CN110595624B - 一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，属于光电探测和图像处理技术领域。本发明包括探测成像模块、系统供电电源板、FPGA信号处理板、PC机处理显示模块。探测成像模块包括四个单孔径探测成像子模块，每个单孔径探测成像子模块包括光学镜头、探测器及探测器驱动电路板。本发明通过“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局，构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，并利用“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统实现仿生全偏振热成像或双色热成像，提高光学系统的灵敏度，增强复杂背景下运动目标的探测与识别能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔径视场部分重叠仿生热成像系统，尤其涉及一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，属于光电探测和图像处理技术领域。
背景技术
红外热成像是当前国内外武器装备发展的重点技术之一，在现代战场侦察、观瞄、精确制导以及反拦截导弹的探测等武器装备发展中占有重要的地位。红外焦平面探测器阵列(InfraRed Focal Plane Array,IRFPA)相对硅基可见光CCD/CMOS探测器规模小得多，使得红外成像系统在满足作用距离时往往难以兼顾成像视场要求。新的成像模式和数字图像处理技术成为当前提高热成像系统性能的主要方向。
多孔径视场部分重叠热成像技术是近年来迅速发展的新型仿生热成像技术，2018年我们提出了三种“田”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像方法与装置(已获国家发明专利授权)，其利用子孔径视场部分重叠通过图像配准与拼接算法构成大视场成像，子孔径视场间重叠区域通过亚像素微位移和超分辨算法获得高分辨图像，构成类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减大视场与高分辨率的矛盾。此外，通过加装偏振片或更换中波和长波红外焦平面探测器，可以构成多孔径仿生全偏振热成像或双色热成像，利用多个子孔径视场构成多目立体视觉，实现目标空间定位以及运动物体的探测与识别。这种仿生热成像模式将成像区域划分为3类9个子区域，表现出独特的成像性能。
实际上，上述子孔径探测器的布局模式并不唯一，不同子孔径探测器的数目及其布局模式都会对最终的仿生热成像效果产生不同的影响。新的子孔径布局模式是人们研究的重要方向之一。
发明内容
本发明公开的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统要解决的技术问题为：通过“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局，构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，并利用“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统实现仿生全偏振热成像或双色热成像，提高光学系统的灵敏度，增强复杂背景下运动目标的探测与识别能力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，包括探测成像模块、系统供电电源板、FPGA信号处理板、PC机处理显示模块。探测成像模块用于采集外界信号，并将外界信号送到FPGA信号处理板进行信号的处理。系统供电电源板用于提供仿生热成像系统需要的各类供电电源。FPGA信号处理板提供探测成像模块正常工作时需要的时钟信号，并将探测成像模块输出的数字信号进行信号预处理。PC机处理显示模块用于接收FPGA信号处理板预处理后的信号，并进行图像的配准、拼接以及超分辨处理，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。所述探测成像模块包括四个单孔径探测成像子模块，每个单孔径探测成像子模块包括光学镜头、探测器及探测器驱动电路板。四个单孔径探测成像子模块呈“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局，即：每个单孔径探测成像子模块视轴相互倾斜，使上、下单孔径探测成像子模块的视场具有30％～70％的视场重叠率，使左、右单孔径探测成像子模块的视场具有30％～70％的视场重叠率；此外，使上单孔径探测成像子模块分别与相邻的左、右单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率，使下单孔径探测成像子模块分别与相邻的左、右单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率；同理，使左单孔径探测成像子模块分别与相邻的上、下单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率，使右单孔径探测成像子模块分别与相邻的上、下单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率。探测成像模块通过“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局增大拼接总视场，且视场中心向外从4孔径重叠逐渐过渡到3、2和1孔径重叠，构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
作为优选，根据实际使用需求，通过调节四个单孔径探测成像子模块视轴倾斜角度实现四个单孔径探测成像子模块之间视场重叠率变化，进而改变多孔径仿生复眼成像效果。
作为优选，在每个单孔径探测成像子模块上安装具有固定偏振角的偏振片实现偏振热成像，扩大所述“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的适用范围。偏振热成像能够避免大气气溶胶对所述“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的影响，得到与目标的本征特征相关的偏振度差异，从而把目标的本质差异强化出来，提取出常规热成像方法不易获得的信息，进而抑制背景噪声、提高探测距离、获取细节特征。作为进一步优选，为获得完整的场景偏振信息，选择3个偏振方向相差60°的偏振片或者是4个偏振方向相差45°的偏振片。考虑到系统的结构特点，在三个孔径上安装偏振方向相差60°的偏振片，另一个孔径上不安装偏振片来进行偏振热成像，提取目标场景的偏振度和偏振角信息。
