CN110412751A - 基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统 - Google Patents

基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统 Download PDF

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刘佳维
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Abstract

本发明公开了一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统，其特征在于，包括：共心球透镜(10)和相机阵列(20)，且所述相机阵列(20)包括若干呈X行Y列排布的相机(201)，所有所述相机(201)以球面结构排布，其中，所述共心球透镜(10)，用于收集场景的红外辐射能量，形成一次曲像面；所述相机阵列(20)，用于分割所述一次曲像面，并对分割后的一次曲像面进行中继成像，并通过图像拼接处理获得全视场图像。本发明的红外成像系统有效地改进了凝视型红外成像告警设备在实现大视场广域目标搜索、小视场高精度目标识别与跟踪时结构的复杂性和成像质量差的缺点。

Description

基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统。
背景技术
随着红外成像告警设备的不断发展，人们对告警设备所具有的大视场广域目标搜索、小视场高精度目标识别与跟踪的多级侦测技术提出了更高的要求。
目前基于扫描式的红外成像告警设备得到了广泛应用，其能够在一定程度上实现物方目标的搜索和定位，但是目前扫描式的红外成像告警设备存在扫描机构比较复杂、视场扫描时间长和漏检概率大等缺陷，因此凝视型成像技术逐渐应用于红外成像告警设备中，为了弥补取消扫描机构所带来的大视场搜索难以实现的缺点，通常以全景鱼眼镜头成像的方式来实现大视场成像，变焦结构的应用也在一定程度上实现了大视场广域目标搜索和小视场目标精确识别一体化侦测的能力。
但是基于全景鱼眼镜头的凝视型成像方式依旧存在获取的图像几何畸变较大、像面照度不均匀、难以有效地实现大成像范围的高分辨率侦测的缺点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统，包括：共心球透镜和相机阵列，且所述相机阵列包括若干呈X行Y列排布的相机，所有所述相机以球面结构排布，其中，
所述共心球透镜，用于收集场景的红外辐射能量，形成一次曲像面；所述相机阵列，用于分割所述一次曲像面，并对分割后的一次曲像面进行中继成像，并通过图像拼接处理获得全视场图像。
在本发明的一个实施例中，所有所述相机均为变焦相机。
在本发明的一个实施例中，相邻两个所述相机的中心间距为：
其中，s为相邻两个所述相机的中心间距，B为短焦状态时相邻两个所述相机对应的物方视场中心之间的距离，l为所述相机到共心球透镜中心的距离，L为工作距离。
在本发明的一个实施例中，所述共心球透镜为四层共心球透镜。
在本发明的一个实施例中，所述四层共心球透镜的两个外层透镜的材料为CDSE，所述双层共心球透镜的两个内层透镜的材料为CSBR。
本发明的有益效果：
本发明的红外成像系统有效改进了凝视型红外成像告警设备在一体化实现大视场广域目标搜索、小视场高精度目标识别与跟踪时结构的复杂性和成像质量差的缺点。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于扫描式的红外成像告警设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于全景鱼眼镜头的凝视型成像设备的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统的具体应用场景示意图；
图5是本发明实施例提供的一种定焦相机阵列在长焦状态时相邻相机的重叠面积示意图；
图6是本发明实施例提供的一种定焦相机阵列在短焦状态时相邻相机的重叠面积示意图；
