CN110794575A - 一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统，包括安装平台、上位机和复眼系统，所述安装平台上设置有支架，支架上活动连接有水平梁，水平梁的末端连接有所述复眼系统；复眼系统包括依次连接的复眼透镜、孔径光阑、球面光锥和图像探测器；来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过复眼透镜上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过阶梯孔式孔径光阑，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除；而后光线聚焦于球面光锥的大端，即在球面表面上进行成像，进而将球面像无损传输至与平面探测器耦合的小端，即平面端，最终在探测器上实现成像。

Description

一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统

技术领域

本发明属于仿生复眼、光能分析与空间定位领域，特别是涉及一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统。

背景技术

对于目标的跟踪识别，国外早有相关研究。1956年，B.Hanssentein和W.Reichardt开创性地提出了第一个基于视动反应的初级运动检测模型(EMD)，该模型依靠连个相邻光感受器的互相关运算。

昆虫复眼(Compound Eye)视觉系统在原理上具有体积小，重量轻，视场角大，时间分辨率高，运动目标探测灵敏等优点，使其在一些军用及民用场合具有其它成像方法无法比拟的优势。为努力实现以上优点，现今的仿生复眼(Biomimetic Compound Eye)可以通过超精密加工或者MEMS工艺实现微型化，集成化，包含多个子眼的复眼透镜，辅之以有效的光学设计，可以实现较大的视场角。同时，为了实现较高的时间分辨率，可以借助高速图像采集系统(如高速相机)实现对复眼透镜成像的高速采集。

近些年人们对于昆虫复眼的研究主要从两个方面：一是从模拟复眼的视觉成像系统；二是模拟复眼视觉系统所具有的快速定位功能。

日本的Jun Tanida等在2000年提出了一种基于蜻蜓复眼结构设计的TOMBO(thinobservation module by bound optics)小型成像系统，这个系统首先获取分离的单元像，然后对单元像的集合参数进行估算，根据所得的集合参数把像定位于屏上，在各个像素之间进行插值，再用高通滤波器完成最后的像。该结构具有结构紧凑，方便组装，视场大等优点。

2004年，Duparre J.带领的德国研究小组在基于同位复眼的设计理论提出并制造了人造同位复眼成像系统AACO(Artificial Apposition Compound Eye Objective),该系统的子眼通道采用啁啾透镜，可根据入射光角度进行调整，从而纠正像差和场曲，使成像效果更理想。加拿大York大学提出了基于副复眼结构的原型“蜻蜓眼”，成功实现了将球面上的子眼图像传到在平面探测器上。该结构可以快速检测运动物体的速度和距离。2007年，J.Tanida团队提出了采用基于光纤视觉组件的复眼成像系统获取三维图像，并提出利用像的放大率估计系统与物的距离；但由于制作此类组件的成本较高，且难以装配，因此难以被大规模推广应用。

国内，在复眼运动检测的系统光路仿真和实验方面已完成了很多有价值的工作。中国科学院西安光学机密机械研究所的田维坚、姚胜利等人提出了平面自聚焦透镜阵列中的运动目标速度计算公式；北京理工大学的王永松等根据复眼大视场的原理，设置了平面全视场的目标探测单元，测出了地面运动物体相对探测单元中心的角速度；清华大学结合复眼运动神经的侧抑制机制，设计了一种全硬件方法实现的复眼模型。该系统具有很宽的速度测量范围，实现了捕捉快速移动物体的功能，可判断运动方向，并具有很高的灵敏度。2010年，中国科学技术大学的张浩提出了球面复眼多通道信息融合模型，用于在复杂背景下对快速移动物体进行高精度追踪和位置测量，并将传统的复眼双目成像探测方法扩展至多通道，理论上提高了测量精度。

但以上提到的这些国内外复眼系统或算法都基于CCD清晰成像，而忽略了昆虫本身的特性及对于光能强弱信息的高效利用，没有形成一种基于光能的空间探测方法。因此，一种以复眼的光能探测方式为仿生依据，基于复眼系统的物体空间三维信息探测与定位系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统。本发明的目的为结合昆虫复眼的探测机制，充分发挥仿生视觉的优越性，提升空间探测精度，同时依托光能信息的整体分析处理确定空间三维信息，探索一种基于光能信息的超快速空间目标立体探测与定位新方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统，包括安装平台、上位机和复眼系统，所述安装平台上设置有支架，支架上活动连接有水平梁，水平梁的末端连接有所述复眼系统，支架上设有标尺，水平梁能够在支架上做竖直方向的移动，所述安装平台上表面长度方向和宽度方向上刻有相互垂直的坐标刻度；

