端光学系统5、第二前端光学系统8、粗捕获探测接收模块6、粗捕获探测识别模块7、精跟踪探测接收模块9、精跟踪探测识别模块10、系统控制模块1。激光发射模块2与光学相控阵3相连,光学相控阵3与光选通模块4相连,光选通模块4同时连接第一前端光学系统5与第二前端光学系统8且两个光学系统各自独立且只能选通其中一路光路通光。粗捕获探测接收模块6接收由第一前端光学系统5采集到的回波信号,粗捕获探测识别模块7用于对粗捕获探测接收模块6接收的回波信号进行数据处理与识别;精跟踪探测接收模块9接收由第二前端光学系统8采集到的回波信号,精跟踪探测识别模块10用于对精跟踪探测接收模块8接收的回波信号进行数据处理与识别,系统控制模块1接收粗捕获探测识别模块7与精跟踪探测识别模块10的处理信号同时根据处理结果对激光发射模块2、光学相控阵模块3、光选通模块4进行相应调控。
应用实施例1所述的方法进行变分辨率探测,按如下步骤进行:
步骤一:系统建立与校准,基于光学相控阵进行光路建立,确保第一前端光学系统5和第二前端光学系统8的发射与接收的同轴度,确保第一前端光学系统5和第二前端光学系统8的扫描光斑符合粗捕获与精跟踪的空间分辨率要求,在系统控制模块1中对粗捕获激光扫描与精跟踪激光扫描的总视场与单次扫描视场进行相位调制预设。
步骤二:系统控制模块1发出控制信号进行一次低分辨率粗捕获激光扫描扫描视场为±15°,将扫描后接收的回波信号进行信号处理与算法匹配。
步骤三:若匹配成功找到可疑目标则进行低分辨率图像输出同时系统控制模块1发出精跟踪激光扫描控制信号,若未匹配成功则对附近区域重复进行步骤二,直至匹配可疑目标。
步骤四:系统控制模块1发出控制信号进行一次高分辨率精跟踪激光扫描,扫描视场为±0.5°,将扫描后接收的回波信号进行信号处理与算法匹配。
步骤五:若匹配成功确认目标则进行低分辨率大视场图像与高分辨率目标图像输出,若排除目标则重复步骤二、三、四直至找到目标并输出低分辨率大视场图像与高分辨率高精度目标图像。
至此完成一次光学相控阵变分辨率探测。
本实施例中,粗捕获探测识别模块6和精跟踪探测接收模块9采用的目标识别与匹配方法是基于视频图像的凝视点提取与特征识别算法。粗捕获探测接收模块5接收信号发送至粗捕获探测识别模块6,由粗捕获探测识别模块6进行信号处理与图像的特征点提取,与目标特征点进行匹配,这种匹配是通过计算探测信号与目标特征点的相关系数实现的,若匹配成功选取特征点相关系数达标的区域为精跟踪扫描凝视点,并在凝视点附近进行小视场高分辨率扫描成像,进而精跟踪探测接收模块8接收信号发送至精跟踪探测识别模块9,按照相同的特征点提取与匹配方法进行高精度的匹配识别。
以上所述的具体描述,对发明的目的、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例而已,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 (4)
1.一种光学相控阵变分辨率成像系统,包括系统控制模块(1)、激光发射模块(2)、光学相控阵(3);其特征在于:还包括光选通模块(4)、第一前端光学系统(5)、粗捕获探测接收模块(6)、粗捕获探测识别模块(7)、第二前端光学系统(8)、精跟踪探测接收模块(9)、精跟踪探测识别模块(10);激光发射模块(2)与光学相控阵(3)相连,光学相控阵(3)与光选通模块(4)相连,光选通模块(4)同时连接第一前端光学系统(5)与第二前端光学系统(8),且第一前端光学系统(5)与第二前端光学系统(8)各自独立且只能选通其中一路光路通光,同时确保第一前端光学系统(5)与第二前端光学系统(8)的发射与接收的同轴度;粗捕获探测接收模块(6)接收由第一前端光学系统(5)采集到相控阵大光斑、大视场粗探测的回波信号,粗捕获探测识别模块(7)用于对粗捕获探测接收模块(6)接收大光斑、大视场粗探测的回波信