CN107664533A - 一种三狭缝高光谱运动目标探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三狭缝高光谱运动目标探测方法及装置。本发明在高光谱成像仪进行扫描成像时，望远镜系统对运动目标成的像依次经三狭缝元件，成像在光谱仪的像面上，一次扫描可以对运动目标进行三次高光谱成像，三次成像的时间间隔由目标运动速度、狭缝间隔、望远镜分辨率共同决定。利用光谱信息可以对目标进行识别，用相互有时间间隔的三幅图像对运动目标进行运动矢量计算。本发明用三狭缝代替过去单狭缝，装置包括望远镜、三狭缝光阑、准直反射镜、色散分光元件、汇聚反射镜、焦平面探测器。采用本发明的系统能大大提高复杂背景条件下对运动目标探测的探测概率。
Description
技术领域
本发明涉及一种三狭缝高光谱复杂背景运动目标探测方法及装置，具体涉及一种三狭缝光阑实现复杂背景运动目标高时间分辨率探测的色散分光型高光谱成像方法及装置。
背景技术
对复杂背景下红外运动目标进行红外探测时，若采用单波段红外成像方法，能计算目标运动矢量，但有较高虚警率；若采用普通光谱成像仪探测运动目标，能提高光谱分辨率从而提高探测率，但对于运动目标检测需要多帧图像，此种通过色散分光扫描方式获得高光谱图像的方式存在缺陷，这种色散型光谱仪望远镜后只有一个单狭缝光阑，对动目标进行高光谱探测时同一扫描周期只能对目标进行一次高光谱成像，过去要得到目标的多帧图像通常采用多次扫描观测的方法实现，由于推帚扫描方式的扫描周期较难降低，因而采用常规色散分光推帚扫描装置的高光谱成像仪对运动目标难以进行高时间分辨率探测，而且对于运动目标检测算法需要较大的帧频才能实现对运动目标的探测。
RX检测算法是IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS，SPEECH，AND SIGNALPROCESSING.VOL.38.NO.10.OCTOBERD的文献《Adaptive Multiple-Band CFAR Detectionof an Optical Pattern with Unknown Spectral Distribution》提出的中一种高光谱异常检测算法，在不需要光谱库的情况下能够较好的检测光谱异常的目标，是高光谱目标检测性能优异的方法。
本发明提出的三狭缝高光谱运动目标探测方法及装置首先用望远镜对目标进行成像，然后同一目标依次经三狭缝面成为三个按推扫方向排列的像，这些像再由色散分光元件分光，最后分光后的三个像的光谱在焦平面成像，这三个像在时间上有延时，即实现一次推帚扫描可以完成三帧高光谱图像成像，对这3个图像数据使用文献《AdaptiveMultiple-Band CFAR Detection of an Optical Pattern with Unknown SpectralDistribution》中的RX检测算法分别进行RX检测，获取目标数据、对获取的目标数据进行关联检测获取运动目标的数据，计算运动目标的属性。
本发明用三狭缝替代单狭缝，在推扫方向，焦平面能在不同时间间隔对同一运动目标进行三次高光谱成像，调整三个狭缝间的距离可以调整三个像之间的延时，这样就可以调整时间分辨率，比用常规单狭缝光谱仪探测运动目标的时间分辨率有较大提高，比用多台高光谱成像仪拼接成像节省了体积，降低了成本，降低了调试难度，用高光谱图像对目标进行探测，比用单波段目标检测方法大大提高对复杂背景运动目标的探测概率，解决了复杂背景运动目标探测时单波段探测方法探测率低、高光谱探测方法时间分辨率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用三狭缝光阑的高光谱运动目标探测方法及装置，克服现有复杂背景目标探测技术中单波段成像探测方法探测率低、高光谱成像仪探测方法时间分辨率低的缺陷，以高时间分辨率对复杂背景运动目标进行高光谱探测，且大大提高运动目标探测概率。
本发明采用的技术方案是：三狭缝高光谱运动目标探测装置，包括望远镜系统2、三狭缝1、准直镜3、色散分光元件4、汇聚镜5、校准镜6、探测器7，三狭缝的第一狭缝1-1、第二狭缝1-2、第三狭缝1-3等间距排列，在高光谱成像仪进行扫描成像时，望远镜系统2对目标14进行成像，目标依次经过狭缝后变为三个像，如地面面积8的像经过望远镜系统2、三狭缝1后由准直镜3进行准直，准直后的像经色散元件4分光，分光后的像由汇聚镜5汇聚，由校准镜6校准后在探测器焦平面成像为像面11，像面11由探测器7进行成像，对应数据Ⅰ；地面面积9的像经过望远镜系统2、三狭缝1后由准直镜3进行准直，准直后的像经色散元件4分光，分光后的像由汇聚镜5汇聚，由校准镜6校准后在探测器焦平面成像为像面12，像面12由探测器7进行成像，对应数据Ⅱ；地面面积10的像经过望远镜系统2、三狭缝1后由准直镜3进行准直，准直后的像经色散元件4分光，分光后的像由汇聚镜5汇聚，由校准镜6校准后在探测器焦平面成像为像面13，像面13由探测器7进行成像，对应数据Ⅲ。数据计算过程如图3，对数据Ⅰ、数据Ⅱ、数据Ⅲ单独使用RX检测算法，数据Ⅰ计算获取的数据Ⅰrx包含的目标坐标为(x1，y1),数据Ⅱ计算获取的数据Ⅱrx包含的目标坐标为(x2，y2),数据Ⅲ计算获取的数据Ⅲrx包含的目标坐标为(x3，y3)；
