CN110187497A - 基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置及方法，包括方位扫描单元、高低扫描单元、同步控制电路和光电成像传感器，同步控制电路控制方位传动机构和高低传动机构按照设定的时序转动，外部场景的物空间信息依次经过方位扫描反射镜和高低扫描反射镜两次反射后成像至光电成像传感器的光敏面上。本发明采用垂直设置的高低扫描反射镜和方位扫描反射镜在同步电路控制下对外部场景的成像体进行全方位大角度扫描，并同步控制光电成像探测器的曝光时刻，高低和方位每步进扫描一个角度，光电探测器曝光设定的积分时间，从而确保了全方位、大视野的高清晰成像。
Description
技术领域
本发明属于视频监控应用领域，涉及一种基于双反射镜和光电成像探测器实现大范围全景扫描成像的装置和方法。
背景技术
在视频监控告警应用领域，需要对大地域或大空域范围实施图像监控，这类应用对监控传感器监控范围、分辨能力、灵敏度以及报警反应时间等技术指标均有很高要求。更大的观测范围和更高的分辨率是光电成像传感器追求的主要性能指标，这两个指标是互为约束的，在系统设计中必须采取折中，比如长焦距系统虽然探测距离够远、分辨率够高，但是观测范围很小。安防、警戒、监控应用是大观测范围高分辨率光电成像系统的主要应用方向。
目前的监控系统将光电成像传感器安装在电控云台上实现大角度范围探测。云台应用最大的不足是其运动过程会造成图像拖尾混叠，导致系统探测能力下降。图像混叠的根本原因是由于光电探测器曝光期间云台转动导致了景物的角位移。获得清晰图像的根本方法是保证在光电探测器曝光成像期间暂停云台转动。然而，安装光电传感器的云台具有较大的质量，整体步进运动速度低下、功耗大且步进冲击会导致云台寿命及可靠性降低。
目前，在扫描过程中实现短暂凝视的方法有反向扫描补偿法和光学多通道法。反向扫描补偿法在传感器(摄像机)光学系统中设置惯量极小的扫描反射镜，该反射镜可以在探测器积分时间内反向于摄像机的扫描方向运动，以补偿扫描运动，使探测器获得凝视场景；在探测器消隐期，反射镜复位，为下一幅图像曝光做好反向补偿准备。这种方式的特点是补偿速度快，扫描同步精度要求高，技术难度大。光学多通道法采用多个不同指向的光学通道，通过光路切换顺序完成不同方向场景在探测器的成像。特点是体积大、不适于长焦距远距离探测系统应用。
此外，传统的摄像机在步进电机驱动下走一步停一步进行步进扫描，原理上可以完成大范围扫描成像，但是由于较大的传感器质量导致扫描速度慢，特别是在摄像机光学系统焦距增加(光学镜头质量增加)到一定程度时，连续的步进冲击会导致系统功耗激增、可靠性骤降，影响到工程应用可行性。
申请号为201711267102.X的中国专利“一种采用光电探测器阵列实现大范围扫描成像的装置及方法”公开了一种基于单反射镜进行扫描成像的系统，反射镜和成像探测器分别设置在不同的转轴上，而且对转轴的精度和同步性要求较高，限制了其大规模推广应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种双反射镜及成像探测器实现大范围扫描成像的装置和方法，实现了大角度范围的全景视野成像，由于转动的是轻质量部件，可实现较高的步进扫描速度以及保持高稳定性。
本发明的技术方案如下：
基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：包括方位扫描单元、高低扫描单元、同步控制电路和光电成像传感器，方位扫描单元包括方位扫描反射镜和驱动方位扫描反射镜转动的方位传动机构，高低扫描单元包括高低扫描反射镜和驱动高低扫描反射镜转动的高低传动机构，同步控制电路控制方位传动机构和高低传动机构按照设定的时序转动，外部场景的物空间信息依次经过方位扫描反射镜和高低扫描反射镜两次反射后成像至光电成像传感器的光敏面上。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，方位扫描反射镜和高低扫描反射镜的光轴夹角为90°。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，方位传动机构为步进电机。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，方位扫描反射镜与步进电机轴紧固安装，其镜面与电机轴平行。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，高低传动机构为步进电机。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，高低扫描反射镜与步进电机轴紧固安装，其镜面与电机轴平行。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，光电成像传感器为面阵CCD。
上述基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置中，光电成像传感器前设置有成像镜头。
基于双反射镜的大角度范围扫描成像方法，其特征在于，按照以下步骤进行扫描成像：
【1】高低扫描反射镜静止在高低位置的起点，方位扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于终点位置；
【2】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【3】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于起点位置；
【4】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜在步骤【2】角度基础上正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【5】重复步骤【1】-【4】，直到高低扫描反射镜完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜处于终点位置；
【6】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于终点位置；
【7】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜从步骤【5】结束后的终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【8】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到完成设定方位角的全部扫描；
