CN109164463A - 一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置 - Google Patents

一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置。使用本发明能够实现大视场搜索与高分辨率成像，并且获取目标场景的偏振信息，突破识别伪装、隐身以及暗弱目标发现能力，增加对复杂环境或水面耀光等干扰条件下的目标探测/识别能力。本发明利用多组单孔径红外偏振成像探测器组件对目标进行成像，并让各探测器组件具有一定倾角的，从而形成视场部分重叠，并且使具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件的成像图像之间具有亚像素的位移偏移，从而利用多个偏振图像实现高精度的目标检测，缓解大视场与高分辨率的矛盾。

Description

一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置
技术领域
本发明属于光电探测和图像处理技术领域，涉及一种热偏振成像系统的成像方法、成像理论和分布模式，具体涉及一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置。
背景技术
红外热成像是当前国内外重点发展的关键技术。红外偏振成像是在红外成像基础上，通过获得每一点的偏振信息而增加信息维度的一种成像技术，不仅能获得目标二维空间的红外图像，而且能获得图像上每一点偏振信息。利用增加的偏振维度，可明显增强伪装、暗弱等目标与背景的差异，提高目标探测与识别能力。
由于红外焦平面探测器阵列(InfraRed Focal Plane Array,IRFPA)相对硅基可见光CCD/CMOS探测器规模小得多，使得系统作用距离与成像视场的矛盾更为突出。多孔径成像技术是当前迅速发展的新型成像模式，可望解决或减缓传统单孔径热成像的诸多问题：1)大视场与高分辨率的矛盾；2)衍射限系统的小型化问题；3)单孔径成像未发挥光学并行处理；4)成像过程丢失景物三维信息问题；5)缺乏生物视觉对运动物体的自身检测、跟踪和判断能力。
人类与许多哺乳动物都具有堪称完美的“双目立体视觉系统”，但其成像视场分辨率并非均匀分布，而是从中心到边缘像素迅速降低，保证了对大视场的搜索及对关注目标的高分辨凝视辨别，结合双目交汇视场更可获得近距离或运动目标的空间定位。而诸如蜜蜂、蜻蜓等昆虫的复眼则是另一类理想的小型化、多孔径和大视场的视觉系统，虽然由于复眼子孔径很小，使昆虫视力较差，且对环境照度要求较高，但其对运动目标却具有很高的探测灵敏度，对光的强度、波长(颜色)和偏振等也有较强的分辨力等智能特征。目前人造光电成像系统大多为单目系统，不仅有限的探测器阵列在视场内均匀分布，造成成像视场与分辨率的相互限制，而且单目视觉欠缺运动目标空间定位、快速跟踪和偏振识别等智能特征。
综上所述，如何利用仿生原理设计实现多孔径视场部分重叠仿生热偏振成像系统，有效地解决大成像视场与高分辨率的矛盾，利用多目信息的互补和丰富，提高目标的偏振识别，是一个值得解决的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法与装置，能够实现大视场搜索与高分辨率成像，并且获取目标场景的偏振信息，突破识别伪装、隐身以及暗弱目标发现能力，增加对复杂环境或水面耀光等干扰条件下的目标探测/识别能力。
本发明的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，包括多组单孔径红外成像探测器组件，所述各单孔径红外成像探测器组件的视场有重叠；具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件，其成像图像之间具有亚像素的位移偏移；并且，所有单孔径红外成像探测器组件的偏正角度的和为180°。
进一步的，所述单孔径红外成像探测器组件呈圆周均匀分布或阵列均匀分布。
进一步的，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为10％～90％之间。
进一步的，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为50％。
进一步的，所述各单孔径红外成像探测器组件均设有光学检偏器，且各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列。
进一步的，部分单孔径红外成像探测器组件设有光学检偏器，设有光学检偏器的各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列。
