CN109471199A - 一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统 - Google Patents

一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统 Download PDF

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史浩东
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付强
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Abstract

一种可见光与红外多维度变焦偏振成像探测的公安案件现场物证快速搜寻系统，属于多谱段多维度偏振成像探测技术领域，为解决现有技术存在的问题，该系统包括光学探测子系统、伺服子系统、电子学子系统及电源子系统，光学探测子系统固定连接在伺服子系统上，光学探测子系统与电子学子系统电连接，电子学子系统接收到光学探测子系统的图像信息并进行处理，然后将驱动信号传输给光学探测子系统与伺服子系统，电源子系统分别对光学探测子系统、伺服子系统和电子学子系统连接进行供电；该系统采用可见光偏振与红外偏振成像多维度探测技术，通过搭载在无人机平台上可实现对复杂环境特定区域的实时探测，能够实现对隐藏、伪装、隐身、暗弱目标的迅速探测。

Description

一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统
技术领域
本发明属于多谱段多维度偏振成像探测技术领域，涉及到一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统。
背景技术
在现代案件侦破过程中，现场物证搜寻与提取，是现场勘察的重要内容，也是进行物证检验的基础。在许多案件侦破中，切实做好这项工作，对我们正确分析判断案情、确定侦查范围、获取案件证据、排查嫌疑对象、认定案件事实等，均具有非常重要的意义。但是对于案件现场往往环境条件复杂，特别是爆炸案件，具有范围大、地形烟尘多等复杂环境的特点，目前使用无人机对现场进行物证搜寻，可以大幅度提升搜寻效率、节省人力，已经成为主要手段之一。
但现有的搜寻系统采用的是传统强度成像，图像对比度很低，易受林地、雾霾和复杂地形等环境条件影响，难以对目标进行精准识别，无法满足案事件现场物证搜寻目标小、品种多、环境复杂的特殊需求。
偏振作为光横波性质的外在表现，其偏振信息不仅包含目标的光强信息，同时包含目标材料、粗糙度、几何特征等物理特性。因此在复杂背景中，偏振探测具有提高对比度，凸显目标等优势。另外，在烟尘雾霾环境中，偏振光穿透能力优于自然光，可有效增加烟尘雾霾中成像作用距离，提高成像质量，对在烟尘中的爆炸现场探测十分有利。
目前已有的偏振成像探测系统，多为分时、分振幅型结构，其基本依靠旋转偏振片、液晶相位延时器或者分孔径光学系统等方式来实现，普遍具有实时探测体积大，体积小则不能实时探测的问题。因此均不适合于轻小型无人机载探测。分焦平面探测器的研发，其每2×2单元组成一个超像素单元，并分别对应0°，45°，90°和135°透偏振方向,可同时获取四个对应偏振方向的强度信息，具有实时成像、高透过率、高消光比以及宽光谱等特点，可以很好的解决上述问题。目前，4D Technology公司已研制出的像素化偏振相机PolarCam,像素可达380万，帧频高达164fps透过率80％，消光比50：1，已成功运用于航空遥感、天文观测等领域。
但目前对于轻小型的无人机载探测成像系统，其大多仍为强度成像，其代表产品如：2016年，大疆推出首款变焦云台相机禅思Z3,焦距22-77mm，F2.8-F5.2，视场92°-35°；2018年，法国Parrot公司发布的新款无人机ANAFI，焦距35mm，F/2.4，视场84°等。这些无人机载成像系统虽然性能优越，但仍为强度成像系统、且其F值偏大，并不适合于偏振成像，相关偏振成像系统的研究也甚少。因此，研制适用于偏振成像的轻小型偏振成像系统，对于无人机载物证探测，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，通过光机结构设计，将可见光偏振与红外变焦偏振成像探测、机械控制、图像处理与信息传输于集一体，能够搭载于轻小型无人机上，实现对复杂条件下公安案件现场物证的快速搜寻。
