CN111913190B - 一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置 - Google Patents

一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，包括彩色红外共孔径成像敏感器、二维伺服指向机构、综合控制单元、二次电源等。本发明采用基于彩色红外共孔径光学系统的多光谱探测方案，集成了可见光探测和红外探测两种探测方案的优点，采用了图像压缩空域滤波与高速信号处理技术，基于单帧多光谱图像数据融合处理算法、多帧序列动目标滤波匹配算法，实现了临近空间暗弱目标的全天时跟踪。

Description

一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向 装置
技术领域
本发明涉及一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，属于临近空间目标识别设备领域。
背景技术
临近空间一般是指距地面20km～100km之间的区域，它是介于飞机最高飞行高度与空间轨道飞行器最低飞行高度之间的区域，是从航空空域向航天空域过渡的区域。临近空间自下而上包括大气平流层区域、中间大气层区域和部分电离层区域，该区域具有大气稀薄、气象活动较弱等特点。临近空间存在许多独特的物理现象，大气密度变化剧烈，如从20km高度上升到40km高度，大气密度变化22倍，环境复杂。由于临近空间环境恶劣，不但有地球反照光干扰，太阳光被地气反射后也会形成复杂的杂光干扰，使得成像背景非常复杂，而所观测的是在复杂背景下远距离的点目标，目标无外形轮廓特征、光谱特征复杂、同时个别目标运动特征也很不明显，为探测识别算法的选取与实现增加了难度。此外，随着探测距离的变化，临近空间目标可能会发生大尺度的变化，这也对目标特征的连续提取制造了困难。
目前国内外多采用雷达监测空中动目标，由于临近空间目标飞行速度极快，在临近空间稀薄大气中飞行时，机体表面会与空气剧烈摩擦产生等离子体，而等离子体对雷达波具有一定的散射作用；同时临近空间目标小，距离远，再加上隐身设计，因此雷达反射面积小；另外，临近空间目标飞行高度较低，受地球曲率影响更大，更不利于雷达的观测。
临近空间目标具有复杂的可见、红外辐射特征。可见光探测分辨率和灵敏度高、技术成熟，可以获取较强目标探测信号，容易实现目标的搜索与捕获，但受光照影响，强背景下探测器容易饱和，且不能工作于阴影区；红外探测获取的目标探测信号相对较弱，观测与识别的难度大，分辨率和探测能力均低于可见光敏感器，但是由于仅与空间目标自身的温度特性有关，不受光照条件影响，在阳照区、阴影区均可探测，非常有利于目标连续跟踪。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，综合了可见光探测和红外探测两种探测方案的优点，实现了临近空间暗弱目标的全天时连续跟踪。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，包括彩色红外共孔径成像敏感器、二维伺服指向机构、综合控制单元、二次电源。
上述技术方案中，所述彩色红外共孔径成像敏感器对暗弱目标进行探测成像，针对单帧多光谱图像数据进行空域滤波和数据融合，对多帧连续图像基于多帧序列目标匹配算法识别出暗弱目标，并输出目标与光轴的角度偏差。
上述技术方案中，所述二维伺服指向机构驱动成像敏感器进行大范围搜索成像，敏感器识别暗弱目标后，把暗弱目标和敏感器光轴角度偏差送到二维伺服指向机构进行指向修正，将目标始终置于敏感器视场中心进行跟踪。
上述技术方案中，所述综合控制单元将敏感器的测量数据和状态数据打包后可以传送到其它分系统处理。
上述技术方案中，所述二次电源完成系统各模块的供电。
