CN108844628B - 一种多光谱成像探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱成像探测系统，包括窄带透射滤光片组：用于根据控制指令对辐射进行波段分离，形成若干个窄带光谱脉冲信号；多光谱探测器：用于将窄带光谱脉冲信号根据波段转换为对应波段的光谱像素信号；图像处理模块：用于将光谱像素信号转换为对应波段的光谱图像，再将若干个光谱图像经过融合算法转换为融合图像发送至内部控制系统；内部控制系统：用于对接收的融合图像处理后，形成探测图像发送至导弹跟踪系统。本发明既能实现更多光谱波段的探测，同时也可以压缩系统的体积，降低系统的成本，此外通过融合算法的图像处理大大提高了成像制导体系的探测精度。
Description
技术领域
本发明属于多光谱成像探测与控制领域，具体涉及一种多光谱成像探测系统设计，而且均适用于机载前视、跟踪吊舱、导引头等军事武器装备。
背景技术
成像制导技术是高精度末制导技术的重要手段，该技术使导弹从直接命中目标到命中目标的要害部位成为可能，极大地提高了导弹的命中精度。装上成像导引头的导弹武器系统可以实现智能化，使导弹从复杂的图像背景中将目标识别出来，实现对目标的精确打击。由于红外导引头是利用目标和背景的热辐射温差，形成目标和周围景物的图像，通过实时图像处理器对来自红外成像器的视频信号进行分析、鉴别、排除混杂在有用信号中的背景噪声和人为干扰，提取真实目标信号，从而计算目标位置和命中点，控制舵机偏转来导引机动弹头飞向目标，因此需要具有极好的抗干扰能力。
多光谱图像目标探测识别的本质是光谱识别，光谱识别可以概括为确定某一未知光谱属于某一种已知光谱的确认概率。确认概率就是要测量两条光谱之间若干特征或规则的满足数量。多光谱红外探测器是多光谱成像系统的核心器件，决定系统设计方案与性能。多光谱红外探测器主要有双色线列器件、多光谱线列器件、双色凝视红外探测器和多光谱凝视红外探测器等。目前，通过各个波段传感器的组成探测器，每一个波段具有独立的光路，但系统的体积过于庞大，且抗干扰能力不高，探测精度有待改善。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种多光谱成像探测系统，既能实现更多光谱波段的探测，同时也可以压缩系统的体积，降低系统的成本，此外通过融合算法的图像处理大大提高了成像制导体系的探测精度。
为实现上述目的，本发明所设计的一种多光谱成像探测系统，其特殊之处在于，包括窄带透射滤光片组、多光谱探测器、图像处理模块和内部控制系统；
所述窄带透射滤光片组：用于根据控制指令对辐射进行波段分离，形成若干个窄带光谱脉冲信号；
所诉多光谱探测器用于获取不同波段的光谱信息。
所述图像处理模块：用于将所述若干个光谱像素信号转换为若干个对应波段的光谱图像，再将若干个光谱图像经过融合算法转换为融合图像发送至内部控制系统；
所述内部控制系统：用于发出控制指令，并对接收的融合图像处理后，形成探测图像发送至导弹跟踪系统。
进一步地，所述窄带透射滤光片组包括布置于转盘上的若干个波段连续、均匀排列的窄带透射滤光片，转盘上方设置有与目标和多光谱探测器相对的出光口，通过转动转盘改变位于出光口的窄带透射滤光片，从而使多光谱探测器从出光口探测的波段得到更新。为了实现多光谱波段的探测，同时压缩系统的体积、降低系统的成本，窄带透射滤光片组通过分光技术对照射到系统的红外辐射进行波段分离。窄带透射滤光片组对到达探测器的辐射波段进行精细的限制。
更进一步地，所述多光谱探测器具有宽波段光谱探测能力，覆盖中波、长波、短波的波段光谱的探测，能够识别不同波段的光谱图像。
更进一步地，所述图像处理模块用于对一个光谱信号进行预处理谱像素信号进行预处理，所述图像融合模块用于通过融合算法将不同波段的经过预处理的光谱像素信号进行融合，形成融合图像。
更进一步地，所述内部控制系统包括控制模块和处理模块，所述控制模块用于发出控制指令，传输信号；所述处理模块用于对接收的融合图像进行信号放大、A/D变换和空间噪声校正处理，形成探测图像。
更进一步地，所述窄带透射滤光片组包括波段分别为3.7um～4.1um、4.1um～4.35um、4.35um～4.8um三个波段的三个窄带透射滤光片。多光谱成像探测系统为每个波段设置一个探测通道，分为中波、短波、长波，此设计主要针对地面目标，选用中波和长波两个波段。
