CN110018485A - 一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，包括成像子系统和测距子系统，成像子系统包括激光扩束单元、偏振成像单元，激光扩束单元包括激光源和扩束器，偏振成像单元包括偏振片、电机、CCD相机、上位机；测距子系统包括红外发射单元、红外接收单元、放大单元、上位机。本发明还公开了一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻方法。本发明在复杂环境中搜寻无人机残骸时，能够获得更加清晰的成像效果，更好的识别目标，同时测量目标物体与测量点的距离，便于锁定搜寻范围。
Description
技术领域
本发明涉及无人机残骸搜寻领域，具体涉及一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统及方法。
背景技术
在复杂环境中，无人机探测被应用的越来越频繁，而在未知的环境中，无人机常常遇到不可预测的问题或故障，导致坠毁，其残骸难以寻找。以往在无人机发生事故后，都是派遣大量人员前往搜寻，费时费力。在复杂的地形、环境中，人的肉眼难以有效地识别目标，并且在夜晚缺少自然光的条件下，搜寻工作更是难以进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统及方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，包括成像子系统和测距子系统，
成像子系统包括激光扩束单元、偏振成像单元，
激光扩束单元包括：
激光源，出射线性偏振光
扩束器，设于激光源与目标物之间，并对激光源出射的线性偏振光进行扩束处理
偏振成像单元包括：
偏振片，设于CCD相机与目标物之间
电机，用于控制偏振片使其旋转改变偏振光的偏振方向
CCD相机，获取不同偏振方向的目标偏振图像并发送给上位机
上位机，接收CCD相机发送的不同偏振方向的目标偏振图像，经处理得到目标偏振度图像；
测距子系统包括红外发射单元、红外接收单元、放大单元、上位机，
红外发射单元，向目标物发射红外线
红外接收单元，接收目标物反射回来的红外线回波，处理后发送给放大单元
放大单元，对红外接收单元发出的信号放大处理，并传给上位机
上位机，接收放大单元的数据并计算出目标物距离。
进一步地，激光源、电机、红外发射单元由上位机控制工作。
进一步地，激光源为半导体激光器。
进一步地，红外发射单元为红外发光二极管。
一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻方法，包括：
获取目标偏振度图像：
激光源出射线性偏振光，并经扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光，反射光经过旋转偏振片后得到不同偏振方向的偏振光，由CCD相机接收成像，CCD相机将得到的不同偏振方向的目标偏振图像上传到上位机中进行处理，得到目标偏振度图像；
获取目标物距离：
红外发射单元发出红外光线，到达待测目标物后反射回来，经红外接收单元接收、处理，由放大单元放大后到上位机中计算出目标物距离。
进一步地，包括如下步骤：
步骤一：激光源出射线性偏振光，并经扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光；
步骤二：经过起始偏振方向为0°的偏振片，反射光由CCD相机接收成像，同时上位机发送脉冲信号给电机和红外发射单元，控制电机和红外发射单元工作；
步骤三：电机控制偏振片顺时针旋转60°后，CCD相机再次成像获得60°偏振方向的目标偏振图像；红外发射单元向目标物发射红外线信号，开始计时，从目标物反射回来的红外线回波由红外接收单元接收，转变为脉冲信号，经过放大单元放大，进入上位机，停止计时，得到红外线脉冲的飞行时间，经过上位机计算得到目标物距离；
步骤四：上位机再次发送脉冲信号给电机，控制电机工作，电机再次顺时针旋转60°，CCD相机成像获得120°偏振方向的目标偏振图像；
步骤五：上位机接收CCD相机上传的3幅不同偏振方向的偏振图像，通过计算获得目标偏振度图像，与步骤三中计算得到的目标物距离一同显示。
本发明的有益效果：
1、传统的可见光成像由于受限于太阳光照明而不能实现全天时工作，而且当强度差别不明显或目标背景很杂乱时，用强度区分目标就很困难，无法有效地在复杂环境中识别目标。而激光主动偏振成像便可以克服这一困难。激光主动偏振成像以自身发射的激光作为照明光源可以实现全天时工作，在复杂的环境中可以准确地识别无人机的残骸，而且由于无人机是使用的人造材料，具有较光滑表面，因而其辐射或是反射光中的线偏振较强，一般目标所处的背景如泥土植被都是相对很粗糙的，其辐射或反射光偏振度相对较低，采用激光主动偏振成像便可以有效识别目标。而在进行偏振成像的同时，测量目标所在位置的距离可以确定无人机残骸的准确位置，有利于无人机残骸的搜寻工作。考虑到装置的便携性，偏振成像的激光器选择半导体激光器，测距方法采用红外测距法。红外测距是一种以红外线作为传输介质的测量方法，具有其他测距方式没有的特点，技术难度相对不大，系统构成成本较低，装置体积小，性能良好，使用方便、简单，测量范围为中短距离，适用于无人机残骸的搜寻工作。本发明在复杂环境中搜寻无人机残骸时，能够获得更加清晰的成像效果，更好的识别目标，同时测量目标物体与测量点的距离，便于锁定搜寻范围。