图7是本发明实施例提供的一种成像时物像方三角关系示意图；
图8是本发明实施例提供的一种长焦无视场信息缺失与短焦视场浪费最少情况的相邻相机物像方视场拼接示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种成像时物像方三角关系示意图；
图10是本发明实施例提供的一种共心球透镜的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种共心球透镜的像质评价MTF曲线图；
图12a是本发明实施例提供的一种焦距为68mm的光学结构图；
图12b是本发明实施例提供的一种焦距为100mm的光学结构图；
图12c是本发明实施例提供的一种焦距为136mm的光学结构图；
图13a是本发明实施例提供的一种焦距为68mm的像质评价MTF曲线图；
图13b是本发明实施例提供的一种焦距为100mm的像质评价MTF曲线图；
图13c是本发明实施例提供的一种焦距为136mm的像质评价MTF曲线图；
图14是本发明实施例提供的一种组分1、组分2和组分3拟合后的运动曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
目前基于扫描式的红外成像告警设备依然被广泛应用。如图1所示，扫描式的红外成像告警设备通常采用线阵或面阵红外探测器对物方空间进行扫描来实现大视场成像，当系统探测到目标时电信号处理模块便可对其进行定位，同时通过显示器对目标进行成像，该成像方式能够在一定程度上实现对物方目标的大范围搜索和定位，但是目前的扫描式的红外成像告警设备均存在扫描机构复杂、视场扫描时间长、漏检率大等不足，导致其实际应用受限。
如图2所示，针对扫描式的红外成像告警设备存在的上述问题发展而来的凝视型成像设备，通过全景鱼眼镜头成像的方式来实现大视场成像。这一方式取消了扫描机构，大幅简化了成像系统的结构，缩小了系统体积，且充分利用了探测器快速响应的特性，有效提高了场景态势感知的实时性，而变焦结构的应用也在一定程度上实现了大视场广域目标搜索、小视场高精度目标识别与跟踪的能力。但基于全景鱼眼镜头的多级侦测成像系统虽然可以实现较大的成像视场，但由于鱼眼镜头固有的成像缺点，即图像几何畸变较大、像面照度不均匀，导致成像的边缘视场相比中心视场成像质量差很多，在全视场下目标不具有一致的分辨率，会造成边缘视场的检测难度大于中心视场的情况，而且在小视场精确识别时，由于焦距变长、视场变小，导致仅有的中心视场范围的目标参与成像，若要对边缘视场的目标进行精确识别，则要有相应的转向装置旋转系统的方向使其对准目标，从而对其进行精确识别，所以基于全景鱼眼镜头的多级侦测成像系统存在很多缺陷。
针对上述凝视型红外成像系统的不足，本实施例提供了一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统，如图3所示，该红外成像系统包括共心球透镜10和相机阵列20，其中，相机阵列20包括若干相机201，相机阵列20所包含的所有相机201按照X行Y列的方式进行排布，X和Y均为大于零的整数，且这些相机201排布形成一个球面结构，与共心球透镜10共心，其中，共心球透镜10，用于收集场景的红外辐射能量，形成一次曲像面，相机阵列20，用于分割所述一次曲像面，并对分割后的一次曲像面进行中继成像，并通过图像拼接处理获得全视场图像。
本实施例所提供的红外成像系统充分利用了共心球透镜视场大、光能收集能力强、轴外像差小、全视场成像质量一致性好等特点，采用大尺度多层共心球透镜为主物镜，多个相机组成的相机阵列为次级成像系统的多尺度成像结构，在对物方场景进行高精度无畸变成像的同时对场景进行分区域管理及多级侦测，实现了大视场广域目标搜索、小视场高精度目标识别与跟踪等一体化侦测需求。