进一步的，所有单孔径红外成像探测器组件拥有一个共同的子视场，该子视场为全偏振成像模式。
本发明还提供了一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法，采用上述偏振热成像装置进行成像，其中，重叠视场的目标场景的偏振度和偏振角图像由该重叠视场上的多个单孔径的偏振图像解出。
有益效果：
本发明利用多组单孔径红外偏振成像探测器组件对目标进行成像，并让各探测器组件具有一定倾角的，从而形成视场部分重叠，并且使具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件的成像图像之间具有亚像素的位移偏移，从而利用多个偏振图像实现高精度的目标检测，缓解大视场与高分辨率的矛盾。
将各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度设成等差数列，利于偏正角度实现，以及后续图像处理。
令单孔径红外成像探测器组件无偏正，在某些情况下(例如不能均分180度)可以更方便地设计偏正角度，同时可以参考无偏正的红外光光强，在成像处理时进行强度补偿，提高目标检测精度。
所有单孔径红外成像探测器组件拥有一个共同的子视场，该子视场即为全偏振成像模式，此时，可以完全解算出目标的偏振信息，精度更高。
附图说明
图1为本发明的4孔径热偏振成像装置示意图。
图2为本发明的多(4)孔径视场部分重叠的热偏振成像装置SOLIDWORKS布局示意图。
图3为本发明的多(4)孔径热偏振成像模式及其视场重叠示意图。
图4为本发明的视场重叠率的变化示意图。
图5为本发明的偏振片设计与偏振成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，包括多组单孔径红外成像探测器组件，一般大于或等于4组；所述单孔径红外成像探测器组件的视轴具有一定的倾斜，以形成视场部分重叠，同时，在单孔径上安装特定方向的光学检偏器，并调整至设计的检偏角，其中，所有单孔径红外成像探测器组件的偏正角度的和为180°，从而构成类似仿生复眼的多孔径视场部分重叠的偏振成像模式。根据视场重叠部分所对应的单孔径红外成像探测器组件数量，可以将视场分为多个子视场，子视场上重叠的单孔径红外成像探测器组件数量越多，则该子视场的分辨率越高。
所有单孔径红外成像探测器组件可以呈圆周均匀分布，也可以呈阵列均匀分布。较佳的，设有光学检偏器的各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列，利于后续的目标偏正图像解算。或者，可以让部分单孔径红外成像探测器组件不安装光学检偏器，即该单孔径红外成像探测器组件无偏正，令剩余部分单孔径红外成像探测器组件设置光学检偏器，设有光学检偏器的各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列；如此，可以更方便的设计偏正角度，同时可以参考无偏正的红外光光强，在成像处理时进行强度补偿。
可以令所有单孔径红外成像探测器组件拥有共同的视场重叠部分，称该子视场为中心子视场，则该中心子视场为全偏振成像模式，分辨率最高。相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率可以为10％～90％之间，较佳的，可以选择50％左右。
以4个单孔径红外成像探测器组件阵列均匀分布为例，其组成如图1所示，单孔径红外成像探测器组件包括红外物镜和IRFPA(红外焦平面阵列)组成；在各孔径物镜上(前或后，图1表示为后)安装红外线偏振片，并调整至设计的检偏角即可构成视场部分重叠的4孔径热偏振成像装置，相邻2个单孔径红外成像探测器组件在水平或(和)垂直方向有约50％的重叠视场。各探测器组件信号送入数字视频图像处理板进行偏振图像处理，获取视场重叠的热红外成像，并将数字视频图像送到后端PC机上，并显示和存储相关的图像信息，实现对数字视频图像处理板的控制。其SOLIDWORKS布局示意图如图2所示，视场重叠区域如图3所示(图3中数字为视场重叠数)，本发明偏振热成像装置的整个视场被分为9个子视场，即：中心、上、下、左、右以及4个对角，各子视场各占1/9视场，由子孔径视场构成大视场成像。
其中，移动单孔径红外成像探测器组件的安装支架，使得具有相同重叠区域的各单孔径红外成像探测器组件在重叠区域的光学成像图像具有亚像素的位移偏差，从而使得各单孔径红外成像探测器组件对目标场景的成像不仅存在视差，而且具有亚像素微位移；在进行多孔径光学扫描成像时，对于重叠区域，可以同时利用多个单孔径红外成像探测器组件的成像(本例中，中心子视场成像为4个，上下左右侧子视场成像为2个)，以空间换时间，达到类似微扫描成像的效果，从而可以利用可控非规则未扫描成像技术进行高分辨率成像。通过亚像元和超分辨图像处理，可获得超越探测器限的高分辨成像，构成类似人眼中心高分辨成像+周边大视场搜索的视觉模式，缓解大视场与高分辨率的矛盾；利用子孔径所形成的4个和2个重叠视场形成视轴发散的多目立体视觉，可实现目标空间定位以及运动目标快速探测。
