CN109618087A - 一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪，涉及光机电一体化技术领域。夜视仪包括夜视仪主体、红外镜头和微光镜头，还包括测距单元，测量第一位置与第二位置之间的距离；位置信息获取单元，获取第一位置的海拔值、经度值和纬度值；角度信息获取单元，获取第一位置与第二位置之间的俯仰角和航向角；图像融合处理单元，对红外镜头采集的红外图像以及微光镜头采集的微光图像进行融合处理，显示单元，单独显示微光图像或红外图像或显示红外和微光融合后的图像。该夜视仪集成了多种传感器，即可单独显示微光或红外的图像信息，又可显示红外和微光融合后的图像信息，且具有目标定位和目标测距功能。
Description
技术领域
本发明涉及光机电一体化技术领域，具体涉及一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪。
背景技术
夜视仪已经广泛用于军事昼夜侦查领域，目前主要的夜视仪有单红外、红外和微光双光切换型，红外和微光融合型夜视仪处于科研阶段，没有实现批量列装状态。单纯的夜视仪只能采集图像信息，无法获得更多的目标信息，如距离、坐标等。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪，该夜视仪集成了多种传感器，即可单独显示微光或红外的图像信息，又可显示红外和微光融合后的图像信息，且具有目标定位和目标测距功能。
根据本发明的第一方面，提供了一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪，所述夜视仪包括夜视仪主体、红外镜头和微光镜头，其特征在于，所述夜视仪还包括：
测距单元，用于测量第一位置与第二位置之间的距离；
位置信息获取单元，用于获取第一位置的位置信息，所述位置信息包括海拔值、经度值和纬度值；
角度信息获取单元，用于获取第一位置与第二位置之间的俯仰角和航向角；
图像融合处理单元，设于图像融合处理单元支架上，用于对红外镜头采集的红外图像以及微光镜头采集的微光图像进行融合处理，
显示单元，用于单独显示微光图像或红外图像，或显示红外和微光融合后的图像。
进一步的，所述显示单元例如为目镜组件，所述测距单元为激光测距单元。
进一步的，所述图像融合处理单元所具有的微光和红外融合功能，具体实现步骤如下：
数字化处理模块：用于对微光图像和红外图像进行数字化处理，以供后期处理；
预处理模块：用于对微光图像和红外图像进行平滑处理和/或边缘增强，提高图像质量；
像素级配准模块：用于在微光图像和红外图像上进行像素对像素的逐一匹配，保证微光图像和红外图像两者有效信息的完全重合；
融合算法模块：用于通过黑白融合模块或彩色融合模块实现微光图像和红外图像融合。
进一步的，所述黑白融合模块具有以下子模块：
黑白融合第一子模块，用于分别对微光图像和红外图像进行小波变换，分解得到微光图像和红外图像的高频系数和低频系数；
黑白融合第二子模块，用于针对微光图像和红外图像的高频系数，采用高频融合规则进行融合；
黑白融合第三子模块，用于针对红外图像和微光图像的低频系数，采用低频融合规则进行融合；
黑白融合第四子模块，用于进行小波逆变换，得到黑白融合结果图像。
进一步的，所述彩色融合方案具有以下子模块：
彩色融合第一子模块，用于对红外图像和微光图像分别进行RGB线性融合；
彩色融合第二子模块，用于参考彩色图像，对RGB线性融合的红外图像和微光图像进行RGB-YUV空间转换；
彩色融合第三子模块，用于进行YUV-RGB空间转换；
彩色融合第四子模块，用于得到彩色融合结果图像。
进一步的，所述夜视仪主体包括前封板、主腔体、后封板，红外镜头通过紧固螺钉固定于前封板上，角度信息获取单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的右后侧，位置信息获取单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的上侧面，图像融合处理单元通过紧固螺钉固定于图像融合处理单元支架上，所述图像融合处理单元支架通过紧固螺钉固定于所述后封板上，显示单元通过紧固螺钉固定于所述后封板上。
进一步的，所述红外和微光融合夜视仪还包括：
红外探测器，所述红外探测器通过紧固螺钉固定于所述红外镜头后端；
微光镜头支架，所述微光镜头支架通过紧固螺钉固定于所述红外镜头后端，微光镜头通过紧固螺钉固定于所述微光镜头支架上；
微光探测器，所述微光探测器通过紧固螺钉固定于所述微光镜头后端；
测距单元支架，所述测距单元支架通过紧固螺钉固定于所述前封板上，测距单元通过紧固螺钉固定于所述测距单元支架上；
供电单元，所述供电单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左后侧；
