CN108597167A - 一种基于龙虾眼的自适应探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于龙虾眼的自适应探测系统，包括自适应龙虾眼光学镜片组、传像光纤束、光电探测器及信号处理与控制系统；自适应龙虾眼光学镜片组为由若干个相同的单片龙虾眼镜片拼接而成；当工作在常规探测状态时，若干个单片龙虾眼镜片共心拼接，组成一个半径为R的球壳；当工作在跟踪告警状态时，若干个单片龙虾眼镜片拼接展开平铺；传像光纤束的一端面与自适应龙虾眼光学镜片组的像面重合，另一端面为平面；光电探测器用于接收传像光纤束输出的图像；信号处理与控制系统，对光电探测器获得的图像进行图像处理与分析，控制自适应龙虾眼镜片组改变工作状态，在目标进入告警区域时发出告警信号。本发明探测系统具有大视场、大告警范围。

Description

一种基于龙虾眼的自适应探测系统

技术领域

本发明属于空间探测、光电告警技术领域，具体涉及一种基于龙虾眼的自适应探测系统。

背景技术

告警技术中的光电告警技术日益成熟发展。目前主要的光电告警技术有激光告警、红外告警、紫外告警等。红外和紫外告警方式由于分别是探测目标辐射的红外线和紫外线，因此对以任何目标都有效，被作为主要告警方式。

红外告警主要依赖于红外告警器，红外告警器可分为扫描型和凝视型。前者的红外探测器采用线列器件，靠光机扫描装置对特定空间进行搜索，发现目标。后者采用红外焦平面阵列器件，直接搜索特定空间。红外告警器主要由光学接收系统、红外传感器、信号处理器、显示告警以及伺服系统等部分组成。

紫外告警是通过探测处于日盲光谱区的紫外线辐射来发现目标的。日盲光谱区是指波长在200-300nm波段的紫外辐射，太阳辐射(紫外辐射的主要来源)在这一波段的光波几乎完全被地球的臭氧层所吸收，即在这个波段，大气层中的背景辐射几乎为零。在该空域内，太阳光紫外辐射的能量极其有限，目标形成处于日盲光谱区波段的紫外辐射源，利用紫外探测器就能在微弱的背景下探测目标。紫外告警器主要由两种告警方式：概略型紫外告警和成像型紫外告警。

传统的告警系统在工作过程中，当多个目标同时出现时，基于像面能量判断目标的传统告警系统无法满足侦测识别告警需求，存在较大的虚警率问题。因此，在目标下，成像方式是分辨多目标具体信息的最佳手段，也是最直观化的手段。

告警技术是一种被动探测技术，隐蔽性强。红外、可见、紫外多波段的结合使用，同时采用成像方式分辨目标，可降低虚警率，进一步提高系统告警性能。

反射聚焦型探测技术紫外光的波长短，制备折射光学系统的光学材料受到很大的限制。目前发现只有少量的光学材料可以使用，其中有些材料加工困难，具有吸湿性，装配过程复杂。

波长越短，折射材料的色散越大，反射镜没有色差，通过掠入射原理，可汇聚紫外光，所以在紫外波段，反射镜系统具有独特的优势。

现有的反射聚焦型探测技术结构主要有WolterⅠ、WolterⅡ、WolterⅢ、龙虾眼等。

龙虾眼龙虾能在极端黑暗的深海中行动自如，其视觉系统的优势可归纳为两大方面：(1)龙虾眼的视场大；(2)龙虾眼观测的光谱范围广。仿生龙虾眼系统是一种微通道反射式系统，相较于传统透射系统，反射系统在保有大视场这个优点的基础上，兼有光谱不受限、不存在色差、高分辨率、重量轻等优点。考虑到实际产品制作加工，反射材料较于红外、紫外材料成本更低、易得到，并且随着工艺发展，现今反射率已达到相当高的水平。反射系统在成像特性与在产品制作上具有很大优势。其应用领域主要分为两个方面：(1)探测高能射线。利用反射系统对高能射线的保留特性，被动接收环境中的高能射线，这方面主要应用于宇宙天文观察，观测太阳运动周期变化，典型设备有大视场高能周天检测器；(2)探测掩体里的隐蔽物。采用主动照射方式，用高能射线照射掩体，在掩体后成像，利用高能射线的高穿透性并根据不同材料对高能射线的吸收率不同，获得掩体内部隐蔽物的像。主要应用领域为国防、安检、医疗等。