【9】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜在步骤【7】角度的基础上反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，
【10】重复步骤【6】-【9】，直到高低扫描反射镜完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜处于起点位置；
【11】重复步骤【1】-【10】，进行下一个周期扫描。
本发明具有的有益技术效果如下：
一、本发明采用垂直设置的高低扫描反射镜和方位扫描反射镜在同步电路控制下对外部场景的成像体进行全方位大角度扫描，并同步控制光电成像探测器的曝光时刻，高低和方位每步进扫描一个角度，光电探测器曝光设定的积分时间，从而确保了全方位、大视野的高清晰成像。
二、本发明的高低扫描反射镜和方位扫描反射镜均为轻质构件，而质量较重的成像镜头和CCD不参与运动，故可实现快速步进扫描，且保持较高的系统稳定性，同时光电成像传感器无运动，不会降低其使用寿命，工程实现可靠。
附图说明
图1为本发明扫描成像装置的组成原理示意图；
图2为本发明的同步信号时序图。
附图标记为：1-方位扫描单元；2-高低扫描单元；3-光电成像传感器；4-同步控制电路；5-外部场景；6-视频同步脉冲序列；7-方位扫描脉冲序列；8-高低扫描脉冲序列；9-方位电机正反转控制时序；10-光电成像传感器图像采集时序；11-方位扫描反射镜；12-方位传动机构；21-高低扫描反射镜；22-高低传动机构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的大范围扫描成像的装置包括方位扫描单元1、高低扫描单元2、同步控制电路4和光电成像传感器3，方位扫描单元1包括方位扫描反射镜11和驱动方位扫描反射镜11转动的方位传动机构12，实现水平方向的360°扫描；高低扫描单元2包括高低扫描反射镜21和驱动高低扫描反射镜21转动的高低传动机构22，实现垂直方向的360°扫描；方位扫描反射镜11和高低扫描反射镜21的光轴夹角优选为90°，这样可实现全景视场的扫描。
同步控制电路4控制方位传动机构12和高低传动机构22按照设定的时序转动，进而带动方位扫描反射镜11和高低扫描反射镜21对外部场景5进行方位和高低扫描并成像至光电成像传感器3上，光电成像传感器3前设置有成像镜头；外部场景5的物空间信息依次经过方位扫描反射镜11和高低扫描反射镜21两次反射后成像至光电成像传感器3的光敏面上，并记录存储图像信息。
光电成像传感器3优选采用面阵CCD，可在较短的探测时间内实现高帧频的成像。方位传动机构12和高低传动机构22可选用步进电机或带有减速机构的步进电机，方位扫描反射镜11和高低扫描反射镜21分别与对应的步进电机轴紧固安装，且镜面与电机轴平行，方位扫描电机轴与高低扫描电机则在空间上相互垂直，确保实现全景扫描。
图2给出了本发明的同步信号时序图，6为同步控制电路4输出的视频同步脉冲序列，为40ms的周期。7为方位扫描脉冲序列，每个序列包含m个脉冲组，每组又包含n个步进电机驱动脉冲，步进电机单次步距角为θ，正转完成m×n×θ角度范围的扫描，m幅图像，反转扫描范围也相同；8为高低扫描脉冲序列，正转时包含1个脉冲组，每组p个脉冲，步进电机单次步距角为α，正转完成p×α角度范围的扫描，反转扫描范围相同；9为方位电机正反转控制时序，高低电平分别控制电机正反转，实现方位角度对应区域的往复扫描；同样原理，当高低扫描步进电机完成全部角度的步进扫描后，再反转实现高低角度对应区域的重复扫描，此部分的正反转控制时序省略；10为光电成像传感器图像采集时序，在高电平期间进行图像采集，而步进电机转动时均处在低电平时刻，确保不会出现CCD积分时反射镜正处在转动过程，从而避免成像混叠，保证图像的清晰度。以上脉冲序列均由STM32系列的单片机中的DA输出端同步输出至步进电机控制信号输入端，根据上述的时序控制要求控制两个反射镜正反转及光电成像传感器的信号采集。
图2中可以看出，本发明的方位传动机构12、高低传动机构22以及光电成像传感器3在同步控制电路4周期性时序控制下按照以下的方式同步工作：
(一)方位传动机构12在设定的方位角范围内做周期性正、反向往复转动，转动为等转角步进方式，正反向步进次数相等；
(二)高低传动机构22在设定的高低角范围内做周期性正、反向往复转动，正、反向转动时间相等；转动为等转角步进方式，正、反转动步进次数相等；
(三)在方位传动机构12完成一个周期的往复运动中高低传动机构2步进一次，该步进运动发生于方位传动机构12正反向调转期间；
(四)光电成像传感器3驱动时序与方位传动机构12的步进控制时序同步，光电成像传感器3曝光时间处于方位传动机构12步进周期的停止期间，保证面阵列光电成像传感器获得凝视图像，提高清晰度。
具体实施中，本发明的基于双反射镜的大角度范围扫描成像方法按照以下步骤进行扫描成像：
【1】高低扫描反射镜静止在高低位置的起点，方位扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于终点位置；
【2】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【3】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于起点位置；
【4】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜在步骤【2】角度基础上正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【5】重复步骤【1】-【4】，直到高低扫描反射镜完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜处于终点位置；
【6】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到方位扫描反射镜完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜处于终点位置；
【7】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜从步骤【5】结束后的终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像；