2、本发明采用激光偏振成像技术，与红外测距技术相结合，相比于传统无人机搜寻手段，可以实现全天时工作，获取目标偏振度图像的同时能够测量目标物距离，具有在复杂环境与无自然光环境中准确识别无人机残骸并定位的功能。
3、本发明采用半导体激光器与红外发光二极管分别作为偏振成像光源与测距光源，成本低，总体结构体积小，方便组装，易于携带，且功耗小。
4、本发明将激光偏振成像技术与红外测距技术结合，偏振成像部分与红外测距部分相对独立，光路简洁不复杂，可以有效减小光学非线性误差，从而提高精度。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明系统工作示意图。
图3为本发明方法流程示意图。
图4为目标强度图像(左)与通过本发明获得的偏振度图像(右)的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，如图1和图2所示，包括成像子系统和测距子系统。
成像子系统包括激光扩束单元、偏振成像单元。
激光扩束单元的出射光作为目标物体的入射光，目标物体的反射光作为偏振成像单元的入射光，激光扩束单元的出射光为经过扩束处理的线性偏振光。激光扩束单元包括激光源和扩束器。激光源优选半导体激光器，用于出射线性偏振光。扩束器设于激光源与目标物之间，并对激光源出射的线性偏振光进行扩束处理。激光扩束单元出射偏振光光斑的大小与扩束器的扩束倍数成线性关系。
偏振成像单元包括偏振片、电机、CCD相机、上位机。通过偏振成像单元可以得到目标的偏振度图像。偏振片设于CCD相机与目标物之间。电机用于控制偏振片使其旋转改变偏振光的偏振方向。CCD相机获取不同偏振方向的目标偏振图像并发送给上位机。上位机接收CCD相机发送的不同偏振方向的目标偏振图像，经处理得到目标偏振度图像。
上述获得偏振度图像的方法包括以下步骤：
S1：通过旋转偏振片分别获得0°、60°、120°，3个偏振方向的目标偏振图像；
S2：偏振常用琼斯矩阵法、邦加球表示法、斯托克斯(Stokes)参量法等表示。采用斯托克斯参量法时，目标偏振态S可表示为
S＝[I Q U V]T
式中I为光强分量，Q和U为线偏振分量，V为圆偏振分量(自然条件下，V值较小，与实验过程中的误差相比可忽略不计，因此V取为零)
通过某光学元件后，偏振态的变化可用穆勒矩阵M表示为
式中S为出射偏振态，S0为入射偏振态。
对理想的线偏振器S可由偏振器件的M矩阵左乘S0得到，即
将V设为0，得到光强
然后通过测量3个不同角度下的光强值，如0°、60°、120°，分别得到I0°、I60°、I120°，代入上式得到
I0°＝1/2(I0+Q0)
经过计算便可得到其Stokes参量I0.Q0.U0的值
由Stokes参量I0.Q0.U0的值便可以计算偏振度P的值
根据上述公式，通过S1获取的3个偏振方向的目标偏振图像，计算便可求得目标的偏振度图像。通过观察偏振度图像，可以有效地在复杂环境中进行无人机残骸的搜寻。
测距子系统包括红外发射单元、红外接收单元、放大单元、上位机。红外发射单元为红外发光二极管，向目标物发射红外线。红外接收单元接收目标物反射回来的红外线回波，处理后发送给放大单元。放大单元对红外接收单元发出的信号放大处理，并传给上位机。上位机接收放大单元的数据并计算出目标物距离。
红外测距的工作过程为：锁定目标，红外发射单元向目标发射红外线信号，同时开始计时，由目标反射回来的红外线回波由红外接收单元接收，转变为脉冲信号，经过放大单元放大，送入上位机中并停止计时，得到红外线脉冲的飞行时间，经过上位机计算得到目标距离，测距公式为：
式中：L——待测距离；
C——光速；
t——飞行时间。
只要求出红外线脉冲在待测距离往返传输所需要的时间就可以通过上式求出目标距离。红外测距的原理与结构比较简单，功耗小，测量范围广，响应时间短，外形设计紧凑，易于安装，便于操作。在无人机残骸搜寻工作中，计算出目标物距离有助于目标的定位，节省搜寻工作的时间。
优选地，激光源、电机、红外发射单元由上位机控制工作。
一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻方法，包括：
获取目标偏振度图像：
激光源出射线性偏振光，并经过扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光；线性偏振光照射到目标物体之后得到的反射光经过旋转偏振片后得到不同偏振方向的偏振光；由CCD相机接收成像，CCD相机将得到的不同偏振方向的目标偏振图像上传到上位机中进行处理，得到目标偏振度图像；
获取目标物距离：
红外发射单元发出红外光线，到达待测目标物后反射回来，经红外接收单元接收、处理，由放大单元放大后到上位机中计算出目标物距离。