华中科技大学的许剑锋等人发明的一种龙虾眼空间X射线探测器(公开号：CN105093257 A)，采用单片龙虾眼镜片结构，视场受限，使用光电探测器阵列，成本高，像质有待提高；上海新跃仪表厂发明的一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器(公开号CN104697527 A)，采用单片龙虾眼镜片结构配合球面探测器，加工难度大，成本高，国内现有技术水平难以实现。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决现有基于龙虾眼光学原理的探测器视场小、使用光电探测器数量过多的问题，提出一种基于龙虾眼的自适应探测系统。

本发明系统是通过下述技术方案实现的：

一种基于龙虾眼的自适应探测系统，包括自适应龙虾眼光学镜片组、传像光纤束、光电探测器及信号处理与控制系统；

所述自适应龙虾眼光学镜片组为由若干个相同的单片龙虾眼镜片拼接而成；当工作在常规探测状态时，若干个单片龙虾眼镜片共心拼接，组成一个半径为R的球壳，锥顶角α为10°～300°；当工作在跟踪告警状态时，若干个单片龙虾眼镜片拼接展开平铺；

所述传像光纤束的一端面与自适应龙虾眼光学镜片组的像面重合，另一端面为平面，与光电探测器相接配合；

所述光电探测器用于接收传像光纤束输出的图像；

所述信号处理与控制系统，对光电探测器获得的图像进行图像处理与分析，确定目标位置，预判目标运动方向与趋势，控制自适应龙虾眼镜片组改变工作状态，在目标进入告警区域时发出告警信号。

进一步地，本发明当自适应龙虾眼光学镜片组工作在常规探测状态时，所述传像光纤束的一端为半径R/2的球面，球面对应的球心角与单片龙虾眼镜片的锥顶角相等，且传像光纤的球面端与单片龙虾眼透镜的像面重合固定。

进一步地，本发明当信号处理与控制系统确定的目标为一个时，控制自适应龙虾眼镜片组展开朝向目标方向，进入跟踪告警状态，当信号处理与控制系统确定的目标为至少两个时，控制自适应龙虾眼镜片组朝向不同目标方向，同时观测，进入跟踪告警状态。

有益效果

第一，对比已有告警系统，本发明采用自适应龙虾眼镜片组反射成像，没有色差，由于自身结构的高度对称性，没有特定光轴，能够在任意方向聚焦成像，具有传统告警探测器和现有整片龙虾眼探测器难以达到的大视场，并且可以同时监测多个不同目标，有效扩大了告警范围，增强了告警功能。

第二，传像光纤束将曲面像面校正为平面像面，避免了曲面像面成像在平面探测器上及光电探测器阵列拼接造成的成像信息损失，改善了成像质量。

第三，采用现有的单个平面光电探测器，装调简单，极大的降低了材料购买、产品制作、系统装调的成本。

附图说明

图1为本发明的龙虾眼成像原理图；

图2为基于Angel型龙虾眼的自适应探测系统常规探测工作状态图；

图3为基于Angel型龙虾眼的自适应探测系统跟踪告警工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1是龙虾眼光学镜片的成像原理图，本例中目标距离探测系统较远，光源近似平行光入射，龙虾眼镜片由若干个相同的中空锥形四棱台小眼紧密均匀排布成球面。目标辐射的光线在半径为R的龙虾眼镜片小眼内壁发生反射，聚焦在后方R/2处的曲面像面上。

本发明一种基于龙虾眼的自适应探测系统，包括以下部分：自适应龙虾眼光学镜片组1、传像光纤束2、光电探测器3及信号处理与控制系统4；

上述组成部件间的连接关系为：将自适应龙虾眼光学镜片组的像面与传像光纤束的球面端重合对准，传像光纤束的平面端与光电探测器耦合，光电探测器的成像图像信息传输至信号处理与控制系统，再由控制系统给出反馈信号控制单片龙虾眼镜片改变方向，朝向目标位置。

自适应龙虾眼光学镜片组1，由n个相同的单片龙虾眼镜片拼接而成，镜片组有两个工作状态，分别是常规探测状态和跟踪告警状态，可调整单片龙虾眼镜片的朝向，自适应改变龙虾眼的拼接结构。单片龙虾眼镜片是若干个中空的锥形四棱台小眼单元沿半径为R的球面均匀排布而成的。光线在光滑的四棱台内壁发生反射，聚焦到半径为R/2的球形像面处。本实例采用Angel型龙虾眼，如图2所示，常规探测状态下，n个单片龙虾眼共球心紧密拼接成半径为R的大球壳，拼接后整体锥顶角α的范围为10°～300°，整体锥顶角为所有拼接龙虾眼镜片距离最远的四棱台单元外侧侧壁的夹角，可探测视场角范围为20°～320°，此状态下，探测器视场范围最大，可探测空间最广。当发现目标后，信号处理与控制系统控制龙虾眼镜片组自适应调整单片龙虾眼朝向，如图3所示，发现目标为一个，则统一朝向目标，以达到扩大探测面积的目的。