上述技术方案中，所述彩色红外共孔径成像敏感器，包括彩色红外多光谱共孔径光学系统、可见光彩色大面阵成像探测器电路模块、长波红外面阵探测器电路模块和高速图像与信息处理模块。所述彩色红外多光谱共孔径光学系统接收进入光学系统视场内的暗弱目标和强背景的入射光线，并对可见彩色和红外双光谱进行分光，使之分别在可见彩色探测器和红外探测器上成像；所述可见光彩色大面阵成像探测器电路模块实现对暗弱目标的彩色成像；所述长波红外面阵探测器电路模块实现对暗弱目标的红外成像；所述高速图像与信息处理模块实现对可见彩色图像和红外图像的数据采集、空域滤波压缩和融合，以及暗弱目标的识别匹配。
上述技术方案中，所述二维伺服指向机构包括二维转台和转台伺服控制驱动电路；二维转台主框架采用U型架式构型的方案，安装在二维转台上的彩色红外共孔径成像敏感器的质心通过转台回转中心，俯仰和方位电机驱动俯仰轴和方位轴分别实现系统沿俯仰方向(-45°～75°)和方位方向(-90°～90°)的扫描及跟踪；转台伺服控制驱动电路采用永磁同步电机直驱、光电编码器测角的方案，永磁同步电机驱动转台按控制要求运动，光电编码器反馈转台的位置状态。
上述技术方案中，所述的彩色红外多光谱共孔径光学系统，采用可见彩色(工作谱段0.4～1.1um)/长波红外(工作谱段8～12um)双通道共孔径光学系统结构形式，由卡塞格林系统共用光路和多光谱分光成像系统构成，为具有一次成像、两反系统加透射镜组校正的形式，光学系统视场为5°×5°。
上述技术方案中，所述高速图像与信息处理模块中，设有高速捕获识别算法，采用了图像空域滤波算法，针对图像进行滤波处理，仅对亮像素信息进行存储。采用了基于单帧多光谱图像数据融合处理算法、多帧序列动目标滤波匹配算法，实现高动态弱小目标识别和全天时连续跟踪。
上述技术方案中，所述图像空域滤波算法为形态学TopHat滤波算法，开运算定义为先腐蚀、后膨胀，
Figure BDA0002601520820000031
TopHat滤波针对原始图像经过形态学开运算后得到对图像的背景估计，再与原始图像对应像素相减，即可以滤去背景，
Figure BDA0002601520820000032
选取的结构元b为7*7的平结构元。
上述技术方案中，所述单帧多光谱图像数据融合处理算法，首先判断彩色图像是否饱和，对未饱和的彩色图像降采样为RGB三通道图像，然后对RGB三通道图像和经过条纹噪声校正的红外图像均采用空域滤波，再对空域滤波后的各图像，均提取出图像中最亮的N个亮像素(N通常为100～300)，对RGB三通道图像和红外图像的亮像素按照像素坐标按比例叠加，最后对叠加后的全部亮像素中提取最亮的M个亮像素(M通常为50)，对亮像素基于四连通域聚类算法提取连通域，再利用质心法计算出连通域的位置。
上述技术方案中，所述多帧序列动目标滤波匹配算法，对每一帧图像提取出的连通域，从第二帧开始，逐帧逐个连通域进行与之前所有帧中的连通域匹配，匹配按照目标的运动速度方向符合观测目标特性的原则进行检测，将成功匹配的连通域组合进行保存，即为所识别的暗弱目标运动序列。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用彩色红外多光谱探测方案，彩色红外共孔径成像敏感器集成了可见光探测和红外探测两种探测方案的优点，不受光照条件影响，在阳照区、阴影区均可探测，配合二维伺服指向机构实现了临近空间暗弱目标的全天时大范围搜索探测与连续跟踪。
(2)本发明中彩色红外共孔径成像敏感器的高速图像与信息处理模块集成了图像压缩空域滤波算法，针对大面阵焦平面图像进行压缩滤波处理，仅对有用的感兴趣信息进行存储，丢弃大量的无用信息，实现信息压缩存储和本地实时处理。
(3)本发明采用的单帧多光谱图像数据融合处理算法显著地提高了暗弱目标的探测灵敏度，多帧序列动目标滤波匹配算法有效地剔除了图像噪声等干扰，提高了暗弱目标的识别成功率，能更好的满足临近空间高动态弱小目标的快速识别跟踪。