本发明解决技术问题的方案是：
一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征是，该系统包括光学探测子系统、伺服子系统、电子学子系统及电源子系统，光学探测子系统固定连接在伺服子系统上，光学探测子系统与电子学子系统电连接，电子学子系统接收到光学探测子系统的图像信息并进行处理，然后将驱动信号传输给光学探测子系统与伺服子系统，电源子系统分别对光学探测子系统、伺服子系统和电子学子系统连接进行供电。
所述光学探测子系统包括激光测距单元、可见光偏振成像单元和红外偏振成像单元，其中可见光偏振成像单元和红外偏振成像单元的光轴平行设置；激光测距单元设置在红外偏振成像单元另一侧，用来测量距离信息；所述伺服子系统由横滚电机与俯仰电机组成，横滚电机进行水平方向的扫描，俯仰电机进行垂直方向的扫描；所述电子学子系统包括伺服控制模块、无线信号收发模块和中央处理模块，其中伺服控制模块与无线信号收发模块分别和中央处理模块相连接；所述中央处理模块分别与激光测距单元连接；所述伺服控制模块与所述横滚电机和俯仰电机相连接。
所述可见光偏振成像单元，其从下到上包括：可见光变焦物镜、第一微偏振探测器和可见光图像存储卡，其中，可见光变焦物镜与第一微偏振片探测器同轴设置，其还包括第一变焦电机；光线由可见光变焦物镜汇聚入射到第一微偏振片探测器的焦平面，第一微偏振片探测器将光信号转换成电信号传输给可见光图像存储卡，完成对图像信号的采集，第一变焦电机对可见光变焦物镜进行变焦控制；所述中央处理模块分别与可见光图像存储卡和第一变焦电机连接。
所述红外偏振成像单元，其从下到上包括：红外变焦物镜、第二微偏振片探测器和红外图像存储卡，其中红外变焦物镜与第二微偏振片探测器同轴设置，其还包括第二变焦电机；光线由红外变焦物镜汇聚入射到第二微偏振片探测器的焦平面，第二微偏振片探测器将光信号转换成电信号传输给红外图像存储卡，完成对图像信号的采集，第二变焦电机对红外变焦物镜进行变焦控制；所述中央处理模块分别与红外图像存储卡和第二变焦电机相连接。
所述可见光变焦物镜从物方到像方依次放置第一单透镜、第二单透镜、第一双胶合透镜、非球面透镜、第二双胶合透镜、像面，所述第一双胶合透镜为变倍组，所述非球面透镜为双面玻璃非球面透镜。
所述红外变焦物镜从物方到像方依次同轴设置第一非球面透镜、第一单透镜、第二非球面透镜、第二单透镜、第三单透镜、红外滤光片，像面，所述第一单透镜为变倍组，所述第一非球面透镜与第二非球面透镜为单面玻璃非球面透镜。
本发明的有益效果如下：
本发明采用可见光偏振与红外偏振成像多维度探测技术，在雾霾、烟尘中，其探测距离更长，对光强度探测的图像与偏振探测的图像进行融合处理，其成像清晰度更高，能够实现对隐藏、伪装、隐身、暗弱目标的迅速探测，并获取目标的尺寸、位置和类型等信息，图像对比度提高40％。
本发明采用多维度偏振强度半经验和小波融合图像算法，使图像对比度提升，探测识别概率提高。
本发明采用无线信号收发模块，将探测到的可见光偏振图像与红外热成像多维度图像快速传输出去，可提高搜索效率。
此外本系统采用了微偏振片探测器，其高透过率、高消光比、高实时性、高可靠、高时间分辨率、低功耗的特点，很大程度的简化系统结构并的提升的系统的探测效率，重量小于5公斤，通过搭载在无人机平台上可实现对复杂环境条件下，特定区域的实时探测，并将信息准确传输到地面控制站。
附图说明
图1本发明一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统组成图。
图2本发明所述可见光变焦物镜结构图，图a为可见光变焦物镜11长焦时结构，图b为可见光变焦物镜11短焦时结构。
图3本发明所述可见光变焦物镜成像质量MTF图，图a为可见光变焦物镜11长焦结构MTF图，图b为可见光变焦物镜11短焦结构MTF图。