更进一步地，所述图像预处理模块对光谱像素信号进行校正、配准及图像降噪处理，提高融合图像的质量。
更进一步地，所述图像融合模块首先将两个光谱图像进行融合，再将融合结果与其余光谱图像逐一融合。
更进一步地，所述融合的过程为：先用HIS正变换将光谱像素信号从RGB空间变换到HIS空间，提取出源图像的色度H、亮度I、饱和度S分量特征；再利用高分辨率的全色图像替换源图像的亮度分量I，用HIS逆变换转换到RGB空间中。最后在RGB空间得到既包含有多光谱图像的频谱特征，又具备较高空间分辨率的融合图像。
本发明提出的一种多光谱成像探测系统，主要功能是将接收到的目标辐射红外能量转换成电信号，提供给图像处理模块进行信号处理后形成探测图像发送至导弹跟踪系统。当窄带透射滤光片组对照射到系统的红外辐射进行波段分离，多光谱红外探测器根据其敏感的光谱范围依序接收波段辐射，实现多光谱探测，并且，可以将探测波段精细划分，使得系统的光谱波段数目可以达到数十甚至上百个。简单的多光谱设计思路是每一个波段具有独立的光路，但系统的体积就会庞大。本发明采用共光路光学系统，每个响应波段的探测器集成在一个杜瓦内，各个波段的敏感面共面，这样大大减小了光学系统占有空间，减少了光学元件的使用，大大降低了成本。
相对于现有技术，本发明具有如下特点：
1)本发明能够同时接收与敏感两个或多个红外波段，并且它简化了光学系统设计，具有结构简洁、尺寸小、成本低等特点，同时各个波段成像从时间上严格同步，减小了高速应用场合对成像速度的限制，提高了光谱信息的准确性。
2)本发明将目标与背景的辐射以新分光谱波段的形式会聚到探测器的敏感面上，可以将多光谱成像系统理解为具有多个独立子信号通道组成的多传感器探测系统，系统的输出为各个波段传感器的信号组。既能实现更多光谱波段的探测，同时也可以压缩系统的体积，降低系统的成本，此外多光谱探测更是大大提高了成像制导体系的探测精度。
3)由于本系统属于同质多传感系统，各个通道之间数据类型相同，可以实施多传感器信号融合。在对原始图像进行特征如边缘、形状、轮廓、方向、区域或距离等提取后进行特征信息融合，再由控制系统进行目标特征提取，并作为对抗干扰诱饵等干扰的有效参数，大大提高了成像制导武器的抗干扰能力和制导精度。
4)多光谱探测系统通过增加探测波段获取目标光谱特征，具有优于单色探测系统的探测能力和复杂环境条件下的目标识别与干扰判断，对目标与干扰的身份做出更加可靠的判定，具有极高的制导精度。
附图说明
图1为本发明一种多光谱成像探测系统的结构示意图。
图2为本发明一种多光谱成像探测系统中窄带透射滤光片组的结构示意图。
图3为图像融合流程框图。
图中：窄带透射滤光片组1，多光谱探测器2，图像处理模块3，图像预处理模块3-1，图像融合模块3-2，内部控制系统4，控制模块4-1和处理模块4-2，导弹跟踪系统5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1～图3所示，本发明一种多光谱成像探测系统，包括窄带透射滤光片组1、多光谱探测器2、图像处理模块3和内部控制系统4。
窄带透射滤光片组1用于根据控制指令对辐射进行波段分离，形成若干个窄带光谱脉冲信号。窄带透射滤光片组1包括布置于转盘上的若干个波段连续、均匀排列的窄带透射滤光片，转盘上方设置有与目标和多光谱探测器2相对的出光口，通过转动转盘改变位于出光口的窄带透射滤光片，从而使多光谱探测器2从出光口探测的波段得到更新。本实施例中选择波段分别为3.7um～4.1um、4.1um～4.35um、4.35um～4.8um的三个窄带透射滤光片。窄带透射滤光片组1对辐射进行波段分离后，可以获取许多非常窄且光谱连续的图像数据，从而在传统成像基础上增加光谱维信息形成三维图像。并且多光谱成像系统能够在连续光谱段上对同一目标同时成像，并能直接反映出被观测对象的光谱特征，能够获得被观测对象空间维和光谱维的丰富信息，非常有利于复杂环境中的目标识别。
多光谱探测器2用于将若干个窄带光谱脉冲信号根据波段转换为若干个对应波段的光谱像素信号。多光谱探测器2具有宽波段光谱探测能力，覆盖中波、长波、短波的波段光谱的探测。
图像处理模块3用于将若干个光谱像素信号转换为若干个对应波段的光谱图像，再将若干个光谱图像经过融合算法转换为融合图像发送至内部控制系统4。图像处理模块3包括与三个图像预处理模块3-1和一个图像融合模块3-2。图像预处理模块3-1用于对与之相对应的一个光谱像素信号进行校正、配准及图像降噪的预处理。图像融合模块3-2用于通过融合算法将三个波段的经过预处理的光谱像素信号进行融合，形成融合图像，图像融合模块3-2首先将两个光谱图像进行融合，再将融合结果与其余一个光谱图像进行融合。