如图3所示，具体包括如下步骤：
步骤一：激光源出射线性偏振光，并经扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光；
步骤二：经过起始偏振方向为0°的偏振片，反射光由CCD相机接收成像，同时上位机发送脉冲信号给电机和红外发射单元，控制电机和红外发射单元工作；
步骤三：电机控制偏振片顺时针旋转60°后，CCD相机再次成像获得60°偏振方向的目标偏振图像；红外发射单元向目标物发射红外线信号，开始计时，从目标物反射回来的红外线回波由红外接收单元接收，转变为脉冲信号，经过放大单元放大，进入上位机，停止计时，得到红外线脉冲的飞行时间，经过上位机计算得到目标物距离；
步骤四：上位机再次发送脉冲信号给电机，控制电机工作，电机再次顺时针旋转60°，CCD相机成像获得120°偏振方向的目标偏振图像；
步骤五：上位机接收CCD相机上传的3幅不同偏振方向的偏振图像，通过计算获得目标偏振度图像，与步骤三中计算得到的目标物距离一同显示。
针对无自然光条件，搭建草地背景模拟环境，以碳纤维无人机翼作为成像目标，进行以上步骤一到五的实验，最终得到目标偏振度图像(图4右)，其与不加任何处理直接成像获得的目标强度图像(图4左)进行定量比较分析：利用Sobel算子对图像进行边缘检测，对检测出的边缘图像求和得到图像总边缘强度，以L表示。L值越大表示图像的边缘信息越丰富，具体结果如表1所示。
表1
| 草地背景 |
| 强度图像L值3418 |
| 偏振度图像L值8944 |
从表1可以看到，在草地背景下，偏振度图像的图像总边缘强度远大于强度图像，说明通过本发明获得的偏振度图像，具有更好的边缘特性，图像边缘强度增加明显，有利于在复杂环境中搜寻无人机残骸。
Claims (6)
1.一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，其特征在于，包括成像子系统和测距子系统，
成像子系统包括激光扩束单元、偏振成像单元，
激光扩束单元包括：
激光源，出射线性偏振光
扩束器，设于激光源与目标物之间，并对激光源出射的线性偏振光进行扩束处理
偏振成像单元包括：
偏振片，设于CCD相机与目标物之间
电机，用于控制偏振片使其旋转改变偏振光的偏振方向
CCD相机，获取不同偏振方向的目标偏振图像并发送给上位机
上位机，接收CCD相机发送的不同偏振方向的目标偏振图像，经处理得到目标偏振度图像；
测距子系统包括红外发射单元、红外接收单元、放大单元、上位机，
红外发射单元，向目标物发射红外线
红外接收单元，接收目标物反射回来的红外线回波，处理后发送给放大单元
放大单元，对红外接收单元发出的信号放大处理，并传给上位机
上位机，接收放大单元的数据并计算出目标物距离。
2.根据权利要求1所述的基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，其特征在于，激光源、电机、红外发射单元由上位机控制工作。
3.根据权利要求1或2所述的基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，其特征在于，激光源为半导体激光器。
4.根据权利要求1或2所述的基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻系统，其特征在于，红外发射单元为红外发光二极管。
5.一种基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻方法，其特征在于，包括：
获取目标偏振度图像：
激光源出射线性偏振光，并经扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光，反射光经过旋转偏振片后得到不同偏振方向的偏振光，由CCD相机接收成像，CCD相机将得到的不同偏振方向的目标偏振图像上传到上位机中进行处理，得到目标偏振度图像；
获取目标物距离：
红外发射单元发出红外光线，到达待测目标物后反射回来，经红外接收单元接收、处理，由放大单元放大后到上位机中计算出目标物距离。
6.根据权利要求5所述的基于偏振成像与红外测距的无人机残骸搜寻方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：激光源出射线性偏振光，并经扩束器扩束后照射到目标物上形成反射光；
步骤二：经过起始偏振方向为0°的偏振片，反射光由CCD相机接收成像，同时上位机发送脉冲信号给电机和红外发射单元，控制电机和红外发射单元工作；
步骤三：电机控制偏振片顺时针旋转60°后，CCD相机再次成像获得60°偏振方向的目标偏振图像；红外发射单元向目标物发射红外线信号，开始计时，从目标物反射回来的红外线回波由红外接收单元接收，转变为脉冲信号，经过放大单元放大，进入上位机，停止计时，得到红外线脉冲的飞行时间，经过上位机计算得到目标物距离；
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