复眼系统包括依次连接的复眼透镜、孔径光阑、球面光锥和图像探测器；曲面复眼透镜的子眼采用六边形微透镜阵列密接排布，以避免产生子眼间盲区；球面光锥的大端为球面，直接接收来自曲面复眼透镜的曲面像；球面光锥的小端为平面，与图像探测器像面进行耦合，用于将复眼透镜所成的大视场图像线性压缩变为小图像；来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过复眼透镜上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过阶梯孔式孔径光阑，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除；而后光线聚焦于球面光锥的大端，即在球面表面上进行成像，进而将球面像无损传输至与平面探测器耦合的小端，即平面端，最终在探测器上实现成像；

通过上位机记录复眼系统采集到的图像并对采集到的图像进行图像处理工作，通过MATLAB对深度和角度信息进行了拟合和分析，最终完成对物体的探测和定位。

进一步的，图像探测器为平面式CCD。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用圆顶光锥的大视场仿生复眼视觉系统，通过球面光锥耦合策略，将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便探测器接收，同时可将复眼透镜所成的大视场图像等比例压缩成更小的像，保证了像的完整、真实、无损，解决了边缘子眼成像离焦严重的问题，可在保证像质的前提下进一步提升系统的视场角，由此可解决曲面复眼系统中由平面探测器及曲面复眼透镜之间所产生的技术矛盾。具有大视场、低像差、结构紧凑等优点，适用于进行基于光能信息的空间目标快速探测。将复眼生物学机理引入仿生系统，充分发挥仿生视觉的优越性，提升空间探测精度，为并行化实时复眼探测系统的实施打下坚实的基础。同时，由于复眼透镜基底曲率与球面光锥曲率一致，所有子眼距离光锥大端球面的几何尺寸理论上相等，从而大大降低了系统光学设计及优化的难度，使系统结构紧凑，成本低廉，易于实现，为研制仿生复眼仪器装备扫清技术障碍。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明中采用球面光锥的大视场仿生复眼视觉系统结构示意图；

图3是本发明中复眼透镜整体示意图；

图4是本发明中孔径光阑示意图；

图5是本发明中球面光锥示意图。

图6是本发明中采用光锥的复眼系统的点列图。

图7是本发明中采用光锥的复眼系统的MTF。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明保护一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统，硬件上采用基于圆顶光锥的复眼系统，软件上采用基于光能信息的空间三维定位算法。

复眼系统1由复眼透镜7、孔径光阑8、球面光锥9、图像探测器10组成。入射光来自无穷远处，来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过复眼透镜进入视觉成像系统，经过复眼透镜上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过孔径光阑，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除，使接收器上的每个区域准确地对应于相应区域的子眼通道，不会发生串扰现象。而后，光线聚焦于球面光锥的大端，即在球面表面上进行成像，由光锥将球面像无损传输至与平面探测器耦合的小端，即平面端，最终在探测器上实现成像。

具体的，图1是本发明系统的结构示意图。安装平台4上有刻度范围0到200mm的两个垂直方向坐标刻度；支架5与安装平台4垂直，标有上有0到600mm的刻度尺；水平梁6与支架5垂直，在水平梁6末端固定仿生复眼系统1，可在支架5的竖直方向上做直线运动，安装平台4可供被测物体3移动并读数。将被测物体置于安装平台4中间位置，从支架5刻度70mm开始向上以每次10mm的位移量移动水平梁6使复眼系统1远离被测物体3，测量。多次重复以上的操作直至水平梁6刻度达到500mm，在每次移动之后，在上位机2中记录下复眼系统1采集到的图像。对这些采集到的图像进行一系列的图像处理工作，通过MATLAB对深度和角度信息进行了拟合和分析，从而完成对物体的探测和定位。