融合的过程为：首先用HIS正变换，将原始的低分辨率多光谱图像从RGB空间变换到HIS空间，从而提取出源图像的色度H、亮度I、饱和度S分量特征；然后利用高分辨率的全色图像替换源图像的亮度分量I，用HIS反变换将其变换到RGB空间中；最后在RGB空间得到既包含有多光谱图像的频谱特征，又具备较高空间分辨率的融合图像。
内部控制系统4用于发出控制指令，并对接收的融合图像处理后，形成探测图像发送至导弹跟踪系统5。内部控制系统4包括控制模块4-1和处理模块4-2，控制模块4-1用于发出控制指令，传输信号；处理模块4-2用于对接收的融合图像进行信号放大、A/D变换和空间噪声校正处理，形成探测图像。
图2是多光谱探测器工作框架，当照射到系统的红外辐射波段分离后，进入多光谱探测器，探测器采用面阵探测器，分别获取不同通道中波段的光谱图像，然后通过融合算法将不同波段的光谱图像进行图像融合，并发送给内部控制系统的信息处理模块，系统经过信号放大、A/D变换与空间噪声校正，以独立的图像传输给跟踪系统，然后通过伺服控制系统进行目标捕获和跟踪，最终完成制导作用。本发明增加了探测波段，大大提高了探测器对复杂环境的目标的探测精度，增强了抗干扰能力。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种多光谱成像探测系统，其特征在于：包括窄带透射滤光片组(1)、多光谱探测器(2)、图像处理模块(3)和内部控制系统(4)；
所述窄带透射滤光片组(1)：用于根据控制指令对辐射进行波段分离，形成若干个窄带光谱脉冲信号；所述窄带透射滤光片组(1)包括布置于转盘上的若干个波段连续、均匀排列的窄带透射滤光片，转盘上方设置有与目标和多光谱探测器(2)相对的出光口，通过转动转盘改变位于出光口的窄带透射滤光片，从而使多光谱探测器(2)从出光口探测的波段得到更新；所述窄带透射滤光片组(1)包括波段分别为3.7um～4.1um、4.1um～4.35um、4.35um～4.8um三个波段的三个窄带透射滤光片；
所述多光谱探测器(2)：用于将所述若干个窄带光谱脉冲信号根据波段转换为若干个对应波段的光谱像素信号；所述多光谱探测器(2)具有宽波段光谱探测能力，覆盖中波、长波、短波的波段光谱的探测；
所述图像处理模块(3)：用于将若干个光谱像素信号转换为若干个对应波段的光谱图像，再将若干个光谱图像经过融合算法转换为融合图像发送至内部控制系统(4)；所述图像处理模块(3)包括与探测器个数相同的若干个图像预处理模块(3-1)和一个图像融合模块(3-2)，所述图像预处理模块(3-1)用于对一个光谱像素信号进行预处理，对光谱像素信号进行校正、配准及图像降噪处理；所述图像融合模块(3-2)用于通过融合算法将不同波段的经过预处理的光谱像素信号进行融合，形成融合图像；首先将两个光谱图像进行融合，再将融合结果与其余光谱图像逐一融合；在对原始图像进行特征包括边缘、形状、轮廓、方向、区域或距离提取后进行特征信息融合，再由控制系统进行目标特征提取；所述融合的过程为：先用HIS正变换将光谱像素信号从RGB空间变换到HIS空间，提取出源图像的色度H、亮度I、饱和度S分量特征；再利用高分辨率的全色图像替换源图像的亮度分量I，用HIS逆变换转换到RGB空间中；
所述内部控制系统(4)：用于发出控制指令，并对接收的融合图像处理后，形成探测图像发送至导弹跟踪系统(5)；所述内部控制系统(4)包括控制模块(4-1)和处理模块(4-2)，所述控制模块(4-1)用于发出控制指令，传输信号；所述处理模块(4-2)用于对接收的融合图像进行信号放大、A/D变换和空间噪声校正处理，形成探测图像；
当照射到系统的红外辐射波段分离后，进入多光谱探测器，探测器采用面阵探测器，分别获取不同通道中波段的光谱图像，然后通过融合算法将不同波段的光谱图像进行图像融合，并发送给内部控制系统的信息处理模块，系统经过信号放大、A/D变换与空间噪声校正，以独立的图像传输给跟踪系统，然后通过伺服控制系统进行目标捕获和跟踪，最终完成制导作用。
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