在一个具体实施例中，本实施例的所有相机201均为可以连续变焦的相机。如图4所示，该红外成像系统以共心球透镜10作为光能收集系统接受目标场景的光场信息，可以解决传统大视场成像系统像面边缘照度降低的问题。此外，因为共心球透镜10具有旋转对称的特点，没有传统意义上的主光轴，因此在大视场成像时能够有效减小成像系统中与视场相关的像差，并且在全视场具有一致的空间分辨率。共心球透镜10将红外场景成像于与其自身共心的一次曲像面上，次级相机阵列20作为二次成像系统分布排列于一次曲像面附近，可进一步校正共心球透镜10的残留像差，并利用其所具有的中继转换能力将主物镜所成的像转接到二次像面，使相机阵列20的若干子像面之间存在视场重叠，通过子像面拼接处理获取完整的红外目标场景信息，最终实现大视场高分辨率小畸变成像。同时次级相机阵列20兼具连续变焦的功能，能够使监视画面维持稳定并清晰成像，且在对目标进行探测、识别与跟踪等不同侦测需求下进行成像视场切换时不丢失目标。
本实施例的每个相机201均为一个独立的可变焦相机，变焦相机通过电机调节凸轮机构来改变红外成像系统的组合焦距从而实现连续变焦功能，使红外成像系统在对可疑目标进行多级侦测时保持像面的稳定性。如图4所示，本实施例的红外成像系统具有分区域管理的特点，在对目标进行广域搜索探测时，红外成像系统工作在短焦模式，各个独立的相机201转接一次曲像面并使其子图像存在重叠，以便拼接实现大视场成像效果。又由于每个独立的相机201分管部分视场，故当红外成像系统探测到敏感目标时，调节特定象限区域所对应的相机201焦距，实现长焦小视场成像，从而分辨目标的细节信息，实现对敏感目标的精确识别，与此同时，其余相机201依然维持广域监视功能，不参与变焦识别的工作。
因为相机阵列20的排布方式与红外成像系统的焦距以及相机阵列20到共心球透镜10中心的距离都存在一定的关系，因为相机阵列20中的相机201均为可变焦相机，若仍采用定焦相机阵列的拼接方式可能会造成视场信息的冗余或者缺失。例如：如图5所示，若按照传统定焦相机阵列拼接的计算方法，并且采用长焦状态时对应的红外成像系统的参数来计算相机阵列排布的情况，此时长焦状态时的各相邻相机视场之间存在重叠，当焦距变小，此时单个相机的视场变大，相邻相机的物方视场重叠面积更大，在实现大视场成像时需对每个小相机所成的图像进行拼接处理，这时会造成大量像元的浪费；如图6所示，当采用短焦状态时红外成像系统的参数来计算相机阵列排布的情况下，此时短焦状态的各相邻小相机视场之间存在重叠，当焦距变大，此时单个小相机视场变小，在长焦状态时会造成视场信息的缺失。
为了使焦距变换时视场无大量浪费及缺失，本实施例提供了一种适用于相机阵列变焦的视场拼接方式，能够在满足视场无缺失的情况下，使得视场浪费最少。在对场景进行大视场成像时，系统工作在短焦状态，需要对相机阵列20中的相邻相机201进行视场拼接处理以获得大视场成像；当需要对目标进行精确识别时，只需对相机阵列20中的特定相机201执行焦距变换，其余相机201始终维持大视场监测状态，因此长焦时不需考虑正在进行长焦工作的相机201与其余相机201的视场拼接问题，故只需考虑长焦时不存在视场缺失，因此进行如下拼接计算步骤：
(1)考虑长焦时视场无盲区，短焦时视场拼接无像元大量浪费，因此需首先算出长焦f1和短焦f2在物方所对应的视场大小。
如图7所示，根据成像时物方和像方之间的三角关系可以得到：
其中，a为探测器靶面的尺寸，A为探测器靶面尺寸所对应的物方视场大小，L为工作距离，f为焦距。
由此可得长焦状态时对应的物方视场A1和短焦状态时对应的物方视场A2，其中，长焦状态时对应的物方视场A1：
短焦状态时对应的物方视场A2：
其中，f1为长焦状态时对应的焦距，f2为短焦状态时对应的焦距。
(2)短焦时相邻视场重叠需保证长焦视场无盲区，因此短焦时物方的视场重叠率P为：
其中，P为短焦时物方的视场重叠率。
(3)如图8所示，在满足长焦无视场信息缺失且短焦视场浪费最少情况时，在短焦状态时的相邻相机201的物方视场中心之间的距离B为：
B＝P×A2+A1
根据图9所示的三角关系可以得到：
其中，l为相机201到中心球透镜10中心O的距离，s为相邻两个相机201的中心间距。
由此可以求得两个相机201的中心间距s为：
为了更好的说明本实施例所提供的红外成像系统，本实施例以相机阵列20的具体排布方式进行说明：
已知所用探测器TAU2-640尺寸参数为：像元尺寸为17μm×17μm，靶面尺寸为640×512(即10.88mm×8.704mm)，光学系统相关参数：长焦f1＝136mm，短焦f2＝68mm，在短焦状态时相机201到共心球透镜10中心O的距离l为486.293mm，工作距离L＝5km。