外接航空插头，所述外接航空插头通过紧固螺钉固定于所述主腔体内；
菜单按键，所述菜单按键通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左侧面；
功能按键，所述功能案件位于主腔体的上侧面，位置信息获取单元的后方。
进一步的，所述供电单元例如为电池组。
进一步的，所述夜视仪还包括可用于手持的护手带，所述护手带通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左右两侧。
根据本发明的第二方面，提供一种红外和微光融合夜视仪精确目标定位方法，所述方法使用根据权利要求1至7中任一项所述的红外和微光融合夜视仪，所述方法包括以下步骤：
通过位置信息获取单元获取第一位置的海拔值、经度值和纬度值；
通过角度信息获取单元获取第一位置与第二位置之间的俯仰角和航向角；
通过测距单元测得第二位置相对于第一位置的距离；
计算获得第二位置的海拔值；
计算第一位置和第二位置在水平方向的投影值；
获得第二位置的经度值和纬度值。
进一步的，
所述计算获得第二位置的海拔值是通过以下公式实现的：
H2＝H-H1＝H-L*sinα，
其中，H2为第二位置的海拔值，H为第一位置的海拔值，H1为第一位置与第二位置的海拔值差，L为第二位置相对于第一位置的距离，α是第一位置与第二位置之间的俯仰角，
所述计算第一位置和第二位置在水平方向的投影值是通过以下公式实现的：
L1＝L*cosα，
其中，L1是第一位置和第二位置在水平方向的投影值，L为第二位置相对于第一位置的距离，α是第一位置与第二位置之间的俯仰角。
进一步的，所述获得第二位置的经度值和纬度值是通过以下公式实现的：
第二位置的经度值为：
Jb＝Ja+L2/(1.11*105*cosWa)＝Ja+L*cosα*sinβ/(1.11*105*cosWa)；
第二位置的纬度值为：
Wb＝Wa+L3/(1.11*105)＝Wa+L*cosα*cosβ/(1.11*105)，
其中，Jb、Wb分别是第二位置的经度值和纬度值，Ja、Wa分别是第一位置的经度值和纬度值，L2为第二位置在经度方向的投影值，L3为第二位置在纬度方向的投影值,α是第一位置与第二位置之间的俯仰角，β为航向角。
进一步的，所述红外镜头通过齿轮啮合与调焦电机连接，所述调焦电机外部设有坡莫合金屏蔽罩。
进一步的，所述角度信息获取单元为电子罗盘。
进一步的，所述位置信息获取单元为北斗模块。
进一步的，所述电子罗盘和北斗模块外部设有铝制隔腔。
进一步的，所述紧固螺钉为钛合金螺钉。
本发明的有益效果在于，夜视仪集成了多种传感器，即可单独显示微光或红外的图像信息，又可显示红外和微光融合后的图像信息，且具有目标定位和目标测距功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出本发明的剖视图；
图2示出本发明的等轴图；
图3a示出本发明的目标海拔解算示意图；
图3b示出本发明的目标坐标解算示意图；
图4示出本发明的图像融合实现流程图；
图5示出本发明的黑白融合算法实现图；
图6示出本发明的彩色融合算法实现图；
图7示出本发明的磁场空间校正实现图。
图中：微光镜头1、微光镜头支架2、微光探测器3、护手带4、电子罗盘5、主腔体6、图像融合处理单元7、图像融合处理单元支架8、后封板9、目镜组件10、外接航空插头11、电池组12、菜单按键13、前封板14、激光测距15、激光测距支架16、红外探测器17、红外镜头18、北斗模块19、功能按键20。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明为多传感器的集成系统，主要涉及传感器的协同控制、数据采集处理及抗干扰等方面。
为了提高信号的抗干扰能力，对于微光探测器和红外探测器均采用数字化电路，直接采集微光探测器和红外探测器的数字信号传输给图像融合处理单元进行后期的图像处理。信号传递过程中采用信号延时法，即在两级信号传递的过程中加一个延时环节，从而保证在下一个模块中读取到的是稳定的不含毛刺的数据信号。
多传感器在相对较小的手持设备中同时工作，要求各个传感器模块之间具备良好的电磁兼容性。针对红外镜头的调焦电机(硬磁)采用外部坡莫合金罩进行局部屏蔽，减少电磁源的辐射，红外镜头与调焦电机通过齿轮啮合进行连接；对于容易受干扰的传感器模块如电子罗盘模块、北斗模块采取单独的铝制金属隔腔，在不影响模块工作性能的前提下，独立的金属隔腔起到了较好的屏蔽作用。在整个设备中去除了含有铁质的零部件，包括紧固用的螺钉，所有紧固螺钉均采用钛合金材料。
为了提高传感器模块的抗干扰能力，模块中均集成了温度传感器，对模块自身进行温度补偿，降低温漂带来的误差；对于电子罗盘进行了12种姿态的磁场空间校正，可保证在各种大倾斜角下电子罗盘的测角精度。