作为优选，在每个单孔径探测成像子模块上安装不同波段的窄带滤光片实现多光谱成像，即选择4个波段分别为8～10、10～11、11～12、12～14um的窄带滤光片实现多光谱成像，进行目标的光谱特性分析，通过光谱特性分析实现对探测目标的准确识别。
本发明公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统应用领域，包括无人机紧急避障成像传感器系统、新型反坦克导弹、新型拦截导弹和制导炮弹领域，在所述应用领域构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
有益效果：
1、本发明公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，所述探测成像模块包括四个单孔径探测成像子模块，四个单孔径探测成像子模块呈“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局，通过“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局增大拼接总视场，且视场中心向外从4孔径重叠逐渐过渡到3、2和1孔径重叠，构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
2、本发明公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，根据实际使用需求，通过调节四个单孔径探测成像子模块视轴倾斜角度实现四个单孔径探测成像子模块之间视场重叠率变化，进而改变多孔径仿生复眼成像效果。
3、本发明公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，通过结合实验及理论分析，使上下或左右两个单孔径探测成像子模块的视场分别具有50％的视场重叠率，且上(或下)与左右单孔径探测成像子模块分别具有56.25％的视场重叠率时，能够形成“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像模式，其拼接总视场较单孔径增加1倍，视场中心向外从4孔径重叠逐渐过渡到3、2和1孔径重叠，成像效果好且便于图像的配准、拼接以及超分辨处理。
4、本发明公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统应用领域，包括无人机紧急避障成像传感器系统、新型反坦克导弹、新型拦截导弹和制导炮弹领域，在所述应用领域构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
附图说明
图1为本发明的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统示意图。
图2为本发明的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的探测成像模块的局部放大图。
图3为本发明的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像SOLIDWORKS布局模式示意图。
图4为本发明的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统视场重叠示意图。
其中：1-探测成像模块、2-系统供电电源板、3-FPGA信号处理板、4-PC机处理显示模块；1.1-光学镜头、1.2-固定平台、1.3-探测器、1.4-探测器驱动电路板。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，为本实施例公开的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统示意图，所述成像系统包括探测成像模块1、系统供电电源板2、FPGA信号处理板3、PC机处理显示模块4；系统供电电源板2提供“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统需要的各类供电电源，FPGA信号处理板3提供探测成像模块1正常工作时需要的时钟信号。探测成像模块1采集外界信号，并将外界信号送到FPGA信号处理板3进行信号预处理，预处理后的信号发送到PC机处理显示模块4，进行图像的配准、拼接以及超分辨处理，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
如图2所示，为本实施例的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的探测成像模块1的局部放大图。探测成像模块1包括四个单孔径探测成像子模块，每个单孔径探测成像子模块包括光学镜头1.1、探测器1.3及探测器驱动电路板1.4。其中，光学镜头1.1为宁波舜宇红外技术有限公司提供的焦距为3.1mm，F数为1的M10镜头，成像视场角为50.8°(H)×50.8°(V)；探测器1.3选择的是ULIS提供的Micro80GEN2长波红外图像传感器，其像元数为80×80，像元间距为34um，帧频高达50Hz，响应波段为8～14um，NETD小于100mK，通过IIC进行数据通信，通过标准HSYNC/VSYNC传输数字视频，输出的信号为14位的数字信号，FPGA信号处理板3将其通过CameraLink传输到PC机上进行处理。FPGA高速数字信号处理板，核心芯片为ZYNQXC7Z035FFG676-2l，具有100多个输入输出接口及两路CameraLink数字视频输出口。FPGA信号处理板3接收探测成像模块1输出的数字信号，完成信号预处理，之后将预处理后的信号送入到计算机PC端，进行图像的配准、拼接以及超分辨处理，实现目标的快速定位和三维运动物体的实时探测和识别。
如图3所示，为本实施例公开的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像SOLIDWORKS布局模式示意图。如图4所示，为本实施例的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统视场重叠示意图。采用四个视轴有一定倾斜的单孔径探测成像子模块构成“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其中上下或左右两个子孔径系统的视场分别具有50％的视场重叠率，上(或下)与左右子孔径系统分别具有56.25％的视场重叠率，形成“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像模式，其拼接总视场较单孔径增加1倍，视场中心向外从4孔径重叠逐渐过渡到3、2和1孔径重叠。利用四个子孔径采集到的图像进行图像配准与拼接构成大视场成像，其重叠区域采用亚像素微位移及超分辨技术实现中心高分辨成像。同时多个子孔径形成多目立体视觉，实现目标空间定位以及运动目标快速探测。