附图说明
图1为本发明中系统组成原理示意图。
图2为本发明中单帧多光谱图像数据融合处理算法、多帧序列动目标滤波匹配算法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，包括彩色红外共孔径成像敏感器、二维伺服指向机构、综合控制单元、二次电源，如图1所示。
所述彩色红外共孔径成像敏感器对暗弱目标进行探测成像，针对单帧多光谱图像数据进行空域滤波和数据融合，对多帧连续图像基于多帧序列目标匹配算法识别出暗弱目标，并输出目标与光轴的角度偏差。所述二维伺服指向机构驱动成像敏感器进行大范围搜索成像，敏感器识别暗弱目标后，把暗弱目标和敏感器光轴角度偏差送到二维伺服指向机构进行指向修正，将目标始终置于敏感器视场中心进行跟踪。所述综合控制单元将敏感器的测量数据和状态数据打包后可以传送到其它分系统处理。所述二次电源完成系统各模块的供电。
所述彩色红外共孔径成像敏感器，包括彩色红外多光谱共孔径光学系统、可见光彩色大面阵成像探测器电路模块(探测器成像分辨率2048*2048)、长波红外面阵探测器电路模块(探测器成像分辨率512*512)和高速图像与信息处理模块。所述彩色红外多光谱共孔径光学系统接收进入光学系统视场内的暗弱目标和强背景的入射光线，并对可见彩色和红外双光谱进行分光，使之分别在可见彩色探测器和红外探测器上成像；所述可见光彩色大面阵成像探测器电路模块实现对暗弱目标的彩色成像；所述长波红外面阵探测器电路模块实现对暗弱目标的红外成像；所述高速图像与信息处理模块实现对可见彩色图像和红外图像的数据采集、空域滤波压缩和融合，以及暗弱目标的识别匹配。
所述二维伺服指向机构包括二维转台和转台伺服控制驱动电路；二维转台主框架采用U型架式构型的方案，安装在二维转台上的彩色红外共孔径成像敏感器的质心通过转台回转中心，俯仰和方位电机驱动俯仰轴和方位轴分别实现系统沿俯仰方向(-45°～75°)和方位方向(-90°～90°)的扫描及跟踪；转台伺服控制驱动电路采用永磁同步电机直驱、光电编码器测角的方案，永磁同步电机驱动转台按控制要求运动，光电编码器反馈转台的位置状态。
所述的彩色红外多光谱共孔径光学系统，采用可见彩色(工作谱段0.4～1.1um)/长波红外(工作谱段8～12um)双通道共孔径光学系统结构形式，由卡塞格林系统共用光路和多光谱分光成像系统构成，为具有一次成像、两反系统加透射镜组校正的形式，光学系统视场为5°×5°。
所述高速图像与信息处理模块中，设有高速捕获识别算法，采用了图像空域滤波算法，针对图像进行滤波处理，仅对亮像素信息进行存储。采用了基于单帧多光谱图像数据融合处理算法、多帧序列动目标滤波匹配算法，实现高动态弱小目标识别和全天时连续跟踪。
所述图像空域滤波算法为形态学TopHat滤波算法。形态学的4种基本运算为膨胀、腐蚀、开运算和闭运算，膨胀是使图像中的目标“生长”或“变粗”的操作。腐蚀“收缩”或“细化”二值图像中的物体。开运算定义为先腐蚀、后膨胀，
Figure BDA0002601520820000061
式中，f为原始图像，b为滤波结构元素，
Figure BDA0002601520820000062
为开运算，
Figure BDA0002601520820000063
为膨胀运算，Θ为腐蚀运算。TopHat滤波针对原始图像经过形态学开运算后得到对图像的背景估计，再与原始图像对应像素相减，即可以滤去背景
Figure BDA0002601520820000064
选取的结构元b为7*7的平结构元。
所述单帧多光谱图像数据融合处理算法，流程如图2所示，具体步骤如下：
(1)对原始2048*2048*10b的Bayer彩色图像(单个2*2的子像素区分别为R、B、G1、G2)判断图像是否饱和，若图像灰度均值>950则认为图像饱和，跳过步骤(2)和步骤(3)；