(1)计算相机阵列20中的相机的横向排布：
长焦状态时对应的物方视场A1为：
短焦状态时对应的物方视场A2为：
因此，在短焦状态时的相邻相机201的物方视场中心之间的距离B为：
相邻两个相机201的中心间距s为：
因此，横向排列的相邻两个相机201的中心间距s大于相机201的口径46.2mm，横向排列的相邻相机之间不会相撞。
(2)计算相机阵列20中的相机的纵向排布：
长焦状态时对应的物方视场A1为：
短焦状态时对应的物方视场A2为：
因此，在短焦状态时的相邻相机201的物方视场中心之间的距离B为：
相邻两个相机201的中心间距s为：
因此，纵向排列的相邻两个相机201的中心间距s大于相机201的口径46.2mm，纵向排列的相邻相机之间不会相撞。
因此，相机阵列20中的相机201以四边形排列的方式分布在与共心球透镜10共心的球壳上，该球壳半径R为长焦时小相机阵列第一面到球透镜中心的距离：R＝360.631mm，则横向排列的相邻两个相机201的中心间距为58.36mm，纵向排列的相邻两个相机201的中心间距为46.68mm。
本实施例的共心球透镜10采用由四层球透镜组成的共心结构，共心球透镜10的旋转对称性结构设计可以实现180°内的大视场成像，四层球透镜的曲面共用一个中心，该四层球透镜由两个外层透镜和两个内层透镜组成，例如两个外层透镜的材料为CDSE(硒化镉)，两个内层透镜的材料为CSBR(溴化铯)，该设计方式可以达到消除球差及色差的效果，有效提高成像分辨率。
为了更好的说明本实施例所提供的红外成像系统，本实施例将以具有具体参数的红外成像系统进行举例说明。
例如，本实施例的红外成像系统使用6×4个相机组成的相机阵列，探测器选用640×512凝视型非制冷焦平面阵列探测器，探测器的型号为TAU2-640，像元尺寸为17μm×17μm，工作波段为7.5μm～13.5μm，探测器有效光敏面对角线长度为14mm。短焦时单个相机的有效视场为10°，长焦时单个相机的有效视场为5.9°(理论上共心球透镜视场可达180°)。共心球透镜结构旋转对称无固定光轴，故只需设计中心视场的光学结构。系统设计指标如表1所示。本专利对于光学系统的设计与优化均在ZEMAX光学设计软件上实现。
表1光学系统设计参数
(1)主物镜(共心球透镜)的设计
共心球透镜10的结构不仅可以实现大视场，且在全视场条件下具有一致的分辨率和成像质量，而且其一次曲像面为与共心球透镜10共心的曲像面。
如图10和图11所示，该共心球透镜10在截止频率29lp/mm处，其全视场范围的MTF值达0.2以上，且MTF曲线趋势一致，均接近衍射极限，说明各视场的成像质量一致性好。由此可知，本实施例的共心球透镜光学结构简单，能够减小与视场相关的像差，成像质量良好。表2为优化后的共心球透镜10的结构参数表。
表2共心球透镜10的结构参数表
(2)相机阵列20的设计及整体系统优化
对于相机阵列20，考虑到共心球透镜10成像的一次像面为曲面，可相机阵列20排列分布在共心球透镜的一次曲像面附近。共心球透镜10将红外场景成像于与其自身共心的一次曲像面上，相机阵列20作为中继成像系统转接一次曲像面并形成若干个视场存在重叠的子图像，通过将相机阵列20的子图像进行拼接从而实现大视场高分辨率无畸变成像。共心球透镜20的结构对称且无固定光轴，每个相机阵列20都可看作与共心光学主物镜系统共轴成像，因此相机阵列20可采取相同的光学结构，故只需设计中心视场的次级成像系统即可，这种结构可大大简化设计过程。此外优化后的共心球透镜20仍存在部分残留像差，因此相机阵列20需矫正自身像差及共心球透镜20所产生的残余像差，同时相机阵列20采用变焦设计实现视场缩放的功能。
例如，本实施例利用ZEMAX光学设计软件对红外成像系统在三个不同的焦距值下进行设计与优化，优化后的系统结构参数如表3所示，并结合图、图12a-12c和图13a-13c可以看出，在变焦范围内红外成像系统在整个视场的传递函数曲线趋势一致且均接近衍射极限，在焦距为68mm、焦距为100mm处对应的红外成像系统在截止频率29lp/mm处的MTF值可达0.3，在焦距为138mm处，边缘视场存在一定像差，但MTF值依然在0.18以上，且传递函数曲线平直，说明在边缘视场和中间视场的成像质量保持了较好的一致性。
