CN109738879A - 激光主动探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光主动探测装置。该激光主动探测装置包括：至少一个激光光源，用于向探测环境中的目标物发射激光；多个图像采集单元，设置于激光光源的出光侧，用于获取探测环境中的光信号并将其转换为图像信息，其中，光信号包括被目标物反射的激光以及探测环境中的环境光；控制单元，分别与激光光源和图像采集单元电连接，用于控制激光光源发射激光并使图像采集单元同步获取图像信息。本发明基于多个图像采集单元分别进行的波段选通，将采集到的被目标物反射的激光转换为主动图像，并将采集到的部分环境光转换为被动图像，实现了主、被动图像的同步获取，大幅降低了环境光对探测目标回波信号干扰，同时也降低了图像处理算法的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及激光主动探测识别、成像领域，具体而言，涉及一种激光主动探测装置。
背景技术
对于绝大多数的光学观瞄系统，其光学系统焦平面处都装有探测器或分划板，探测光进入光学系统并汇聚到焦平面位置时，一部分入射光能量会被原路反射回去，产生远大于一般背景漫反射返回回波信号，这就是光学目标“猫眼”效应。“猫眼”目标探测技术就是利用目标光学系统的“猫眼”效应，主动向环境发射探测光束，“猫眼”目标产生较高信噪比的探测信号进而被探测端识别出。
国内对“猫眼”目标探测识别，多采用单台相机通过激光探测信号开关获取探测环境主、被动图像，处理识别目标位置。如图1所示，现有技术中的激光主动探测装置可以包括相机1＇、成像光学模块2＇、信息控制模块3＇、供电模块4＇、发射接收窗口5＇和交互设备6＇，成像光学模块设置于相机的入光侧，用于将被目标物反射的激光在相机中成像以得到图像信息，信息控制模块2＇通过交互设备6＇与相机1＇电连接，用于向相机1＇中传输控制信号，供电模块4＇与信息控制模块3＇电连接以向其供电，发射接收窗口5＇设置于探测装置机械外壳中，用于实现装置内部组件保护以及光信号的正常发射与接收。
对于现有技术中的上述激光主动探测装置而言，由于探测装置需要在快速移动环境中进行连续探测，处理过程中首先需要对获取相邻主、被动图像进行关联配准，然后才能进一步做差分处理。然而关联配准需要提供较多图像匹配特征，提高对环境的信息的获取量的同时，将引入大量干扰信号，降低了探测装置的识别效率以及识别精度，增加了系统虚警率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种激光主动探测装置，以解决现有技术中激光主动探测装置图像处理速度慢、探测系统效率低以及抗环境干扰能力弱的问题。
为了实现上述目的，提供了一种激光主动探测装置，包括：至少一个激光光源，用于向探测环境中的目标物发射激光；多个图像采集单元，设置于激光光源的出光侧，用于获取探测环境中的光信号并将其转换为图像信息，其中，光信号包括被目标物反射的激光以及探测环境中的环境光；控制单元，分别与激光光源和图像采集单元电连接，用于控制激光光源发射激光并使图像采集单元同步获取图像信息。
进一步地，图像信息包括近红外图像和长波红外图像，近红外图像包括由被目标物反射的激光转换为的主动图像以及环境光中的近红外波段转换为的被动图像，长波红外图像由环境光中的远红外波段转换形成。
进一步地，各图像采集单元包括沿靠近激光光源的方向顺序间隔设置的成像光学模块、滤光组件和工业相机。
进一步地，各工业相机的光轴平行。
进一步地，多个图像采集单元至少包括：第一图像采集单元，包括第一滤光组件，第一滤光组件的中心波长与激光光源的中心波长相同，第一图像采集单元用于获取被目标物反射的激光并将其转换为主动图像；第二图像采集单元，包括第二滤光组件，第二滤光组件的中心波长偏离第一滤光组件的中心波长，且第二滤光组件与第一滤光组件具有相同的半高宽度且通带区域无交叠，第二图像采集单元用于获取被环境光中的近红外波段并将其转换为被动图像；第三图像采集单元，用于获取环境光中的远红外波段并将其转换为长波红外图像。
