CN112835065A - 一种智能级联量子成像探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能级联量子成像探测系统，其特点是包括：控制与图像计算模块、双波段激光器、三维成像激光雷达光学系统和关联量子成像光学系统。本发明装置包括大视场场景扫描监视和小视场目标高分辨量子成像两种可独立工作模式，其中大视场场景扫描监视模式进行大视场扫描监视成像，获得场景三维点云数据并进行目标自动检测和识别，发现敏感目标后引导小视场目标高分辨量子成像模式瞄准该区域进行高分辨量子成像，使用高分辨成像结果实现对目标的智能识别及解析。本发明可大幅提高复杂环境下的大视场场景扫描监视与小视场目标高分辨量子成像能力。

Description

一种智能级联量子成像探测系统
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体地说是一种兼顾复杂环境下的大视场监视目标发现和小视场目标高分辨成像的智能级联量子成像探测系统。
背景技术
关联量子成像是一种凝视成像技术，需要对场景进行一系列独立随机测量，通过计算重构方式获取图像，所需的独立随机测量数与需要分辨的总像素规模和目标复杂度成正比关系。在激光器重复频率受限时，高分辨率和大成像视场是一对耦合矛盾。另外，根据激光雷达距离方程可知，随着凝视视场增大，系统作用距离迅速下降。综上，从计算成像速度和系统作用距离上来看，关联量子成像技术适合小视场高分辨成像。因此在复杂环境的监视应用中，需要由一套大视场、高帧频的感知系统首先捕获敏感目标的方位、距离，引导关联量子成像系统对该敏感区域进行高分辨成像，通过关联量子成像图像进行目标的智能识别。
引导技术主要可分为红外光电相机引导技术、微波雷达引导和激光雷达引导，其中：红外光电相机引导技术利用光学成像系统和红外CCD相机直接获得场景的红外图像，通过图像引导精度高，可在夜间和低能见度下工作，缺陷在于其工作受云、雾霾、沙尘等复杂环境环境影响大，且会被红外辐射、阳光和其他热源干扰；微波雷达导引技术主要用于对空监视、目标发现和跟踪，其探测精度、分辨率和数据率较高，主要问题在于雷达发射角较大，在低空、超低空探测中，受多径效应干扰严重，在俯仰方位探测时将产生严重误差，因此并不适合作为地面复杂环境探测应用中的引导设备；激光雷达分辨率高，可利用高精度三维点云数据实现对目标的识别，同时激光雷达受假目标的热能辐射干扰小，大大提高对真假目标的区分能力。相比于红外光电引导技术，激光雷达不受阴影和太阳高度角影响、隐蔽性好；相比于微波雷达引导技术，激光雷达发射角小，无地面多径影响，适合于低空复杂环境探测。综上所述，激光雷达非常适合低空、超低空目标探测、跟踪。因此，选取三维成像激光雷达实现大视场探测，经智能识别后引导关联量子成像系统对敏感目标作进一步高分辨成像。
发明内容
针对量子成像由于凝视成像视场小而无法兼顾大视场和高分辨的问题，本发明提供一种智能级联量子成像探测系统，通过大视场激光快速扫描监视敏感区域，引导量子成像实现高分辨率成像，可实现兼顾复杂环境下的大视场场景监视和小视场目标高分辨量子成像。
为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种智能级联量子成像探测系统，其特征在于，包括控制与图像计算模块、双波段激光器、三维成像激光雷达光学系统和关联量子成像光学系统。所述的三维成像激光雷达光学系统包括：激光雷达发射整形模块、第一反射镜、转镜、第二反射镜、扫描成像镜和阵列探测器；所述关联量子成像光学系统包括：量子成像发射整形模块、扩束镜、第三反射镜、第四反射镜、瞄准镜、量子成像接收主镜、数字微镜器件DMD(Digital micro-mirrordevice)、聚光镜、选偏器和光电探测器；所述控制与图像计算模块包括时序控制模块、成像模式控制模块、点云图像生成软件、智能目标识别软件和关联量子成像软件。
本发明装置的转镜、阵列探测器、瞄准镜、数字微镜器件DMD分别与控制与图像计算模块连接，进行通信和数据传递，控制与图像计算模块控制转镜、阵列探测器、瞄准镜、数字微镜器件DMD同步工作，工作过程包括：
所述的双波段激光器可同时发出532nm激光和1064nm激光，分别经过对应波段的光学整形系统得到空间均匀分布的发射光。
所述的1064nm激光作为大视场场景监视的扫描光源，经扩束后由所述转镜的第一反射面发射到目标区域，返回光经转镜第二反射面、第二反射镜进入所述扫描成像镜，由扫描成像镜成像到位于其后焦面的阵列探测器，所述阵列探测器记录光场空间分布。所述的转镜由所述的控制与图像计算模块控制转动速度，完成对空间区域的扫描覆盖和多次重复测量。所述的阵列探测器获得的光场空间分布经由所述的控制与图像计算模块中的点云图像生成软件进行时序校正对齐、数据积累和视场拼接，最终获得场景的低分辨三维点云图像。所述三维点云图像经由所述的智能目标识别软件进行自动检测和识别，发现并得到敏感区域的方位坐标信息。
所述的532nm激光作为小视场目标高分辨量子成像的光源，经所述量子成像发射整形模块、扩束镜整形扩束后，由所述瞄准镜辐照指定的小视场区域。该小视场区域的反射光由所述量子成像接收成像主镜成像到所述数字微镜器件DMD上，所述数字微镜器件DMD对光场的空间分布进行编码，所述数字微镜器件DMD反射方向依次设置聚光镜、选偏器和光电探测器，所述选偏器选择入射光的偏振态，所述光电探测器记录光强。经过一系列随机重复测量，所述光电探测器记录的光强和对应编码通过关联量子成像软件进行图像重构运算，获得目标高分辨图像。
与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
(1)多分辨率级联成像，同时完成大视场扫描监视、快速目标发现，引导实现小视场高分辨量子成像。
(2)偏振量子成像，实现复杂环境下的高清晰成像。
(3)智能目标解析，通过点云数据智能解析发现敏感目标，通过量子成像结果完成目标识别和解译。
附图说明
图1是本发明智能级联量子成像探测系统的结构示意图。
图1中，1是控制与图像计算模块；2是双波段激光器；3是激光雷达发射整形模块；4是反射镜；5是转镜；6是反射镜；7是扫描成像镜；8是阵列探测器；9是量子成像发射整形模块；10是扩束镜；11是第二反射镜；12是第三反射镜；13是瞄准镜；14是量子成像接收主镜；15是数字微镜器件DMD；16是量子成像接收镜；17是选偏器；18是光电探测器。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1是智能级联量子成像探测系统的结构示意图。由图可见，该装置包括控制与图像计算模块1、双波段激光器2、激光雷达发射整形模块3、第一反射镜4、转镜5、第二反射镜6、扫描成像镜7、阵列探测器8、量子成像发射整形模块9、扩束镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、瞄准镜13、量子成像接收主镜14、数字微镜器件DMD 15、量子成像接收次镜16、选偏器17、光电探测器18；所述双波段激光器2具备532nm、1064nm两个出光口；沿着1064nm出光口出射的激光方向依次是激光雷达发射整形模块3、反射镜4和转镜5；经转镜5的第一反射面发射出的探测光经目标反射的回波由转镜5的第二反射面反射后，依次经过反射镜6、扫描成像镜7和阵列探测器8；沿着双波段激光器2的532nm出光口出射的激光方向依次是量子成像发射整形模块9、扩束镜10、第三反射镜11、第四反射镜12和瞄准镜13；经该瞄准镜13发射的激光经目标反射后，再次经瞄准镜13反射后，依次经过量子成像接收主镜14，数字微镜器件DMD15、量子成像接收次镜16、选偏器17和光信号探测器18；所述的阵列探测器8位于所述激光扫描成像镜7的后焦面，所述的数字微镜器件DMD 15位于所述量子成像接收主镜14的后焦面；所述的转镜5、阵列探测器8、瞄准镜13、数字微镜器件DMD 15分别与控制与图像计算模块1连接，进行通信和数据传递，所述控制与图像计算模块1控制转镜5、阵列探测器8、瞄准镜13、数字微镜器件DMD15同步工作。
本发明装置的工作过程如下，系统开机后可通过人机交互选择工作模式：(1)大视场场景扫描监视(2)小视场目标高分辨量子成像。两种模式可独立工作。其中模式(2)需要指定凝视的敏感区域坐标参数，该参数可以通过大视场场景扫描监视发现目标后给出，或者直接通过人机交互指定。大视场场景扫描监视模式进行扫描获得场景三维点云数据，由控制与图像计算模块进行自动检测和识别：如果发现敏感目标，则控制与图像计算模块根据敏感目标区域坐标控制所述瞄准镜瞄准该区域并进行小视场目标高分辨量子成像，最终使用高分辨量子成像结果实现对目标的智能识别及解析。