图4本发明所述红外变焦物镜结构图，图a为红外变焦物镜16长焦时结构，图b为红外变焦物镜16短焦时结构。
图5本发明所述红外变焦物镜成像质量MTF图，图a为红外变焦物镜16长焦结构MTF图，图b为红外变焦物镜16短焦结构MTF图。
其中，1、光学探测子系统，9、激光测距单元，10、可见光偏振成像单元，11、可见光变焦物镜，12、第一微偏振探测器，13、可见光图像存储卡，14、第一变焦电机，15、红外偏振成像单元，16、红外变焦物镜，17、第二微偏振探测器，18、红外图像存储卡，19、第二变焦电机，2、伺服子系统，21、横滚电机，22、俯仰电机，3、电子学子系统，31、伺服控制模块，32、线信号收发模块，33、中央处理模块，4、电源子系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，该系统包括光学探测子系统1、伺服子系统2、电子学子系统3及电源子系统4，光学探测子系统1固定连接在伺服子系统2上，光学探测子系统1与电子学子系统3电连接，电子学子系统3接收到光学探测子系统1的图像信息并进行处理，然后将驱动信号传输给光学探测子系统1与伺服子系统2，电源子系统4分别对光学探测子系统1、伺服子系统2和电子学子系统3连接进行供电。
所述光学探测子系统1包括激光测距单元9、可见光偏振成像单元10和红外偏振成像单元15，其中可见光偏振成像单元10和红外偏振成像单元15的光轴平行设置。激光测距单元9设置在红外偏振成像单元15另一侧，用来测量距离信息。
激光测距单元9可选择博世(BOSCH)公司20m以内的轻小型测距设备。
可见光偏振成像单元10，其从下到上包括：可见光变焦物镜11、第一微偏振探测器12和可见光图像存储卡13，其中，可见光变焦物镜11与第一微偏振片探测器12同轴设置，其还包括第一变焦电机14。光线由可见光变焦物镜11汇聚入射到第一微偏振片探测器12的焦平面，第一微偏振片探测器12将光信号转换成电信号传输给可见光图像存储卡13，完成对图像信号的采集，第一变焦电机14对可见光变焦物镜11进行变焦控制。
可见光变焦物镜11焦距为8/16mm，视场角60°/34°，地面最小分辨率1.3mm。
可见光变焦物镜11，其结构如图2所示，图a为可见光变焦物镜11长焦时结构，图b为可见光变焦物镜11短焦时结构，从物方到像方依次同轴设置第一单透镜111、第二单透镜112、第一双胶合透镜113、非球面透镜114、第二双胶合透镜115、像面116，所述第一双胶合透镜113为变倍组，所述非球面透镜114为双面玻璃非球面透镜。该可见光变焦物镜11的成像质量如图3所示，图a为可见光变焦物镜11长焦结构MTF图，边缘视场MTF＞0.38满足成像质量要求，图b为可见光变焦物镜11短焦结构MTF图，边缘视场MTF＞0.4，满足成像质量要求。
所述可见光变焦物11具体结构参数如下:
变倍组距离参数：
变倍参数 短焦mm 长焦mm
D1 17.464 0.636
D2 0.323 17.15
各个非球面系数：
非球面方程式为：
其中，C对应半径R的倒数即1/R，k是圆锥系数，a1、a2、a3……a12、a14、a16是高次项系数。
第一微偏振探测器12为Genie Nano M2450-Polarized型微偏振片探测器。
可见光图像存储卡13为DVR\SD卡。
红外偏振成像单元15，其从下到上包括：红外变焦物镜16、第二微偏振片探测器17和红外图像存储卡18，其中红外变焦物镜16与第二微偏振片探测器17同轴设置，其还包括第二变焦电机19。光线由红外变焦物镜16汇聚入射到第二微偏振片探测器17的焦平面，第二微偏振片探测器17将光信号转换成电信号传输给红外图像存储卡18，完成对图像信号的采集，第二变焦电机19对红外变焦物镜16进行变焦控制。
红外变焦物镜16的焦距为32/64mm，视场30°/15°，地面最小分辨率3.2mm。