进一步地，第一滤光组件和/或第二滤光组件为窄带滤光片。
进一步地，第一滤光组件和/或第二滤光组件的带宽在10nm以内，波长截止范围为200～1200nm，透过率低于10-4。
进一步地，第二滤光组件的中心波长偏离第一滤光组件的中心波长10～20nm。
进一步地，第一图像采集单元包括第一工业相机，第二图像采集单元包括第二工业相机，第一工业相机和/或第二工业相机为CMOS/CCD工业相机。
进一步地，第三图像采集单元包括第三工业相机，第三工业相机为红外相机，红外相机的波段为8～12μm。
进一步地，控制单元包括：数字信号处理模块，包括驱动控制电路，驱动控制电路分别与各工业相机电连接，用于控制各工业相机的曝光开启与关闭并根据工业相机的曝光时间发射控制信号；激光器驱动模块，分别与数字信号处理模块和激光光源电连接，用于在接收控制信号后控制激光光源产生与工业相机的曝光时间同步的探测脉冲信号；供电模块，分别与激光器驱动模块和数字信号处理模块电连接。
进一步地，数字信号处理模块还包括图像处理电路，图像处理电路分别与各工业相机电连接，用于分析主动图像和被动图像以获取目标物的位置信息并将位置信息加载至长波红外图像中。
应用本发明的技术方案，提供了一种激光主动探测装置，该探测装置通过多个图像采集单元获取不同波段探测信号并分别转换为图像信息，其中，不同波段激光包括被目标物反射的激光以及探测环境中的环境光。本发明基于多个图像采集单元分别进行的波段选通，将采集到的被目标物反射的激光转换为主动图像，并将采集到的部分环境光转换为被动图像，实现了主、被动图像的同步获取，大幅降低了环境光对探测目标回波信号干扰，同时也降低了图像处理算法的复杂度，从而提高了探测装置的图像处理速度、识别效率以及识别精度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中所提供的一种激光主动探测装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施方式所提供的一种激光主动探测装置的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1＇、相机；2＇、成像光学模块；3＇、信息控制模块；4＇、供电模块；5＇、发射接收窗口；6＇、交互设备；1、CMOS/CCD工业相机；2、红外相机；3、光学接收窗口；4、光学发射窗口；5、第一成像光学模块；6、第二成像光学模块；7、激光准直系统；8、第一滤光组件；9、第二滤光组件；10、激光光源；11、激光器驱动模块；12、数字信号处理模块；13、供电模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中激光主动探测装置的处理过程中首先需要对获取相邻主、被动图像进行关联配准，然而关联配准需要提供较多图像匹配特征，提高对环境的信息的获取量的同时，将引入大量干扰信号，降低了探测装置的识别效率以及识别精度，增加了系统虚警率。
本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种激光主动探测装置，如图2所示，包括激光光源10、图像采集单元以及控制单元：激光光源10为一个或多个，用于向探测环境中的目标物发射激光；图像采集单元为多个，设置于激光光源10的出光侧，用于获取探测环境中的光信号并将其转换为图像信息，其中，光信号包括被目标物反射的激光以及探测环境中的环境光；控制单元分别与激光光源10和图像采集单元电连接，用于控制激光光源10发射激光并使图像采集单元同步获取图像信息。
本发明基于多个图像采集单元分别进行的波段选通，将采集到的被目标物反射的激光转换为主动图像，并将采集到的部分环境光转换为被动图像，实现了主、被动图像的同步获取，大幅降低了环境光对探测目标回波信号干扰，同时也降低了图像处理算法的复杂度，从而提高了探测装置的图像处理速度、识别效率以及识别精度。