Claims (4)

1.一种智能级联量子成像探测系统，其特征在于，包括控制与图像计算模块、双波段激光器、激光雷达发射整形模块、第一反射镜、转镜、第二反射镜、扫描成像镜、阵列探测器、量子成像发射整形模块、扩束镜、第三反射镜、第四反射镜、瞄准镜、量子成像接收主镜、数字微镜器件DMD、聚光镜、选偏器和光电探测器；
所述双波段激光器具备532nm、1064nm两个出光口；
沿着1064nm出光口出射的激光方向依次是激光雷达发射整形模块、反射镜和转镜；经转镜的第一反射面发射出的探测光经目标反射的回波由转镜的第二反射面反射后，依次经过反射镜、扫描成像镜和阵列探测器；
沿着双波段激光器的532nm出光口出射的激光方向依次是量子成像发射整形模块、扩束镜、第三反射镜、第四反射镜和瞄准镜；经该瞄准镜发射的激光经目标反射后，再次经瞄准镜反射后，依次经过量子成像接收主镜，数字微镜器件DMD15、聚光镜、选偏器和光信号探测器；
所述的阵列探测器位于所述激光扫描成像镜的后焦面，所述的数字微镜器件DMD位于所述量子成像接收主镜的后焦面；
所述的转镜、阵列探测器、瞄准镜、数字微镜器件DMD分别与控制与图像计算模块连接，进行通信和数据传递，所述控制与图像计算模块控制转镜、阵列探测器、瞄准镜、数字微镜器件DMD同步工作。
2.根据权利要求1所述的智能级联量子成像探测系统，其特征在于，第四反射镜固定在量子成像接收主镜的中心位置。
3.根据权利要求1所述的智能级联量子成像探测系统，其特征在于，瞄准镜可以在水平、俯仰两个维度偏转，从而调整装置的关联量子成像视场。
4.根据权利要求1所述的智能级联量子成像探测系统，其特征在于，所述的转镜由所述的控制与图像计算模块控制转动速度，完成对空间区域的扫描覆盖和多次重复测量。
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