CN112666542A - 一种热像仪的被动测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热像仪的被动测距方法，本方法首先通过控制电路控制红外变焦镜头从最广角变倍到最长焦，根据细分需要记录变倍过程中的视场角，然后根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离。使用时，选择要测距的典型目标，然后根据当前红外变焦镜头的视场角，由热像机芯将当前视场角对应的一系列测距线叠加到视频上；将目标和视频上的一系列测距线进行比对，选择最接近目标大小的测距线，则其对应的目标与热像机芯的实际距离就是目标测距距离。本发明不发射任何光束，完全依靠目标在热像仪上的成像，进行被动测距。
Description
技术领域
本发明涉及一种热像仪的被动测距方法，属于激光测距技术领域。
背景技术
任何温度超过绝对零度即-273℃的物体都会辐射热，辐射出的波长与其温度成反比。热像仪就是根据探测到的物体的辐射能量的高低，经系统处理转变为目标物体的热图像，以灰度级或伪彩色显示出来，即根据被测目标的温度分布从而判断物体所处的状态。
近些年随着热像仪成本的不断下降，热像仪在很多领域得到了广泛应用。在使用过程中，有很多需求不但要求能观察到目标，而且要求知道目标的距离。常用的方法是增加激光测距机，其原理是主动发射一束激光到目标物体上，然后接收物体反射的激光计算出距离。其测距精度高，但成本也高，尤其是远距离的激光测距机价格昂贵，且对于运动目标由于很难瞄准，因此难以实现实时测距。且激光测距机发射的激光能够被摄像机捕捉到，容易暴露自己，也不符合某些要求隐蔽观察的场所。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种热像仪的被动测距方法，不发射任何光束，完全依靠目标在热像仪上的成像，进行被动测距。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种热像仪的被动测距方法，所述热像仪包括红外变焦镜头、热像机芯和控制电路，本方法包括以下步骤：
S01）、通过控制电路控制红外变焦镜头从最广角变倍到最长焦或者从最长焦变倍到最广角，并根据细分需要记录变倍过程中的视场角，记录的视场角用作三维数组的第一维变量；
S02）、根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离，各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像机芯的实际距离分别作为三维数组的第二、三维变量，三维数组存储在热像机芯里；
S03）、使用时，选择要测距的典型目标，然后根据当前红外变焦镜头的视场角，由热像机芯将当前视场角对应的一系列测距线叠加到视频上；
S04）、将目标和视频上的一系列测距线进行比对，选择最接近目标大小的测距线，则其对应的目标与热像机芯的实际距离就是目标测距距离。
进一步的，根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度的具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，单位为mm，则镜头的视场角θ=2arctan[640×a/（2000×f）]；S22）、设一基础距离L，L单位为m，计算典型目标在基础距离下的张角α，α=2arctan(D/2L),D为典型目标的高度或宽度；根据相似三角形比例关系，目标在热像机芯上的成像高度为整个画面高度的α/θ倍，对应的测距线长度为画面高度的α/θ；
S23）、保持镜头视场角θ不变，改变基础距离L，重复步骤S21、S22，计算出某一视场角下典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度；
S24）、改变镜头视场角，重复步骤S21、S22、S23，计算出多个视场角对应的典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度。
进一步的，根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度的具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，典型目标距离热像仪的距离为L，典型目标的高度或宽度为D，根据相似三角形原理有：f/d=L/D （1），d为对应的测距线长度；
S22）、 根据公式（1），保持f不变，D为变量，计算典型目标在某一焦距下不同距离对应的测距线长度；
S23）、根据公式（1），镜头焦距f取别的值，重复步骤S22，计算典型目标在其他焦距下不同距离对应的测距线长度；
S24）、保存步骤S22、S23计算的典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度。
进一步的，典型目标包括1.7m高的人和2.3m宽的车。
进一步的，典型目标为1.7m高的人时，通过垂直视场角计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度，典型目标为2.3m宽的车时，通过水平视场角计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度。
进一步的，步骤S01中，红外变焦镜头采用步进电机，由步进电机的步数实时反馈镜头当前位置。
进一步的，步骤S01中，采用带编码器的电机实时反馈镜头当前位置。