本发明基于多个图像采集单元分别进行的波段选通，将采集到的被目标物反射的激光转换为主动图像，并将采集到的部分环境光转换为被动图像，实现了主、被动图像的同步获取，大幅降低了环境光对探测目标回波信号干扰，同时也降低了图像处理算法的复杂度，从而提高了探测装置的识别效率以及识别精度，提高了探测装置的时效性，进而能够提供全天时友好可视化交互数据。
在本发明的上述激光主动探测装置中，图像信息可以包括近红外图像和长波红外图像，近红外图像包括由被目标物反射的激光转换为的主动图像以及环境光中的近红外波段转换为的被动图像，长波红外图像由环境光中的远红外波段转换形成。
上述激光光源10可以为多路激光照明光源组合，将激光光源10向目标物发射的激光作为探测信号，激光主动探测装置包括至少三个图像采集单元，一个图像采集单元用于获取目标物反射的探测信号并转换为上述主动图像，一个图像采集单元同步获取不含探测信号的环境光中的近红外波段并转换为上述被动图像，另一个图像采集单元同步获取不含探测信号的环境光中的远红外波段并转换为交互图像。
上述各图像采集单元可以包括沿靠近激光光源10的方向顺序间隔设置的成像光学模块、滤光组件和工业相机。上述各工业相机的光轴平行，通过同轴安装以获取恒定位置关系的图像信息。
在一种优选的实施方式中，上述多个图像采集单元至少包括第一图像采集单元、第二图像采集单元和第三图像采集单元，如图2所示，第一图像采集单元包括第一滤光组件8，第一滤光组件8的中心波长与激光光源10的中心波长相同，第一图像采集单元用于获取被目标物反射的激光并将其转换为主动图像；第二图像采集单元包括第二滤光组件9，第二滤光组件9的中心波长偏离第一滤光组件8的中心波长，且第二滤光组件9与第一滤光组件8具有相同的半高宽度且通带区域无交叠，第二图像采集单元用于获取被环境光中的近红外波段并将其转换为被动图像；第三图像采集单元用于获取环境光中的远红外波段并将其转换为长波红外图像。
上述第一滤光组件8和上述第二滤光组件9用于滤除非近红外波段的光，以选择出近红外波段在工业相机中进行成像；上述第三图像采集单元中的滤光组件用于滤除非远红外波段的光，以选择出远红外波段在工业相机中进行成像。为了分别获取到包含探测信号的近红外波段光以及仅包含环境光的近红外波段光，上述第一滤光组件8和上述第二滤光组件9的中心波长不能相同且通带波长分离，优选地，上述第二滤光组件9的中心波长偏离上述第一滤光组件8的中心波长10～20nm。
为了有效地选择出近红外波段光，优选地，上述第一滤光组件8和/或上述第二滤光组件9为窄带滤光片；更为优选地，上述第一滤光组件8和/或上述第二滤光组件9的带宽在10nm以内，波长截止范围为200～1200nm，透过率低于10-4(即OD4以上)。
上述第一图像采集单元包括第一工业相机，上述第二图像采集单元包括第二工业相机，上述第三图像采集单元包括第三工业相机。通过上述第一滤光组件8能够选择出包含探测信号的近红外波段光，第一工业相机设置于沿第一图像采集单元的光线传播方向第一滤光组件8的后方，将近红外波段光将转换为光源探测回波的主动图像；通过上述第二滤光组件9选择出仅包含环境光的近红外波段光，第二工业相机设置于沿第二图像采集单元的光线传播方向第二滤光组件9的后方，同步接收到转换为只包含环境信息的被动图像；第三工业相机设置于沿第三图像采集单元的光线传播方向第三滤光组件的后方，获取的长波红外图像可以作为全天时可视化图像。
优选地，上述第一工业相机和/或上述第二工业相机为CMOS/CCD工业相机1；上述第三工业相机为红外相机2，波段优选为8～12μm。
优选地，上述控制单元包括数字信号处理模块12、激光器驱动模块11和供电模块13，如图2所示，数字信号处理模块12包括驱动控制电路，驱动控制电路分别与各工业相机电连接，用于控制各工业相机的曝光开启与关闭并根据工业相机的曝光时间发射控制信号；激光器驱动模块11分别与数字信号处理模块12和激光光源10电连接，用于在接收控制信号后控制激光光源10产生与工业相机的曝光时间同步的探测脉冲信号；供电模块13分别与激光器驱动模块11和数字信号处理模块12电连接。