偏振成像是昆虫复眼的重要特性之一，通常为获得完整的场景偏振信息，至少需要3个偏振方向相差60°或4个偏振方向相差45°的检偏图像。根据我们先期在偏振成像方法研究积累，拟选择在三个子孔径上安装检偏方向相差60的线偏振片偏振热成像模式。
与可见光成像不同，对于长波红外热成像，作为检偏器的偏振片本身平均透过率≤50％，因此在光路中其将带来自身反射与对系统辐射的反射，降低带偏振片成像通道的图像对比度，直接影响对目标场景偏振信息的重构。为此，本实施例采用“三个孔径带检偏器+一个孔径无偏”的偏振成像模式，如图5所示，3个偏振方向相差60°，分别为0、60、120；1个无偏正；可在忽略圆偏条件下有效消除检偏器的影响，准确地解出目标场景的偏振度和偏振角图像，为后续基于偏振信息的目标探测和识别处理提供准确的信息。此外，由两个侧面可获得0°和60°或0°和120°检偏的2幅偏振图像，可部分解出目标场景的偏振图像。
假定三次检偏成像角分别为θ0、θ1、θ2，强度矢量I＝[I0I1I2]T，I0、I1和I2分别为θ0、θ1、θ2方向强度图像，无偏振片时的强度图像INP＝Ii，则测量过程可表为
Sin为忽略圆偏振分量后的入射斯托克斯矢量。可由上式解得
式中，为Mc的逆矩阵。
进一步可得到目标场景的线偏振度P和偏振角α两个信息参量：
效果较好的，红外物镜参数为焦距19mm，F＝1；红外线偏振片为Edmund公司的ZnSe红外(IR)金属线栅偏光镜#62-772，波长范围为2～19μm；红外IRFPA组件为浙江红相科技有限公司的非晶硅非制冷焦平面探测器组件TC790，其像元数为640×480，像元间距为17μm，响应波段为8～12μm，NETD＝60mK，帧频50Hz，其输出视频为CameraLink数字视频。
数字视频图像处理板采用以FPGA(型号Virtex-5)为核心的高速数字信号处理板，具有4路CameraLink数字视频输入，2路CameraLink数字视频输出。使用多孔径热成像组件支架，其中3个组件支架上连接二维微位移调控台，以控制红外物镜和红外IRFPA组件之间的相对位移，构成视场部分重叠的多孔径热偏振成像系统。
数字视频图像处理板将数字视频图像送到后端PC机上，并显示和存储相关的图像信息，实现对数字视频图像处理板的控制。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，包括多组单孔径红外成像探测器组件，所述各单孔径红外成像探测器组件的视场有重叠；具有相同重叠视场的各单孔径红外成像探测器组件，其成像图像之间具有亚像素的位移偏移；并且，所有单孔径红外成像探测器组件的偏正角度的和为180°。
2.如权利要求1所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，所述单孔径红外成像探测器组件呈圆周均匀分布或阵列均匀分布。
3.如权利要求1所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为10％～90％之间。
4.如权利要求3所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，相邻的2个单孔径红外成像探测器组件的视场重叠率为50％。
5.如权利要求1所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，所述各单孔径红外成像探测器组件均设有光学检偏器，且各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列。
6.如权利要求1所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，部分单孔径红外成像探测器组件设有光学检偏器，设有光学检偏器的各单孔径红外成像探测器组件的偏正角度成等差数列。
7.如权利要求1所述的多孔径视场部分重叠的偏振热成像装置，其特征在于，所有单孔径红外成像探测器组件拥有一个共同的子视场，该子视场为全偏振成像模式。
8.一种多孔径视场部分重叠的偏振热成像方法，其特征在于，采用如权利要求1～7任意一项所述的偏振热成像装置进行成像，其中，重叠视场的目标场景的偏振度和偏振角图像由该重叠视场上的多个单孔径的偏振图像解出。
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