本发明的有益效果：本发明所述测距方法不发射任何光束，完全依靠目标在热像仪上的成像，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离，实际使用时利用三者的对应关系，实现被动测距。相对于发射光束的主动测距，本发明所述方法成本低、不容易暴露自己，适用于一些要求隐蔽观察的场所。
附图说明
图1为热像仪的结构示意图；
图2为实施例1所述方法的流程图；
图3为将当前视场角对应的一系列测距线叠加到视频上的示意图；
图4为实施例1计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度的原理图；
图5为实施例2计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种热像仪的被动测距方法，如图1所示，所述热像仪包括红外变焦镜头、热像机芯和控制电路，红外变焦镜头用于目标光学成像，热像机芯用于将目标的光学热辐射信号转化为视频信号并根据当前的镜头视场角在视频上叠加对应的一系列测距线，控制电路负责镜头的变倍、聚焦控制以及热像机芯参数设置等。
如图2所示，本实施例所述方法包括以下步骤：
S01）、通过控制电路控制红外变焦镜头从最广角变倍到最长焦或者从最长焦变倍到最广角，并根据细分需要记录变倍过程中不同数量的视场角，用于二维数组的第一维变量。细分要求高，就记录多数量的视场角，细分要求低，就记录少数量的视场角。
S02）、根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离，各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像机芯的实际距离分别作为三维数组的第二、三维变量，三维数组存储在热像机芯里。
本实施例中，根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度的具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，单位为mm，则镜头的视场角θ=2arctan[640×a/（2000×f）]；
例如热像机芯像元大小是17μm，镜头焦距为100mm，镜头的垂直视场角θ=2arctan[640×17/（2000×100）]=5°，在L=500m处D=1.7m高的人的张角α=2arctan(D/2L)=0.19°。如图4所示，根据相似三角形比例关系，D=1.7m高的人在热像机芯上的成像高度为整个画面高度的α/θ=0.19°/5°≈26，则对应的人体测距线长度就是画面高度的1/26。S22）、设一基础距离L，L单位为m，计算典型目标在基础距离下的张角α，α=2arctan(D/2L),D为典型目标的高度或宽度；根据相似三角形比例关系，目标在热像机芯上的成像高度为整个画面高度的α/θ倍，对应的测距线长度为画面高度的α/θ；
S23）、保持镜头视场角θ不变，改变基础距离L，重复步骤S21、S22，计算出某一视场角下典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度；
S24）、改变镜头视场角，重复步骤S21、S22、S23，计算出多个视场角对应的典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度。
通过上述步骤计算出镜头垂直视场角θ为10°、9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°等时，D=1.7m高的人在不同距离上的人体测距线长度。类似的，也可以计算出镜头垂直视场角θ=5°时，D=1.7m高的人在L=700m、1000m、1500m、2000m等距离的人体测距线长度。可以记录为：
[θ1,D1,L1]、[θ1,D2,L2]、[θ1,D3,L3]、[θ1,D4,L4]、[θ1,D5,L5]、[θ1,D6,L6]…
[θ2,D1,L1]、[θ2,D2,L2]、[θ2,D3,L3]、[θ2,D4,L4]、[θ2,D5,L5]、[θ2,D6,L6]…
[θ3,D1,L1]、[θ3,D2,L2]、[θ3,D3,L3]、[θ3,D4,L4]、[θ3,D5,L5]、[θ3,D6,L6]…
其中，θ1、θ2、θ3…为红外变焦镜头的不同垂直视场角，D1、D2、D3…为1.7m高的人在相同镜头垂直视场角下，不同距离上对应的人体测距线长度，L1、L2、L3…为与人体测距线长度对应的实际距离。
类似的，可以根据红外变焦镜头的水平视场角β，计算出2.3m长的车辆在不同水平视场角下，不同距离上的车辆测距线长度M，
可以记录为：
[β1,M1,L1]、[β1,M2,L2]、 [β1,M3,L3]、[β1,M4,L4]、[β1,M5,L5]、[β1,M6,L6]…
[β2,M1,L1]、[β2,M2,L2]、 [β2,M3,L3]、[β2,M4,L4]、[β2,M5,L5]、[β2,M6,L6]…
[β3,M1,L1]、[β3,M2,L2]、 [β3,M3,L3]、[β3,M4,L4]、[β3,M5,L5]、[β3,M6,L6]…
其中，β1、β2、β3…为红外变焦镜头的不同水平视场角，M1、M2、M3…为2.3m长的车在相同镜头水平视场角下，不同距离上对应的车辆测距线长度，L1、L2、L3…为与车辆测距线长度对应的实际距离。
S03）、使用时，选择要测距的典型目标类型（如人、车），然后控制电路通过读取电机步数或编码器的值，计算出红外变焦镜头的当前视场角，并和目标类型一起发送给热像机芯，热像机芯接收到命令后，读取存储的当前视场角对应的一系列人体或车辆测距线长度，并叠加到视频上，如图5所示。