上述第一图像采集单元、上述第二图像采集单元以及上述第三图像采集单元中的三组工业相机可以刚性固连，在前期检校中快速获取图像之间的相互关系，计算出图像间旋转变换矩阵。在实际应用过程中，数字信号处理模块12无需进行特征提取图像配准即可将获取图像快速统一在相同的计算坐标系下，减少图像处理过程计算时间。
优选地，上述数字信号处理模块12还包括图像处理电路，图像处理电路分别与各工业相机电连接，用于分析主动图像和被动图像以获取目标物的位置信息并将位置信息加载至长波红外图像中。具体地，数字信号处理模块12实时采集处理分析三组工业相机获取的图像信息，通过计算分析主、被动图像获取“猫眼”效应目标位置信息，并将位置信息加载至长波红外图像中，经数字信号处理模块12处理后的带目标位置信息的长波红外图像通过有线或无线图像传输实现显示以及与外界交互。
本发明的上述激光主动探测装置还可以包括光学接收窗口3、光学发射窗口4以及激光准直系统，如图2所示，光学接收窗口3设置于各图像采集单元中成像光学模块的前方，用于接收进入各成像光学模块的光线；光学发射窗口4设置于激光光源10的出光侧，激光准直系统7设置于激光光源10与光学发射窗口4之间靠近光学发射窗口4的一侧，用于将来自激光光源10的激光准直后通过光学发射窗口4向目标物发射。
本发明的上述激光主动探测装置可以具有的工作流程如下：数字信号处理模块12输出控制信号给激光器驱动模块11，控制激光光源10发出一定宽度脉冲的探测信号，控制信号同步控制三组工业相机(CMOS/CCD工业相机1和红外相机2)曝光的开启与关闭，获取探测图像数据。探测信号经目标物反射后通过光学接收窗口3、第一成像光学模块5、第一滤光组件8后成像在一台CMOS/CCD工业相机1中，另一台CMOS/CCD工业相机1通过第二滤光组件9同步获取临近波长图像信息。红外相机2同步获取长波红外环境探测图像。三组图像经数字信号处理模块12采集后，对CMOS/CCD工业相机1获取的主被动图像进行增强、配准、差分、识别获取“猫眼”目标信息，并将其在图像中的位置信息融合至长波红外图像中，实时输出反馈到信息交互端。
其中，CMOS/CCD工业相机1中的两台相机采用性能指标参数相同相机型号，在波长800nm～900nm之间具有较高的探测效率，红外相机2波段为8μm～12μm，三组相机同轴安装并通过机械组件进行刚性固连，获取恒定位置关系图像。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明基于多个图像采集单元分别进行的波段选通，将采集到的被目标物反射的激光转换为主动图像，并将采集到的部分环境光转换为被动图像，实现了主、被动图像的同步获取，大幅降低了环境光对探测目标回波信号干扰，降低了图像处理算法的复杂度，从而提高了探测装置的图像处理速度、识别效率以及识别精度；
2、本发明采用多路半导体激光组合实现视场拼接，解决单激光器功率需求过大，散热系统复杂；
3、本发明采用三路相机同轴接收采集同探测视场信息，通过刚性固连实现相互之间位置固化，探测装置使用前快速检校获取相机图像间的关系变换矩阵，从而在实际应用过程中，装置移动过程不会带来繁琐的图像特征点提取配准等繁冗的计算过程，运算速度快，实时性高，可以支撑更大分辨率、更快移动速度、更高刷新频率图像数据计算；
4、本发明主、被动图像获取通过两组相同性能参数的近红外增强高速CMOS/CCD工业相机以及中心波长相近的窄带滤光组件组合实现，从而有效降低环境干扰，提高探测目标信号的信噪比；并且，通过在装置融入长波红外相机，在应用过程中支持全天时人员对环境信息的观测和记录，人机交互界面友好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (12)
1.一种激光主动探测装置，其特征在于，包括：
至少一个激光光源(10)，用于向探测环境中的目标物发射激光；
多个图像采集单元，设置于所述激光光源(10)的出光侧，用于获取探测环境中的光信号并将其转换为图像信息，其中，所述光信号包括被所述目标物反射的激光以及所述探测环境中的环境光；