【8】在高低扫描反射镜静止的情况下，方位扫描反射镜从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，直到完成设定方位角的全部扫描；
【9】在方位扫描反射镜静止的情况下，高低扫描反射镜在步骤【7】角度的基础上反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器进行一次成像，
【10】重复步骤【6】-【9】，直到高低扫描反射镜完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜处于起点位置；
【11】重复步骤【1】-【10】，进行下一个周期扫描。
本发明的技术原理和特使是：外部场景5的光辐射信号先后经方位扫描反射镜11、高低扫描反射镜21两次反射后进入光电成像传感器3成像，两组反射镜和光电成像传感器3在同步控制电路控制下同步工作，使得光电成像传感器曝光时间处于方位传动机构步进周期的停止期间，进而使光电成像传感器3分时获得大角度范围的空间连续的清晰凝视场景图像序列。
本发明的扫描成像装置整体可以在任意姿态工作，特别是可以旋转90°工作，此时其方位、高低方向的定义互换。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的变化形式，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：包括方位扫描单元(1)、高低扫描单元(2)、同步控制电路(4)和光电成像传感器(3)，方位扫描单元(1)包括方位扫描反射镜(11)和驱动方位扫描反射镜(11)转动的方位传动机构(12)，高低扫描单元(2)包括高低扫描反射镜(21)和驱动高低扫描反射镜(21)转动的高低传动机构(22)，同步控制电路(4)控制方位传动机构(12)和高低传动机构(22)按照设定的时序转动，外部场景(5)的物空间信息依次经过方位扫描反射镜(11)和高低扫描反射镜(21)两次反射后成像至光电成像传感器(3)的光敏面上。
2.根据权利要求1所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：方位扫描反射镜(11)和高低扫描反射镜(21)的光轴夹角为90°。
3.根据权利要求1所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：方位传动机构(12)为步进电机。
4.根据权利要求3所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：方位扫描反射镜(11)与步进电机轴紧固安装，其镜面与电机轴平行。
5.根据权利要求1所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：高低传动机构(22)为步进电机。
6.根据权利要求5所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：高低扫描反射镜(21)与步进电机轴紧固安装，其镜面与电机轴平行。
7.根据权利要求1所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：光电成像传感器(3)为面阵CCD。
8.根据权利要求1所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置，其特征在于：光电成像传感器(3)前设置有成像镜头。
9.根据权利要求1-8任意之一所述的基于双反射镜的大角度范围扫描成像装置进行扫描成像的方法，其特征在于，按照以下步骤进行扫描成像：
【1】高低扫描反射镜(21)静止在高低位置的起点，方位扫描反射镜(11)从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像，直到方位扫描反射镜(11)完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜(11)处于终点位置；
【2】在方位扫描反射镜(11)静止的情况下，高低扫描反射镜(21)从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像；
【3】在高低扫描反射镜(21)静止的情况下，方位扫描反射镜(11)从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像，直到方位扫描反射镜(11)完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜(11)处于起点位置；
【4】在方位扫描反射镜(11)静止的情况下，高低扫描反射镜(21)在步骤【2】角度基础上正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像；
【5】重复步骤【1】-【4】，直到高低扫描反射镜(21)完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜(21)处于终点位置；
【6】在高低扫描反射镜(21)静止的情况下，方位扫描反射镜(11)从起点位置开始正转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像，直到方位扫描反射镜(11)完成设定方位角的全部扫描，且方位扫描反射镜(11)处于终点位置；
【7】在方位扫描反射镜(11)静止的情况下，高低扫描反射镜(21)从步骤【5】结束后的终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像；
【8】在高低扫描反射镜(21)静止的情况下，方位扫描反射镜(11)从终点位置开始反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像，直到完成设定方位角的全部扫描；
【9】在方位扫描反射镜(11)静止的情况下，高低扫描反射镜(21)在步骤【7】角度的基础上反转，每转动一个设定的角度后，光电成像传感器(3)进行一次成像，
【10】重复步骤【6】-【9】，直到高低扫描反射镜(21)完成设定高低角的全部扫描，且高低扫描反射镜(21)处于起点位置；
【11】重复步骤【1】-【10】，进行下一个周期扫描。
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