表3优化后的结构参数
(3)变焦凸轮的曲线拟合
本实施例的红外成像系统采用全动型变焦方式，如图12a-12c所示，包含有三组运动组份。对这三种运动组分的运动曲线进行拟合，结果如图14所示，通过图14可以看出拟合后的运动曲线较平滑无拐点，有利于变焦凸轮的实现，使在变焦过程中像面保持稳定。
本实施例的红外成像系统针对目前凝视型红外成像告警系统在大视场成像时存在几何畸变大、像面照度不均匀等不足，以及须进一步满足大视场搜索、小视场识别与跟踪多级侦测一体化的需求，设计了一款基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统，该系统工作在短焦时可实现大视场范围的全面搜索，当搜索到可疑目标时，可通过调节管控该监测区域的相机焦距来获得目标的细节信息，同时其余相机仍保持监测状态，从而实现成像场景分区域管理的功能。同时该系统可在68～136mm范围内实现平滑连续变焦，设计结果表明基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统结构简单，成像效果良好，可一体化实现大视场探测与小视场识别与跟踪的多级侦测的功能。由于共心球透镜的理论视场可达近180°，在此基础上可根据需要添加更多次级相机进行视场拼接以实现大视场成像，具有很高的工程应用价值。
本实施例采用共心球透镜作为主物镜，可以有效收集物方场景的光场信息，同时根据对共心球透镜的设计优化可以看出其不仅视场大，而且在全视场内的像差具有一致性，成像像质优良的特点，同时对于球透镜固有的场曲，通过在其一次曲像面附近排布小相机阵列来进行矫正。
本实施例的红外成像系统以共心球透镜作为主物镜，由于该主物镜的结构具有旋转对称性，并且其全视场成像具有一致性，一次成像像质优良，故次级相机阵列可采取相同的结构，减轻了设计以及加工上的工作，从而使得本实施例的红外成像系统结构简单。
本实施例的红外成像系统通过相机阵列将大视场分为多个小视场，同时每一个相机都采用变焦的形式，可以实现对于大范围成像场景的分区域管理：短焦时，通过对各个相机的子场景进行视场拼接可以实现大视场监测；当探测到感兴趣的目标时，可以通过调节子视场对应的相机的焦距至长焦，从而对目标进行精准识别，同时其余相机依然保持监测状态。
本实施例的红外成像系统通过变焦的方式，实现了大视场探测与、小视场识别与跟踪多级侦测的一体化，同时相比传统采用鱼眼镜头实现变焦的方式，成像的质量得到了提高。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统，其特征在于，包括：共心球透镜(10)和相机阵列(20)，且所述相机阵列(20)包括若干呈X行Y列排布的相机(201)，所有所述相机(201)以球面结构排布，其中，
所述共心球透镜(10)，用于收集场景的红外辐射能量，形成一次曲像面；
所述相机阵列(20)，用于分割所述一次曲像面，并对分割后的一次曲像面进行中继成像，并通过图像拼接处理获得全视场图像。
2.根据权利要求1所述的红外成像系统，其特征在于，所有所述相机(201)均为变焦相机。
3.根据权利要求2所述的红外成像系统，其特征在于，相邻两个所述相机(201)的中心间距为：
其中，s为相邻两个所述相机(201)的中心间距，B为短焦状态时相邻两个所述相机(201)对应的物方视场中心之间的距离，l为所述相机(201)到共心球透镜(10)中心的距离，L为工作距离。
4.根据权利要求1所述的红外成像系统，其特征在于，所述共心球透镜(10)为四层共心球透镜。
5.根据权利要求4所述的红外成像系统，其特征在于，所述四层共心球透镜的两个外层透镜的材料为CDSE，所述双层共心球透镜的两个内层透镜的材料为CSBR。
CN201910522834.1A 2019-06-17 2019-06-17 基于球透镜的大视场分区域多级侦测红外成像系统 Pending CN110412751A (zh)

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