如图1-2所示，一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪，所述夜视仪集成了多种传感器，即可单独显示微光或红外的图像信息，又可显示红外和微光融合后的图像信息，且具有目标定位和目标测距功能。所述夜视仪包括：微光镜头1、微光镜头支架2、微光探测器3、护手带4、电子罗盘5、主腔体6、图像融合处理单元7、图像融合处理单元支架8、后封板9、目镜组件10、外接航空插头11、电池组12、菜单按键13、前封板14、激光测距单元15、激光测距单元支架16、红外探测器17、红外镜头18、北斗模块19、功能按键20。
所述夜视仪主体由前封板14、主腔体6、后封板9组成，相关器件均通过钛合金紧固螺钉固定于三者上，构成夜视仪主体结构。
所述红外镜头18固定于前封板14上，红外探测器17固定于红外镜头18后端，所述微光镜头支架2固定于红外镜头1后端，微光镜头1固定于微光镜头支架2上，微光探测器3固定于微光镜头1后端，所述激光测距单元支架16固定于前封板14上，激光测距单元15固定于激光测距单元支架16上，构成夜视仪的前部组件。
所述夜视仪的前部组件，以红外光轴为基准，先调节微光镜头支架，使微光光轴和红外光轴平行，再调节激光测距支架，使激光测距光轴和红外光轴平行，该调节方法可实现微光、红外、激光三光光轴平行。
所述护手带4固定于主腔体6的左右两侧，所述电子罗盘5固定于主腔体6的右后侧，给夜视仪提供俯仰和航向角度，所述电池组12固定于主腔体6的左后侧，给夜视仪供电，所述外接航空插头11固定于主腔体6内，用于实现外接充电和图片视频导出，所述菜单按键13固定于主腔体6的左侧面，实现系统菜单的调用，所述北斗模块19固定于主腔体6的上侧面，给夜视仪提供坐标信息，所述功能按键20位于主腔体6的上侧面，北斗模块19的后方，功能按键包括测距按键、调焦按键、电源按键、模式按键、放大按键、拍照按键、录像按键。
所述系统供电后，所述北斗模块19实时采集和显示坐标信息，所述电子罗盘5实时采集和显示俯仰角和航向角，当按下功能按键的测距键后，激光测距单元15工作，测量出目标和夜视仪的相对距离，所述具备了夜视仪的绝对坐标信息、目标和夜视仪的相对俯仰角和航向角、目标和夜视仪的相对距离，通过三角函数可以解算出目标的绝对坐标，实现目标定位功能。
如图3a至3b所示，设北斗模块测得A点的海拔为H，经度值为Ja，纬度值为Wa；电子罗盘测得的俯仰角为α，航向角为β；激光测距测得B点相对于A点的距离为L。
如图3a所示：
B点的海拔值H2＝H-H1＝H-L*sinα
A、B两点在水平方向的投影值L1＝L*cosα
如图3b所示：
B点的经度值为：
Jb＝Ja+L2/(1.11*105*cosWa)＝Ja+L*cosα*sinβ/(1.11*105*cosWa)
B点的纬度值为：
Wb＝Wa+L3/(1.11*105)＝Wa+L*cosα*cosβ/(1.11*105)
所述的具备目标定位和测距功能的红外和微光融合夜视仪，所述图像融合处理单元7固定于图像融合处理单元支架8上，所述图像融合处理单元支架8固定于后封板9上，所述目镜组件10固定于后封板9上，实现屈光度的调节和图像信息的显示。
所述图像融合处理单元7为夜视仪的主控板，负责整个仪器的电源管理，传感器和功能键信息的输入，信息的处理，微光和红外融合算法的实现，信息的输出等。
如图4所示，所述图像融合是一个在同一时间将同一景物的不同波长(色彩)或来自不同传感器的图像结合形成一幅合成图像的过程，通过综合多传感器图像信息，获取对同一场景更全面和准确的描述。图像融合的过程包括图像的准备，例如数字化；预处理，如平滑、边缘增强等；视场和像素的配准；融合算法；显示等。
数字化：指所提取的微光信息和红外信息均为数字信号存在，方便后期处理；
平滑处理：图像的平滑处理是利用算法对图像领域的像素灰度进行平均化，从而达到减少图像中杂点的影响，降低图像对比度的目的；常用的算法有均值法、中值滤波法等；
边缘增强：图像增强的目的是为了消除原始图像边缘模糊的缺点，增强图像的视觉效果；通过调整边缘像素的灰度值大小来提高图像的对比度、突出边缘，从而达到提高图像清晰度的目的；
配准：相对于图像融合的其他层次，像素级图像配准是直接在采集到的原始图像上进行像素对像素的逐一匹配，保证微光图像和红外图像两者有效信息的完全重合；
融合算法：黑白融合方案采用基于小波变换的自适应融合算法；彩色融合方案采用基于YUV空间的色彩传递融合算法；
显示：将处理好的图像信息按规定的格式给显示屏，便于操作者观看。
如图5所示，所述黑白融合方案采用基于小波变换的自适应融合算法，能够全面体现可见光和红外图像不同尺度的细节信息，对图像的高频和低频信息采用不同的融合规则，能更有效地利用不同传感器的图像特性；融合图像能有效凸显可见光中隐藏的热目标，并且最大成都的保留了可见光真实的背景信息。该黑白融合方案具体包括：分别对红外图像和微光图像进行小波变换，分解得到图像的高频系数和低频系数；针对红外图像和微光图像的高频系数，采用高频融合规则；针对红外图像和微光图像的低频系数，采用低频融合规则；进行小波逆变换，从而得到融合结果图像。