红外变焦物镜16，其结构如图4所示，图a为红外变焦物镜16长焦时结构，图b为红外变焦物镜16短焦时结构，从物方到像方依次同轴设置第一非球面透镜161、第一单透镜162、第二非球面透镜163、第二单透镜164、第三单透镜165、红外滤光片166，像面167，所述第一单透镜162为变倍组，所述第一非球面透镜161与第二非球面透镜163为单面玻璃非球面透镜。该红外变焦物镜16成像质量如图5所示，图a为红外变焦物镜16长焦结构MTF图，边缘视场MTF＞0.41，满足成像质量要求，图b为红外变焦物镜16短焦结构MTF图，边缘视场MTF＞0.42满足成像质量要求。
所述红外变焦物16具体结构参数如下:
面编号 面型 半径mm 厚度mm 材料n
OBJ 物面 Infinity 1.0000E+004
s1 偶数非球面 62.966 5.417 4.00
s2 标准球面 82.864 d1
s3 标准球面 -169.088 8.791 4.00
s4 标准球面 149.748 d2
s5 偶数非球面 95.108 6.005 4.00
s6 标准球面 -1164.642 3.3751
STO 光阑 Infinity -1.821885
s8 标准球面 32.102 9.338 2.22
s9 标准球面 22.027 19.361
s10 标准球面 52.660 6.693 2.61
s11 标准球面 132.148 13.964
IMA 像面 Infinity
变倍组距离参数：
变倍参数 短焦mm 长焦mm
d1 23.092 4.707
d2 4.031 22.416
各个非球面系数：
非球面方程式为：
其中，C对应半径R的倒数即1/R，k是圆锥系数，a1、a2、a3……a12、a14、a16是高次项系数。
第二微偏振探测器17为北方夜视科技集团有限公司定制的640×512的红外微偏振片探测器。
红外图像存储卡18为DVR\SD卡。
所述可见光变焦物镜11与红外变焦物镜16均为适用于轻小型无人机载的偏振成像镜头。
所述伺服子系统2由横滚电机21与俯仰电机22组成，横滚电机21进行水平方向的扫描，俯仰电机22进行垂直方向的扫描，完成对一定区域的实时探测。
所述电子学子系统3包括伺服控制模块31、无线信号收发模块32和中央处理模块33，其中伺服控制模块31与无线信号收发模块32分别和中央处理模块33相连接。
所述电子学子系统3中伺服控制模块31与伺服子系统2中的横滚电机21、俯仰电机22相连接。
所述电子学子系统3中的中央处理模块33分别与光学探测子系统1中的激光测距单元9、可见光图像存储卡13、第一变焦电机14、红外图像存储卡18、第二变焦电机19相连接。
所述央处理模块33由图像融合板与FPGA板组成，负责将光学探测子系统1所采集的可见光与红外图像信息进行融合并存储，并与测距信息一起经无线信号收发模块32传输给地面站，完成图像与测距信息传输；并通过无线信号收发模块32接收地面站的控制信号，分别给伺服控制模块31、第一变焦电机14与第二变焦电机19发射控制信号，完成扫描与变焦控制。
本发明适合搭载在例如深圳市慧明捷科技有限公司产的HMJ-00D6000P轻小型无人机平台上,可实现在照度低、背景复杂环境中工作，飞行高度约10m条件下，可见光搜索范围8m×8m，可以快速搜索物证；飞行高度3m条件下，地面目标最小分辨率1.3mm，可小视场精确识别物证；同时将可见光偏振、红外偏振及测距信息复合，多维度探测物证；将大幅提高对案发现场物证的搜寻能力。其工作过程如下，首先由无线信号收发模块32接收地面站的拍摄方向控制信号，传输给中央处理模块33，通过中央处理模块33控制伺服控制模块31进而再通过控制横滚电机21、俯仰电机22确定探测方向；在通过光学探测子系统1，将光线由变焦物镜汇聚入射到探测器的焦平面，途经微偏振片探测器后将光信号转换成电信号传输给图像储存卡，完成对图像信号的采集，并传输给中央处理模块33，中央处理模块33负责变焦电机与探测器驱动信号的输出，并将探测器接收的图像信息汇总，进行图像的融合处理，根据要求对信息进行储存或者选择将视频信号发送给无线信号收发模块32，再由无线信号收发模块32将处理后的信息传输给地面站，完成这一区域的探测。地面站再继续给无线信号收发模块32传输拍摄方向控制信号，进行下一区域的探测。

Claims (6)