图2是复眼系统1示意图，包括复眼透镜7、孔径光阑8、球面光锥9、图像探测器10、装配件及图像采集平台。曲面复眼透镜7的子眼采用六边形微透镜阵列密接排布，以避免产生子眼间盲区。球面光锥9大端为球面，直接接收来自曲面复眼透镜7的曲面像，提高了各个子眼的聚焦效果，小端为平面，与探测器像面进行耦合，从而将复眼透镜7所成的大视场图像线性压缩为较小的像，避免了通过折转透镜进行光路会聚时产生的较大畸变。来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过复眼透镜7进入视觉成像系统，经过透镜7上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过阶梯孔式孔径光阑8，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除，使接收器上的每个区域准确地对应于相应区域的子眼通道，不会发生串扰现象。而后，光线聚焦于球面光锥9的大端，即在球面表面上进行成像，由光锥将球面像无损传输至与图像探测器10耦合的小端，即平面端，最终在图像探测器10上实现成像。本实施例采用的图像探测器10为较为常用的平面式CCD，CCD图像传感器具有具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩还原好、低噪声等优点。

如图3所示，复眼透镜为一体式结构，子眼部分采用六边形阵列密接排布形式，以消除子眼间盲区，降低图像信息量损失，同时采用非球面，通过对非球面的优化，进一步矫正了光学像差；复眼基底采用曲面基底进行研制，相对于平面复眼，可获得更大的视场范围；子眼面型采用非球面面型，相对于普通球面透镜，可减少甚至消除轴上点球差。

图4是孔径光阑，为了避免不同子眼间的光线串扰，使每个子眼只对特定视场角范围内的物体成像，故在复眼透镜与光锥之间加设孔径光阑。

如图5所示，光锥是用于实现传像功能的光学器件，呈锥形结构。采用光锥，一方面可将复眼透镜所成的曲面像转化为平面像以便平面探测器接收，另一方面可将复眼透镜所成的大视场图像等比压缩为较小的像，以使其能够全部无损地成像于小尺寸CCD上，实现耦合，从而降低了对CCD尺寸的技术要求。在不影响光能获取的前提下，更加灵活地适应不同复眼透镜形式及光锥尺寸。

图6是本系统的点列图，从图中可看出，0视场像点弥散斑直径为1μm，边缘视场(本例中为3°)像点弥散斑直径为4.8，0.7视场(本例中为2.1°)像点弥散斑直径为4.1μm。由于CCD像元尺寸为3.2μm×3.2μm，即弥散斑直径最大不超过两个像元，故符合要求。图7是本系统的MTF，从图中可看出，当分辨率小于36lp/mm时，系统MTF大于0.1。因此，本发明不仅可以探测光强，还可以对图像信息进行探测，即是对传统多目视觉系统的复眼化设计。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统，其特征在于，包括安装平台、上位机和复眼系统，所述安装平台上设置有支架，支架上活动连接有水平梁，水平梁的末端连接有所述复眼系统，支架上设有标尺，水平梁能够在支架上做竖直方向的移动，所述安装平台上表面长度方向和宽度方向上刻有相互垂直的坐标刻度；

复眼系统包括依次连接的复眼透镜、孔径光阑、球面光锥和图像探测器；曲面复眼透镜的子眼采用六边形微透镜阵列密接排布，以避免产生子眼间盲区；球面光锥的大端为球面，直接接收来自曲面复眼透镜的曲面像；球面光锥的小端为平面，与图像探测器像面进行耦合，用于将复眼透镜所成的大视场图像线性压缩变为小图像；来自总视场角范围内各个方向的入射光，通过复眼透镜上的微透镜阵列，在每个子眼的局部发生光线偏折，再通过阶梯孔式孔径光阑，将每个子眼的近轴光线保留，同时将杂散光及不同子眼之间的物方重叠信息去除；而后光线聚焦于球面光锥的大端，即在球面表面上进行成像，进而将球面像无损传输至与平面探测器耦合的小端，即平面端，最终在探测器上实现成像；

通过上位机记录复眼系统采集到的图像并对采集到的图像进行图像处理工作，通过MATLAB对深度和角度信息进行了拟合和分析，最终完成对物体的探测和定位。

2.根据权利要求1所述一种基于光能信息的仿生复眼空间探测及定位系统，其特征在于，图像探测器为平面式CCD。

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