如图6所示，所述彩色融合方案采用基于YUV空间的色彩传递融合算法，具有多种配色方案，能适合不同场景的观察；融合图像色彩自然感强，能提高方位判断与场景辨识能力。该彩色融合方案具体包括：
对红外图像和微光图像进行RGB线性融合；
参考彩色图像，进行RGB-YUV空间转换，
下面是RGB与YUV之间的转换公式：
这一步骤可通过编码矩阵来实现，写成矩阵的形式为：
颜色迁移过程；
YUV-RGB空间转换，得到融合结果图像。
如图7所示，所述磁场空间校正的实现方式，磁场空间校正方法不仅可对电子罗盘的磁力计进行校准，也可对安装设备上存在的硬磁干扰、软磁干扰以及各种制造安装误差进行有效修正，该校正为整机测试最重要的环节，校正完成后，可保证在各种大倾斜角下电子罗盘的测角精度。
该校正采取空间12种姿态进行校正：
姿态1：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角0°，方位角指向0°，保存数据；
姿态2：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角0°，方位角指向90°，保存数据；姿态3：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角0°，方位角指向180°，保存数据；
姿态4：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角0°，方位角指向270°，保存数据；
姿态5：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角45°，方位角指向30°，保存数据；
姿态6：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角45°，方位角指向120°，保存数据；
姿态7：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角45°，方位角指向210°，保存数据；
姿态8：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角45°，方位角指向300°，保存数据；
姿态9：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角-45°，方位角指向60°，保存数据；
姿态10：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角-45°，方位角指向150°，保存数据；
姿态11：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角-45°，方位角指向240°，保存数据；
姿态12：移动整机角度，使电子罗盘俯仰角-45°，方位角指向330°，保存数据。
本发明的有益效果在于，夜视仪集成了多种传感器，即可单独显示微光或红外的图像信息，又可显示红外和微光融合后的图像信息，且具有目标定位和目标测距功能。
Claims (10)
1.一种具备精确目标定位功能的红外和微光融合夜视仪，所述夜视仪包括夜视仪主体、红外镜头和微光镜头，其特征在于，所述夜视仪还包括：
测距单元，用于测量第一位置与第二位置之间的距离；
位置信息获取单元，用于获取第一位置的位置信息，所述位置信息包括海拔值、经度值和纬度值；
角度信息获取单元，用于获取第一位置与第二位置之间的俯仰角和航向角；
图像融合处理单元，设于图像融合处理单元支架上，用于对红外镜头采集的红外图像以及微光镜头采集的微光图像进行融合处理，
显示单元，用于单独显示微光图像或红外图像，或显示红外和微光融合后的图像。
2.根据权利要求1所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，所述图像融合处理单元所具有的微光和红外融合功能，具体实现步骤如下：
数字化处理模块：用于对微光图像和红外图像进行数字化处理，以供后期处理；
预处理模块：用于对微光图像和红外图像进行平滑处理和/或边缘增强，提高图像质量；
像素级配准模块：用于在微光图像和红外图像上进行像素对像素的逐一匹配，保证微光图像和红外图像两者有效信息的完全重合；
融合算法模块：用于通过黑白融合模块或彩色融合模块实现微光图像和红外图像融合。
3.根据权利要求2所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，所述黑白融合模块具有以下子模块：