为了扩大系统的适用范围，在每个子孔径上安装具有一定偏振角的偏振片能够实现偏振热成像，安装不同的滤光片能够实现多光谱成像。偏振热成像能够避免大气气溶胶对传统光电探测系统的影响，得到与目标的本征特征相关的偏振度差异，从而在一定程度上把目标的本质差异强化出来，提取出常规热成像方法不易获得的信息，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有绝对优势。为获得完整的场景偏振信息，选择三个偏振方向相差60°的偏振片或者是4个偏振方向相差45°的偏振片。考虑到系统的结构特点，在三个孔径上安装偏振方向相差60°的偏振片，另一个孔径不安装偏振片来进行偏振热成像，提取目标场景的偏振度和偏振角信息。在子孔径前安装四个不同波段的窄带滤光片实现多光谱成像，即选择4个波段分别为8～10、10～11、11～12、12～14um的窄带滤光片实现多光谱成像，进行目标的光谱特性分析。
本实施例公开的“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统应用领域，包括无人机紧急避障成像传感器系统、新型反坦克导弹、新型拦截导弹和制导炮弹领域，在所述应用领域构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：包括探测成像模块(1)、系统供电电源板(2)、FPGA信号处理板(3)、PC机处理显示模块(4)；探测成像模块(1)用于采集外界信号，并将外界信号送到FPGA信号处理板(3)进行信号的处理；系统供电电源板(2)用于提供仿生热成像系统需要的各类供电电源；FPGA信号处理板(3)提供探测成像模块(1)正常工作时需要的时钟信号，并将探测成像模块(1)输出的数字信号进行信号预处理；PC机处理显示模块(4)用于接收FPGA信号处理板(3)预处理后的信号，并进行图像的配准、拼接以及超分辨处理，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别；所述探测成像模块(1)包括四个单孔径探测成像子模块，每个单孔径探测成像子模块包括光学镜头(1.1)、探测器(1.3)及探测器驱动电路板(1.4)；四个单孔径探测成像子模块呈“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局，即：每个单孔径探测成像子模块视轴相互倾斜，使上、下单孔径探测成像子模块的视场具有30％～70％的视场重叠率，使左、右单孔径探测成像子模块的视场具有30％～70％的视场重叠率；此外，使上单孔径探测成像子模块分别与相邻的左、右单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率，使下单孔径探测成像子模块分别与相邻的左、右单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率；同理，使左单孔径探测成像子模块分别与相邻的上、下单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率，使右单孔径探测成像子模块分别与相邻的上、下单孔径探测成像子模块具有42.25％～72.25％的视场重叠率；探测成像模块(1)通过“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像布局增大拼接总视场，且视场中心向外从4孔径重叠逐渐过渡到3、2和1孔径重叠，构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
2.如权利要求1所述的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：根据实际使用需求，通过调节四个单孔径探测成像子模块视轴倾斜角度实现四个单孔径探测成像子模块之间视场重叠率变化，进而改变多孔径仿生复眼成像效果。
3.如权利要求1所述的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：在每个单孔径探测成像子模块上安装具有固定偏振角的偏振片实现偏振热成像，扩大所述“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的适用范围；偏振热成像能够避免大气气溶胶对所述“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统的影响，得到与目标的本征特征相关的偏振度差异，从而把目标的本质差异强化出来，提取出常规热成像方法不易获得的信息，进而抑制背景噪声、提高探测距离、获取细节特征。
4.如权利要求3所述的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：为获得完整的场景偏振信息，选择3个偏振方向相差60°的偏振片或者是4个偏振方向相差45°的偏振片；考虑到系统的结构特点，在三个孔径上安装偏振方向相差60°的偏振片，另一个孔径上不安装偏振片来进行偏振热成像，提取目标场景的偏振度和偏振角信息。
5.如权利要求1所述的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：在每个单孔径探测成像子模块上安装不同波段的窄带滤光片实现多光谱成像，即选择4个波段分别为8～10、10～11、11～12、12～14um的窄带滤光片实现多光谱成像，进行目标的光谱特性分析，通过光谱特性分析实现对探测目标的准确识别。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种“十”字型四孔径视场部分重叠仿生热成像系统，其特征在于：应用领域包括无人机紧急避障成像传感器系统、新型反坦克导弹、新型拦截导弹和制导炮弹领域，在所述应用领域构造类似人眼视觉的中心高分辨成像、周边大视场搜索的视觉模式，缓减常规热成像系统视场与分辨率的矛盾，实现多孔径仿生复眼成像及目标的快速定位和三维运动物体的实时探测与识别。
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