S04）、将视频中的人所占图像高度和视频上叠加的人体测距线进行比对，视频中的车所占图像长度和视频上叠加的车辆测距线进行比对，目测选择与视频中人体高度或车辆长度最相近的测距线，则其对应的距离就是目标测距距离。
实施例2
本实施例通过另一种方式计算典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度，具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，典型目标距离热像仪的距离为L，典型目标的高度或宽度为D，如图4所示，根据相似三角形原理有：f/d=L/D （1），d为对应的测距线长度；
S22）、 根据公式（1），保持f不变，D为变量，计算典型目标在某一焦距下不同距离对应的测距线长度；
S23）、根据公式（1），镜头焦距f取别的值，重复步骤S22，计算典型目标在其他焦距下不同距离对应的测距线长度；
S24）、保存步骤S22、S23计算的典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度。
本实施例所述测距方法的其他部分与实施例1相同，此处不再累述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。因此尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种热像仪的被动测距方法，所述热像仪包括红外变焦镜头、热像机芯和控制电路，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S01）、通过控制电路控制红外变焦镜头从最广角变倍到最长焦或者从最长焦变倍到最广角，并根据细分需要记录变倍过程中的视场角，记录的视场角用作三维数组的第一维变量；
S02）、根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离，各个视场角下不同距离的测距线长度、不同测距线对应的目标与热像仪的实际距离分别作为三维数组的第二、三维变量，三维数组存储在热像机芯里；
S03）、使用时，选择要测距的典型目标，然后根据当前红外变焦镜头的视场角，由热像机芯将当前视场角对应的一系列测距线叠加到视频上；
S04）、将目标和视频上的一系列测距线进行比对，选择最接近目标大小的测距线，则其对应的目标与热像机芯的实际距离就是目标测距距离。
2.根据权利要求1所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度的具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，单位为mm，则镜头的视场角θ=2arctan[640×a/（2000×f）]； S22）、设一基础距离L，L单位为m，计算典型目标在基础距离下的张角α，α=2arctan(D/2L),D为典型目标的高度或宽度；根据相似三角形比例关系，目标在热像机芯上的成像高度为整个画面高度的α/θ倍，对应的测距线长度为画面高度的α/θ；
S23）、保持镜头视场角θ不变，改变基础距离L，重复步骤S21、S22，计算出某一视场角下典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度；
S24）、改变镜头视场角，重复步骤S21、S22、S23，计算出多个视场角对应的典型目标相对热像仪处于不同距离时对应的测距线长度。
3.根据权利要求1所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：根据已知的热像机芯像元大小，计算典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度的具体过程为：
S21）、设热像机芯像元大小是a，单位为μm，镜头焦距为f，典型目标距离热像仪的距离为L，典型目标的高度或宽度为D，根据相似三角形原理有：f/d=L/D （1），d为对应的测距线长度；
S22）、 根据公式（1），保持f不变，D为变量，计算典型目标在某一焦距下不同距离对应的测距线长度；
S23）、根据公式（1），镜头焦距f取别的值，重复步骤S22，计算典型目标在其他焦距下不同距离对应的测距线长度；
S24）、保存步骤S22、S23计算的典型目标在各个焦距下不同距离的测距线长度。
4.根据权利要求2所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：典型目标包括1.7m高的人和2.3m宽的车。
5.根据权利要求4所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：典型目标为1.7m高的人时，通过垂直视场角计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度，典型目标为2.3m宽的车时，通过水平视场角计算典型目标在各个视场角下不同距离的测距线长度。
6.根据权利要求1所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：步骤S01中，红外变焦镜头采用步进电机，由步进电机的步数实时反馈镜头当前位置。
7.根据权利要求1所述的热像仪的被动测距方法，其特征在于：步骤S01中，采用带编码器的电机实时反馈镜头当前位置。
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