1.一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征是，该系统包括光学探测子系统(1)、伺服子系统(2)、电子学子系统(3)及电源子系统(4)，光学探测子系统(1)固定连接在伺服子系统(2)上，光学探测子系统(1)与电子学子系统(3)电连接，电子学子系统(3)接收到光学探测子系统(1)的图像信息并进行处理，然后将驱动信号传输给光学探测子系统(1)与伺服子系统(2)，电源子系统(4)分别对光学探测子系统(1)、伺服子系统(2)和电子学子系统(3)连接进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征在于，所述光学探测子系统(1)包括激光测距单元(9)、可见光偏振成像单元(10)和红外偏振成像单元(15)，其中可见光偏振成像单元(10)和红外偏振成像单元(15)的光轴平行设置；激光测距单元(9)设置在红外偏振成像单元(15)另一侧，用来测量距离信息；
所述伺服子系统(2)由横滚电机(21)与俯仰电机(22)组成，横滚电机(21)进行水平方向的扫描，俯仰电机(22)进行垂直方向的扫描；
所述电子学子系统(3)包括伺服控制模块(31)、无线信号收发模块(32)和中央处理模块(33)，其中伺服控制模块(31)与无线信号收发模块(32)分别和中央处理模块(33)相连接；
所述中央处理模块(33)分别与激光测距单元(9)连接；
所述伺服控制模块(31)与所述横滚电机(21)和俯仰电机(22)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征在于，所述可见光偏振成像单元(10)，其从下到上包括：可见光变焦物镜(11)、第一微偏振探测器(12)和可见光图像存储卡(13)，其中，可见光变焦物镜(11)与第一微偏振片探测器(12)同轴设置，其还包括第一变焦电机(14)；光线由可见光变焦物镜(11)汇聚入射到第一微偏振片探测器(12)的焦平面，第一微偏振片探测器(12)将光信号转换成电信号传输给可见光图像存储卡(13)，完成对图像信号的采集，第一变焦电机(14)对可见光变焦物镜(11)进行变焦控制；
所述中央处理模块(33)分别与可见光图像存储卡(13)和第一变焦电机(14)连接。
4.根据权利要求2所述的一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征在于，所述红外偏振成像单元(15)，其从下到上包括：红外变焦物镜(16)、第二微偏振片探测器(17)和红外图像存储卡(18)，其中红外变焦物镜(16)与第二微偏振片探测器(17)同轴设置，其还包括第二变焦电机(19)；光线由红外变焦物镜(16)汇聚入射到第二微偏振片探测器(17)的焦平面，第二微偏振片探测器(17)将光信号转换成电信号传输给红外图像存储卡(18)，完成对图像信号的采集，第二变焦电机(19)对红外变焦物镜(16)进行变焦控制；
所述中央处理模块(33)分别与红外图像存储卡(18)和第二变焦电机(19)相连接。
5.根据权利要求2所述的一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征在于，所述可见光变焦物镜(11)从物方到像方依次放置第一单透镜(111)、第二单透镜(112)、第一双胶合透镜(113)、非球面透镜(114)、第二双胶合透镜(115)、像面(116)，所述第一双胶合透镜(113)为变倍组，所述非球面透镜(114)为双面玻璃非球面透镜。
6.根据权利要求2所述的一种可见光与红外多维度变焦偏振成像物证搜寻系统，其特征在于，所述红外变焦物镜(16)从物方到像方依次同轴设置第一非球面透镜(161)、第一单透镜(162)、第二非球面透镜(163)、第二单透镜(164)、第三单透镜(165)、红外滤光片(166)，像面(167)，所述第一单透镜(162)为变倍组，所述第一非球面透镜(161)与第二非球面透镜(163)为单面玻璃非球面透镜。
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