(2)对彩色图像降采样为512*512大小的RGB三通道图像，对每2*2子像素区的G1和G2分量进行平均，作为G通道的像素值；
(3)对RGB三通道图像分别采用TopHat滤波，对滤波后的图像，分别提取出图像中最亮的N个亮像素(N通常为100～300)，保存亮像素像素坐标和滤波后图像的灰度值；
(4)对红外图像进行条纹噪声校正，对校正后的图像采用TopHat滤波，对滤波后的图像提取出图像中最亮的N个亮像素(N通常为100～300)，保存亮像素的灰度值和像素坐标；
(5)对RGB三通道图像和红外图像的亮像素分别按照像素坐标进行叠加，计算公式如下：
Pix＝R*0.1+G*0.6+B*0.3+LWIR*1 当彩色图像未饱和时；
Pix＝LWIR 当彩色图像饱和时；
式中，Pix为亮像素叠加后的灰度值，R、G、B分别为所叠加亮像素的三通道的灰度值，LWIR为亮像素的红外图像的灰度值；
(6)对叠加后的全部亮像素中提取最亮的M个亮像素(M通常为50)，对亮像素基于四连通域聚类算法提取连通域；
(7)对提取出的连通域，利用质心法计算出连通域的位置。
所述多帧序列动目标滤波匹配算法，具体步骤如下：
(1)对每一帧图像提取出的连通域，按照连通域的面积及能量排序；
(2)从第二帧开始，逐帧逐个连通域(当前连通域)进行与之前所有帧中的连通域(被检测连通域)匹配，匹配按照目标的运动速度方向符合观测目标特性的原则进行检测，将成功匹配的连通域组合进行保存，即为所识别的暗弱目标运动序列。
具体地，目标运动速度方向检测依据如下：
a)若被检测连通域组合的长度(即匹配成功的连通域的数量)为1，则仅基于两个连通域之间的运动速度进行判断；具体地，利用两者的像面坐标做差，再利用被检测连通域所在帧数，与当前帧做差，并利用曝光时间T可得到两帧之间的时间间隔，从而估计出两个连通域的对应运动速度。将计算出的运动速度与设定的目标运动速度阈值(需根据装置应用平台和所检测目标综合确定)进行比对：当运动速度不在阈值区间内时，匹配失败；当运动速度符合区间时，当前连通域长度加1，保存检测出的连通域组合信息和速度信息，计算两个连通域对应的运动方向向量并存储。
b)若被检测连通域组合的长度大于1，则基于两个连通域之间的运动速度及运动方向进行判断；具体地，提取被检测连通域中最新帧的连通域信息，与被检测连通域信息按照之前共同计算出对应的运动速度及运动方向向量。将计算出的运动速度与设定的目标运动速度阈值进行对比，当运动速度在阈值区间内时：将计算出的运动方向向量与被检测连通域存储的运动方向向量进行点乘运算，可求出两个运动方向向量夹角的余弦值，并与设定的余弦阈值(例如设定运动目标短时间内运动方向的变化不会很大，因此认为运动方向夹角在多帧之间不应超过15°，则对应的余弦值为0.966，即余弦阈值设置为0.966，当两个运动方向向量的点乘结果小于该阈值时，认为当前连通域不是被检测连通域所对应的目标，判断两者不连通)进行对比。当对比结果为两者不连通时，匹配失败；当对比结果为两者连通时，当前连通域长度变为被检测连通域长度加1，保存检测出的连通域组合信息和速度方向信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：包括彩色红外共孔径成像敏感器、二维伺服指向机构、综合控制单元、二次电源；
所述彩色红外共孔径成像敏感器对暗弱目标进行探测成像，针对单帧多光谱图像数据进行空域滤波和数据融合，对多帧连续图像基于多帧序列目标匹配算法识别出暗弱目标，并输出目标与光轴的角度偏差；
所述二维伺服指向机构驱动成像敏感器进行大范围搜索成像，敏感器识别暗弱目标后，把暗弱目标和敏感器光轴角度偏差送到二维伺服指向机构进行指向修正，将目标始终置于敏感器视场中心进行跟踪；