对获取的数据Ⅰrx、数据Ⅱrx、数据Ⅲrx中目标进行关联检测，获取运动目标数据，剔除非运动目标，计算方法为：
(x1-x2)2+(x2-x3)2+(y1-y2)2+(y2-y3)2≥σ
公式物理意义为三个狭缝都探测到相同目标的时间范围内目标运动总位移的平方大于阈值σ的目标是所需的目标，其中，
(x1，y1)是数据Ⅰrx中目标的坐标，(x2，y2)是数据Ⅱrx中目标的坐标、(x3，y3)是数据Ⅲrx中目标的坐标；
σ是运动目标判断阈值，表征了三个狭缝都探测到目标的时间范围内目标运动的位移特性，由经验值决定，一般可以令σ＝3000；
计算运动目标运动速度，扫描方向与x轴正方向相同，y轴方向可按不同需求设定，从第一个狭缝探测到目标到第二个狭缝探测到目标的时间范围内，计算运动目标速度公式：
其中，
v1是第一个狭缝探测到目标到第二个狭缝探测到相同目标的时间范围内计算获取的目标的运动速度；
(x1，y1)是数据Ⅰrx中目标的坐标，(x2，y2)是数据Ⅱrx中目标的坐标；vsensor是探测系统扫描成像时，探测器在目标高度空间像元的投影的速度；
dslit是三狭缝(1)的3个狭缝之间的距离；
d是探测器像元尺寸；
从第二个狭缝探测到目标到第三个狭缝探测到相同目标的时间范围内，计算运动目标速度公式：
其中，
v2是第二个狭缝探测到目标到第三个狭缝探测到目标的时间范围内计算获取的目标的运动速度；
(x2，y2)是数据Ⅱrx中目标的坐标、(x3，y3)是数据Ⅲrx中目标的坐标；
vsensor是探测系统扫描成像时，探测器在目标高度空间像元的投影的速度；
dslit是三狭缝(1)的3个狭缝之间的距离；
d是探测器像元尺寸；
系统的时间分辨率：
其中，
Δt是系统时间分辨率；
vsensor是探测系统扫描成像时，探测器在目标高度空间像元的投影的速度；
dslit是三狭缝1的3个狭缝之间的距离；
f是系统焦距；
h是探测系统距离目标高度；
本发明的优点是：相比于传统运动目标探测方法及装置，采用三狭缝设计的高光谱成像仪在探测运动目标时有更高的时间分辨率，用高光谱图像能大大提高对复杂背景运动目标的探测概率，同时用不同狭缝的图像计算运动目标的速度，调整狭缝距离可以调节三个像的延时，解决了单波段探测探测率低、高光谱探测时间分辨率低的问题；相比于多台高光谱成像仪拼接系统需采用多台光谱仪，三狭缝高光谱成像仪用一个高光谱成像仪实现一次扫描对运动目标3次成像，降低了系统设计难度，减小了体积、重量，降低了成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下可以根据这些附图获得其它附图。
图1三狭缝高光谱运动目标探测装置。
图2三狭缝装置三个狭缝排列方式。
图3三狭缝高光谱运动目标探测数据计算方法。
图4高时间分辨率高光谱运动目标探测方法及装置实施案例。
图5是实施案例设计传递函数(3μm波段)。
图6是实施案例设计传递函数(4μm波段)。
图7是实施案例设计传递函数(5μm波段)。
图8是实施例高光谱运动目标探测装置探测运动目标图像，图(a)是对应数据Ⅰ的图像，图(b)是对应数据Ⅱ的图像，图(c)是对应数据Ⅲ的图像，图(d)是经RX检测算法获取的对应数据Ⅰrx的图像，图(e)是经RX检测算法获取的对应数据Ⅱrx的图像，图(f)是经RX检测算法获取的对应数据Ⅲrx的图像。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例如图4，图4描述的为高时间分辨率复杂背景运动目标探测高光谱成像仪(采用扫描成像模式)采用本发明的装置和方法进行复杂背景运动目标高光谱探测实施例图，望远镜系统(1)用来对运动目标区域成像，三狭缝元件(2)用来把望远镜系统对可能存在目标区域依次扫描经三狭缝成三个像，三个像同时对应区域三个面积，在系统沿扫描成像时，若有目标在扫描轨迹中，目标的像依次经过三个狭缝。三个狭缝的像经准直镜(3)准直后由色散分光元件(4)分光，分光后的光谱信号经汇聚镜(5)汇聚，经校正镜(6)校正后由探测器(7)进行成像，经过一次扫描完成对目标区域的三次成像，目标区域的光谱可以用光谱算法检测运动目标的位置，不同图像可以用来计算运动目标的运动矢量。