黑白融合第一子模块，用于分别对微光图像和红外图像进行小波变换，分解得到微光图像和红外图像的高频系数和低频系数；
黑白融合第二子模块，用于针对微光图像和红外图像的高频系数，采用高频融合规则进行融合；
黑白融合第三子模块，用于针对红外图像和微光图像的低频系数，采用低频融合规则进行融合；
黑白融合第四子模块，用于进行小波逆变换，得到黑白融合结果图像。
4.根据权利要求2所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，所述彩色融合方案具有以下子模块：
彩色融合第一子模块，用于对红外图像和微光图像分别进行RGB线性融合；
彩色融合第二子模块，用于参考彩色图像，对RGB线性融合的红外图像和微光图像进行RGB-YUV空间转换；
彩色融合第三子模块，用于进行YUV-RGB空间转换；
彩色融合第四子模块，用于得到彩色融合结果图像。
5.根据权利要求1所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，
所述夜视仪主体包括前封板、主腔体、后封板，红外镜头通过紧固螺钉固定于前封板上，角度信息获取单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的右后侧，位置信息获取单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的上侧面，图像融合处理单元通过紧固螺钉固定于图像融合处理单元支架上，所述图像融合处理单元支架通过紧固螺钉固定于所述后封板上，显示单元通过紧固螺钉固定于所述后封板上。
6.根据权利要求5所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，所述红外和微光融合夜视仪还包括：
红外探测器，所述红外探测器通过紧固螺钉固定于所述红外镜头后端；
微光镜头支架，所述微光镜头支架通过紧固螺钉固定于所述红外镜头后端，微光镜头通过紧固螺钉固定于所述微光镜头支架上；
微光探测器，所述微光探测器通过紧固螺钉固定于所述微光镜头后端；
测距单元支架，所述测距单元支架通过紧固螺钉固定于所述前封板上，测距单元通过紧固螺钉固定于所述测距单元支架上；
供电单元，所述供电单元通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左后侧；
外接航空插头，所述外接航空插头通过紧固螺钉固定于所述主腔体内；
菜单按键，所述菜单按键通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左侧面；
功能按键，所述功能案件位于主腔体的上侧面，位置信息获取单元的后方。
7.根据权利要求6所述的红外和微光融合夜视仪，其特征在于，所述夜视仪还包括可用于手持的护手带，所述护手带通过紧固螺钉固定于所述主腔体的左右两侧。
8.一种红外和微光融合夜视仪精确目标定位方法，其特征在于，所述方法使用根据权利要求1至7中任一项所述的红外和微光融合夜视仪，所述方法包括以下步骤：
通过位置信息获取单元获取第一位置的海拔值、经度值和纬度值；
通过角度信息获取单元获取第一位置与第二位置之间的俯仰角和航向角；
通过测距单元测得第二位置相对于第一位置的距离；
计算获得第二位置的海拔值；
计算第一位置和第二位置在水平方向的投影值；
获得第二位置的经度值和纬度值。
9.根据权利要求8所述的精确目标定位方法，其特征在于，
所述计算获得第二位置的海拔值是通过以下公式实现的：
H2＝H-H1＝H-L*sinα，
其中，H2为第二位置的海拔值，H为第一位置的海拔值，H1为第一位置与第二位置的海拔值差，L为第二位置相对于第一位置的距离，α是第一位置与第二位置之间的俯仰角，
所述计算第一位置和第二位置在水平方向的投影值是通过以下公式实现的：
L1＝L*cosα，
其中，L1是第一位置和第二位置在水平方向的投影值，L为第二位置相对于第一位置的距离，α是第一位置与第二位置之间的俯仰角。
10.根据权利要求8所述的精确目标定位方法，其特征在于，所述获得第二位置的经度值和纬度值是通过以下公式实现的：
第二位置的经度值为：
Jb＝Ja+L2/(1.11*105*cosWa)＝Ja+L*cosα*sinβ/(1.11*105*cosWa)；
第二位置的纬度值为：
Wb＝Wa+L3/(1.11*105)＝Wa+L*cosα*cosβ/(1.11*105)，
其中，Jb、Wb分别是第二位置的经度值和纬度值，Ja、Wa分别是第一位置的经度值和纬度值，L2为第二位置在经度方向的投影值，L3为第二位置在纬度方向的投影值,α是第一位置与第二位置之间的俯仰角，β为航向角。
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