所述综合控制单元将敏感器的测量数据和状态数据打包后传送到其它分系统处理；
所述二次电源完成系统各模块的供电；
所述彩色红外共孔径成像敏感器包括彩色红外多光谱共孔径光学系统、可见光彩色大面阵成像探测器电路模块、长波红外面阵探测器电路模块和高速图像与信息处理模块；
所述彩色红外多光谱共孔径光学系统接收进入光学系统视场内的暗弱目标和强背景的入射光线，并对可见彩色和红外双光谱进行分光，使之分别在可见彩色探测器和红外探测器上成像；
所述可见光彩色大面阵成像探测器电路模块实现对暗弱目标的彩色成像；
所述长波红外面阵探测器电路模块实现对暗弱目标的红外成像；
所述高速图像与信息处理模块实现对可见彩色图像和红外图像的数据采集、空域滤波压缩和融合，以及暗弱目标的识别匹配；所述高速图像与信息处理模块设有高实时捕获识别算法单元，采用图像空域滤波算法，针对图像进行滤波处理，仅对亮像素信息进行存储；采用基于单帧多光谱图像数据融合处理算法、多帧序列动目标滤波匹配算法，实现高动态弱小目标识别和全天时连续跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：所述二维伺服指向机构包括二维转台和转台伺服控制驱动电路；
所述二维转台主框架采用U型架式构型的方案，安装在二维转台上的彩色红外共孔径成像敏感器的质心通过转台回转中心，俯仰和方位电机驱动俯仰轴和方位轴分别实现系统沿俯仰方向(-45°～75°)和方位方向(-90°～90°)的扫描及跟踪；
所述转台伺服控制驱动电路采用永磁同步电机直驱、光电编码器测角的方案，永磁同步电机驱动转台按控制要求运动，光电编码器反馈转台的位置状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：所述的彩色红外多光谱共孔径光学系统，采用可见彩色和长波红外双通道共孔径光学系统结构形式，由卡塞格林系统共用光路和多光谱分光成像系统构成，具有一次成像、两反系统加透射镜组校正的形式，光学系统视场为5°×5°。
4.根据权利要求1所述的一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：所述图像空域滤波算法为改进的形态学TopHat滤波算法，开运算定义为先腐蚀、后膨胀，
Figure FDA0003632755280000021
TopHat滤波针对原始图像经过形态学开运算后得到对图像的背景估计，再与原始图像对应像素相减，即可以滤去背景，
Figure FDA0003632755280000022
选取的结构元b为7*7的平结构元。
5.根据权利要求1所述的一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：所述单帧多光谱图像数据融合处理算法具体为：首先判断彩色图像是否饱和，对未饱和的彩色图像降采样为RGB三通道图像，然后对RGB三通道图像和经过条纹噪声校正的红外图像均采用空域滤波，再对空域滤波后的各图像，均提取出图像中最亮的N个亮像素，对RGB三通道图像和红外图像的亮像素按照像素坐标按比例叠加，最后对叠加后的全部亮像素中提取最亮的M个亮像素，对亮像素基于四连通域聚类算法提取连通域，再利用质心法计算出连通域的位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于彩色红外光谱共孔径成像的临近空间暗弱目标定向装置，其特征在于：所述多帧序列动目标滤波匹配算法具体为：对每一帧图像提取出的连通域，从第二帧开始，逐帧逐个连通域进行与之前所有帧中的连通域匹配，匹配按照目标的运动速度方向符合观测目标特性的原则进行检测，将成功匹配的连通域组合进行保存，即为所识别的暗弱目标运动序列。
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