传像光纤束2，包含n个传像光纤，光纤一端为半径为R/2的球面，球面对应的球心角与单片龙虾眼镜片的锥顶角相等，另一端为平面。每一光纤与单片龙虾眼镜片一一对应，球面端与龙虾眼镜片的像面位置重合，平面端成束状与一个光电探测器耦合。传像光纤将龙虾眼镜片的曲面像面转化为平面，对曲面像面进行了一定的校正，减少了像差，因此对于龙虾眼系统来说，可以大幅改善其成像质量。将n个龙虾眼镜片的像汇集到一个光电探测器上，避免了光电探测器拼接带来的图像缺损和能量损失。传像光纤为柔性光纤，与自适应龙虾眼光学镜片组配合，在不同工作状态下可形变，球面端随自适应龙虾眼镜片组的自适应调整而调整方向位置，始终保持传像光纤对应单片龙虾眼镜片，如图2和图3所做变换，使得龙虾眼自适应调整空间大，自由度高，传像光纤束提高了成像质量。

光电探测器3，采用现有平面光电探测器，接收传像光纤传递过来的自适应龙虾眼镜片组所成的像。可为互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)或电荷耦合元件CCD(Charge-coupledDevice)。接收传像光纤束输出的图像，本系统只需一个光电探测器；

信号处理与控制系统4，根据龙虾眼镜片的成像原理，对光电探测器获得的图像进行图像处理与分析。龙虾眼的像为十字焦斑，目标的运动方向可由十字的两臂反映。获取目标位置后，根据图像上十字焦臂的变化从而确定目标的运动方向与趋势。控制自适应龙虾眼镜片组调整结构，改变单片龙虾眼镜片的朝向，面向目标进行跟踪观测，在目标进入告警区域时发出告警信号。

另一种实施方式中，系统与前述实例中的系统基本相同，单片龙虾眼镜片数目可以不同，整体锥顶角可以不同，系统视场也有所不同。本实例出现目标数目为多个，则在探测到目标后，控制系统控制自适应龙虾眼光学镜片组改变朝向，面向不同目标不同方向，同时观测，即将龙虾眼光学镜片组分成多个小组，每一小组朝一个目标，进行同时观测。

本发明的探测过程可简述为：目标辐射光被自适应龙虾眼镜片组(球壳状)接收，光线在球壳单元内壁反射聚焦到光纤束球面端，经由传像光纤束传像到光电探测器上成像，成像图像信号经信号处理与控制系统处理分析，输出控制信号至自适应龙虾眼镜片组，控制其改变朝向，面向目标进行跟踪观测。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于龙虾眼的自适应探测系统，其特征在于，包括自适应龙虾眼光学镜片组、传像光纤束、光电探测器及信号处理与控制系统；

所述自适应龙虾眼光学镜片组为由若干个相同的单片龙虾眼镜片拼接而成；当工作在常规探测状态时，若干个单片龙虾眼镜片共心拼接，组成一个半径为R的球壳，锥顶角α为10°～300°；当工作在跟踪告警状态时，若干个单片龙虾眼镜片拼接展开平铺；

所述传像光纤束的一端面与自适应龙虾眼光学镜片组的像面重合，另一端面为平面，与光电探测器相接配合；

所述光电探测器用于接收传像光纤束输出的图像；

所述信号处理与控制系统，对光电探测器获得的图像进行图像处理与分析，确定目标位置，预判目标运动方向与趋势，控制自适应龙虾眼镜片组改变工作状态，在目标进入告警区域时发出告警信号。

2.根据权利要求1所述基于龙虾眼的自适应探测系统，其特征在于，当自适应龙虾眼光学镜片组工作在常规探测状态时，所述传像光纤束的一端为半径R/2的球面，球面对应的球心角与单片龙虾眼镜片的锥顶角相等，且传像光纤的球面端与单片龙虾眼透镜的像面重合固定。

3.根据权利要求1所述基于龙虾眼的自适应探测系统，其特征在于，当信号处理与控制系统确定的目标为一个时，控制自适应龙虾眼镜片组展开朝向目标方向，进入跟踪告警状态，当信号处理与控制系统确定的目标为至少两个时，控制自适应龙虾眼镜片组朝向不同目标方向，同时观测，进入跟踪告警状态。