控制单元，分别与所述激光光源(10)和所述图像采集单元电连接，用于控制所述激光光源(10)发射激光并使所述图像采集单元同步获取所述图像信息。
2.根据权利要求1所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述图像信息包括近红外图像和长波红外图像，所述近红外图像包括由被所述目标物反射的激光转换为的主动图像以及所述环境光中的近红外波段转换为的被动图像，所述长波红外图像由所述环境光中的远红外波段转换形成。
3.根据权利要求1或2所述的激光主动探测装置，其特征在于，各所述图像采集单元包括沿靠近所述激光光源(10)的方向顺序间隔设置的成像光学模块、滤光组件和工业相机。
4.根据权利要求3所述的激光主动探测装置，其特征在于，各所述工业相机的光轴平行。
5.根据权利要求4所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述多个图像采集单元至少包括：
第一图像采集单元，包括第一滤光组件(8)，所述第一滤光组件(8)的中心波长与所述激光光源(10)的中心波长相同，所述第一图像采集单元用于获取被所述目标物反射的激光并将其转换为主动图像；
第二图像采集单元，包括第二滤光组件(9)，所述第二滤光组件(9)的中心波长偏离所述第一滤光组件(8)的中心波长，且所述第二滤光组件(9)与所述第一滤光组件(8)具有相同的半高宽度且通带区域无交叠，所述第二图像采集单元用于获取被所述环境光中的近红外波段并将其转换为被动图像；
第三图像采集单元，用于获取所述环境光中的远红外波段并将其转换为长波红外图像。
6.根据权利要求5所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述第一滤光组件(8)和/或所述第二滤光组件(9)为窄带滤光片。
7.根据权利要求6所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述第一滤光组件(8)和/或所述第二滤光组件(9)的带宽在10nm以内，波长截止范围为200～1200nm，透过率低于10-4。
8.根据权利要求5所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述第二滤光组件(9)的中心波长偏离所述第一滤光组件(8)的中心波长10～20nm。
9.根据权利要求5所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述第一图像采集单元包括第一工业相机，所述第二图像采集单元包括第二工业相机，所述第一工业相机和/或所述第二工业相机为CMOS/CCD工业相机(1)。
10.根据权利要求5所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述第三图像采集单元包括第三工业相机，所述第三工业相机为红外相机(2)，所述红外相机(2)的波段为8～12μm。
11.根据权利要求5所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述控制单元包括：
数字信号处理模块(12)，包括驱动控制电路，所述驱动控制电路分别与各所述工业相机电连接，用于控制各所述工业相机的曝光开启与关闭并根据所述工业相机的曝光时间发射控制信号；
激光器驱动模块(11)，分别与所述数字信号处理模块(12)和所述激光光源(10)电连接，用于在接收所述控制信号后控制所述激光光源(10)产生与所述工业相机的曝光时间同步的探测脉冲信号；
供电模块(13)，分别与所述激光器驱动模块(11)和所述数字信号处理模块(12)电连接。
12.根据权利要求11所述的激光主动探测装置，其特征在于，所述数字信号处理模块(12)还包括图像处理电路，所述图像处理电路分别与各所述工业相机电连接，用于分析所述主动图像和所述被动图像以获取所述目标物的位置信息并将所述位置信息加载至所述长波红外图像中。
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