号进行数据处理、低分辨率成像与识别;精跟踪探测接收模块(9)接收由第二前端光学系统(8)采集到相控阵小光斑、小视场精跟踪的回波信号,精跟踪探测识别模块(10)用于对精跟踪探测接收模块(9)接收小光斑、小视场精跟踪的回波信号进行数据处理、高分辨率成像与识别;系统控制模块(1)接收粗捕获探测识别模块(7)与精跟踪探测识别模块(10)的处理信号同时根据处理结果对激光发射模块(2)、光学相控阵(3)、光选通模块(4)进行相应调控;低分辨率探测成像与高分辨率探测成像变分辨率切换通过光学相控阵(3)相位调制与光选通模块(4)对第一前端光学系统(5)与第二前端光学系统(8)的选通实现。
2.如权利要求1所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,其特征在于:系统控制模块(1)分别依次对激光发射模块(2)、光学相控阵(3)、光选通模块(4)发送控制信号,控制激光发射模块(2)发射脉冲激光,发射激光进入光学相控阵(3)进行相位调制实现激光扫描的角度控制,经光选通模块(4)发射至第一前端光学系统(5)进行大光斑、大视场的粗捕获激光扫描,粗捕获探测接收模块(6)接收信号发送至粗捕获探测识别模块(7),通过目标识别算法判断是否发现可疑目标,若发现目标则执行精跟踪激光扫描,若未发现目标则继续执行粗捕获扫描;发现可疑目标时由系统控制模块(1)再次发送相应信号控制激光发射经光学相控阵(3)、光选通模块(4)、第二前端光学系统(8)进行小光斑、小视场的精跟踪激光扫描,精跟踪探测接收模块(9)接收信号发送至精跟踪探测识别模块(10),再通过目标识别算法对可疑目标进行明确识别,若确认目标则进行低分辨率大视场图像与高分辨率高精度图像输出,若排除目标则重新进行粗捕获激光扫描与精跟踪激光扫描直至输出高分辨率目标图像。
3.如权利要求2所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,其特征在于:所述的目标识别算法选用基于视频图像的凝视点提取与特征识别算法;粗捕获探测接收模块(6)接收信号发送至粗捕获探测识别模块(7),由粗捕获探测识别模块(7)进行信号处理与图像的特征点提取,与目标特征点进行匹配,所述的匹配是通过计算探测信号与目标特征点的相关系数实现的,若匹配成功选取特征点相关系数达标的区域为精跟踪扫描凝视点,进行小视场、高分辨率扫描成像,进而精跟踪探测接收模块(9)接收信号发送至精跟踪探测识别模块(10),按照相同的特征点提取与匹配方法进行高精度的匹配识别;至此完成目标识别算法。
4.一种光学相控阵变分辨率成像方法,用于如权利要求1、2或3所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,其特征在于:包括如下步骤,
步骤一:搭建所述的一种光学相控阵变分辨率成像系统,并完成校准;对光学相控阵粗捕获激光扫描与精跟踪激光扫描的扫描总视场与单次扫描视场进行相位调制预设;
步骤二:系统控制模块(1)发出控制信号进行一次大视场、低分辨率粗捕获激光扫描,将扫描后接收的回波信号进行信号处理,并利用目标识别算法进行目标识别与匹配;
步骤三:若匹配成功找到可疑目标则进行大视场、低分辨率图像输出同时系统控制模块(1)发出精跟踪激光扫描控制信号,若未匹配成功则对附近区域重复进行步骤二,直至匹配可疑目标;
步骤四:系统控制模块(1)发出控制信号进行一次小视场、高分辨率精跟踪激光扫描,将扫描后接收的回波信号进行算法匹配;
步骤五:若匹配成功确认目标则进行大视场低分辨率与小视场高分辨率图像输出,若排除目标则重复步骤二、三、四直至找到目标并输出低分辨率大视场图像与高分辨率目标图像;
至此完成基于激光三维成像的光学相控阵变分辨率探测。
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