复杂背景运动目标探测高光谱成像仪，光学系统口径为0.06m，系统焦距为0.125m，F数为2，像元尺寸为30μm，用转台转动指向镜完成扫描成像功能，对距离高光谱成像仪40m的酒精灯火焰进行探测，依靠人拿着酒精灯移动完成火焰移动的效果，转台转动时，高光谱成像仪探测器像元在距离目标40m空间的投影的速度为2m·s-1，三狭缝的三个狭缝之间的距离为10mm，则时间分辨率是1.6s。高光谱成像仪具体参数如表1。
表1
参见附图4、图5、图6是实施例所述的光学系统在3μm、4μm、5μm的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.5，满足成像要求。
用复杂背景运动目标探测高光谱成像仪对运动的酒精灯进行探测，一次扫描获取的三个高光谱图像如图8左面a、b、c三个图(选择高光谱数据其中一个波段显示)，经RX检测算法获取的酒精灯火焰数据如图8右面d、e、f三个图，以图8中图a、图b、图c、图d、图e、图f左下角为坐标原点，向右为x轴，向上为y轴，则图8中的图d获取的目标坐标为(212，112)，图e获取的目标坐标为(295，116)，图f获取的目标坐标为(335，116)，关联检测公式σ＝3000，则
(x1-x2)2+(x2-x3)2+(y1-y2)2+(y2-y3)2＝8505>σ满足关联检测的σ要求，酒精灯火焰的运动速度满足要探测的目标运动速度，根据公式计算从第一个狭缝探测到酒精灯火焰到第二个狭缝探测到酒精灯火焰的时间范围内酒精灯火焰的运动速度v1＝0.59m·s-1，第二个狭缝探测到酒精灯火焰到第三个狭缝探测到酒精灯火焰的时间范围内计算获取的酒精灯火焰的运动速度v2＝0.33m·s-1。
Claims (2)
1.一种三狭缝高光谱运动目标探测装置，包括望远镜系统(2)、三狭缝(1)、准直镜(3)、色散分光元件(4)、汇聚镜(5)、校正镜(6)、探测器(7)。其特征在于：
所述三狭缝(1)的3个狭缝等间距均匀排列，包括第一狭缝(1-1)、第二狭缝(1-2)、第三狭缝(1-3)用于使望远镜系统(2)对同一目标(14)按推扫方向依次扫描成为三个像，三个像经准直镜(3)准直后由色散分光元件(4)分光，分光后的光谱经汇聚镜(5)会聚后由校正镜(6)校正，由探测器(7)进行成像，从第一狭缝(1-1)对应的探测器(7)的区域(11)所获得的图像数据为数据Ⅰ，从第二狭缝(1-2)对应的探测器(7)的区域(12)所获得的图像数据为数据Ⅱ，从第三狭缝(1-3)对应的探测器(7)的区域(13)所获得的图像数据为数据Ⅲ，用数据Ⅰ、数据Ⅱ、数据Ⅲ对运动目标进行探测识别，计算运动目标速度。
2.一种基于权利要求1所述三狭缝高光谱运动目标探测装置的运动目标探测识别方法，其特征在于：用三狭缝对目标扫描的高光谱图像对运动目标进行识别，用关联检测算法对目标进行运动矢量计算；具体步骤如下：
1)对获取的图像数据Ⅰ、图像数据Ⅱ、图像数据Ⅲ使用RX检测算法进行RX检测获取包含目标的数据分别对应数据Ⅰrx、数据Ⅱrx、数据Ⅲrx；
2)对数据Ⅰrx、数据Ⅱrx、数据Ⅲrx进行关联检测，获取运动目标数据，剔除非运动目标，计算方法为：
(x1-x2)2+(x2-x3)2+(y1-y2)2+(y2-y3)2≥σ
(x1，y1)是数据Ⅰrx中目标的坐标，(x2，y2)是数据Ⅱrx中目标的坐标、(x3，y3)是数据Ⅲrx中目标的坐标；σ是运动目标判断阈值，σ＝3000；
3)计算运动目标运动速度，扫描方向与x轴正方向相同，y轴方向可按不同需求设定，从第一个狭缝探测到目标到第二个狭缝探测到目标的时间范围内，计算运动目标速度公式：
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其中，v1是第一个狭缝探测到目标到第二个狭缝探测到相同目标的时间范围内计算获取的目标的运动速度；vsensor是探测系统扫描成像时，探测器在目标高度空间像元的投影的速度；dslit是三狭缝(1)的3个狭缝之间的距离；d是探测器像元尺寸；
4或从第二个狭缝探测到目标到第三个狭缝探测到相同目标的时间范围内，计算运动目标速度公式：
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其中，v2是第二个狭缝探测到目标到第三个狭缝探测到目标的时间范围内计算获取的目标的运动速度。
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