CN114455087B - 一种小型非扫描复合吊舱和安装方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种小型非扫描复合吊舱，包括：舱体以及设在所述舱体上的连接系统和复合成像系统；连接系统位于所述舱体的端部，用于与外部搭载平台相连；复合成像系统位于所述舱体的侧部或端部，用于成像；所述复合成像系统包括红外成像单元和可见光成像单元；所述红外成像单元的光轴沿水平线朝上倾斜，所述可见光成像单元的光轴沿水平线朝下倾斜，且所述红外成像单元的视场与所述可见光成像单元的视场部分重合；所述复合成像系统的数量为多个，多个所述复合成像系统沿周向间隔设在所述舱体的侧部，以形成环形视场。本申请能够显著降低虚警率。
Description
技术领域
本申请涉及非扫描探测技术领域，特别是涉及一种小型非扫描复合吊舱和安装方法。
背景技术
随着光电技术的发展，红外告警的应用越来越广泛，在城市成像、探测识别、实时预警等场合发挥越来越重要的作用。
然而，现有的红外告警技术或者凝视型长波红外告警的光电对抗设备，无法有效的识别出在视场范围内的红外目标是真实目标还是其他产生热源的民生设备，尤其是在对地观察的情况下，长波红外易受地面非目标因素的影响，存在误判和无法有效识别的问题，从而产生高虚警率。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种小型非扫描复合吊舱，能够显著降低虚警率。
一种小型非扫描复合吊舱，包括：舱体以及设在所述舱体上的：
连接系统，位于所述舱体的端部，用于与外部搭载平台相连；
复合成像系统，位于所述舱体的侧部或端部，用于成像；
所述复合成像系统包括红外成像单元和可见光成像单元；所述红外成像单元的光轴沿水平线朝上倾斜，所述可见光成像单元的光轴沿水平线朝下倾斜，且所述红外成像单元的视场与所述可见光成像单元的视场部分重合。
在一个实施例中，所述复合成像系统的数量为多个，多个所述复合成像系统沿周向间隔设在所述舱体的侧部，以形成环形视场。
在一个实施例中，所述复合成像系统的数量为五个，所述红外成像单元的光轴与所述可见光成像单元的光轴的夹角是30°。
在一个实施例中，还包括：电子腔；
所述电子腔位于所述舱体内，且所述电子腔的一端通过所述连接系统与外部搭载平台相连，另一端与所述复合成像系统相连。
在一个实施例中，所述连接系统包括：安装部、定位部与连接部；
所述安装部位于所述舱体的端部，用于与搭载平台相连；所述定位部设在所述安装部上，用于所述安装部的安装定位；所述连接部位于所述舱体的端部，用于信号的传递。
在一个实施例中，所述连接部包括第一插座与第二插座；
所述第一插座和所述第二插座的一端均与外部搭载平台相连，另一端均与所述电子腔相连；
所述第一插座用于为所述电子腔和所述复合成像系统提供电源，所述第二插座用于为外部搭载平台传递所述复合成像系统采集的信息。
在一个实施例中，所述舱体采用非金属材质制成，所述电子腔的壳体采用金属材质制成。
一种小型非扫描复合吊舱的安装方法，包括如下步骤：
步骤1，在舱体端部安装连接系统；
步骤2，根据系统的航向视场角要求和俯仰视场角要求，选择红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，以及可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距；根据红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到红外成像单元的红外航向角和红外俯仰角；根据可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到可见光成像单元的可见光航向角和可见光俯仰角；
步骤3，根据所述红外俯仰角和所述可见光俯仰角，得到红外成像单元与可见光成像单元的光轴夹角；根据所述红外航向角与所述可见光航向角，得到环形视场所需的复合成像系统的数量；
步骤4，基于所述光轴夹角与所述复合成像系统的数量，在舱体侧部安装红外成像单元和可见光成像单元。
在一个实施例中，步骤2的过程包括：
步骤2.1，根据系统的航向视场角要求和俯仰视场角要求，选择红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，以及可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距；
步骤2.2，根据红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到红外成像单元的红外航向角和红外俯仰角：
式中，Whh为红外航向角，mh1为红外成像单元探测器的航向像元数，xh1为红外成像单元探测器的航向像元尺寸，fh1为红外成像单元镜头的航向焦距；Whf为红外俯仰角，mh2为红外成像单元探测器的俯仰像元数，xh2为红外成像单元探测器的俯仰像元尺寸，fh1为红外成像单元镜头的俯仰焦距；
步骤2.3，根据可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到可见光成像单元的可见光航向角和可见光俯仰角：
式中，Wkh为可见光航向角，mk1为可见光成像单元探测器的航向像元数，xk1为可见光成像单元探测器的航向像元尺寸，fk1为可见光成像单元镜头的航向焦距；Wkf为可见光俯仰角，mk2为可见光成像单元探测器的俯仰像元数，xk2为可见光成像单元探测器的俯仰像元尺寸，fk2为可见光成像单元镜头的俯仰焦距。
在一个实施例中，步骤3的过程包括：
步骤3.1，根据所述红外俯仰角和所述可见光俯仰角，得到红外成像单元与可见光成像单元的光轴夹角：
P＝Whf+Wkf-90°
式中，P为光轴夹角，Whf为红外俯仰角，Wkf为可见俯仰角；
步骤3.2，根据所述红外航向角与所述可见光航向角，得到环形视场所需的复合成像系统的数量：
式中，Q为复合成像系统的数量，W为综合航向角，根据Whh和Wkh得到。
上述小型非扫描复合吊舱和安装方法，采用红外与可见光的复合系统，通过复合视场的有效覆盖，实现对目标的频谱甄别。对地观察的区域，人类活动频繁，选用可见光波段工作，由于民生设备主要是产生长波红外辐射的热源，其热量不足以在发生红外辐射的同时，发生可见光辐射，因此可以减少红外探测的虚警率；对地与天交界处观察的区域，人类活动影响变小，选用可见光与长波红外双波段同时工作，增加了探测距离，并减小了探测虚警率；对天探测的区域，由于背景较干净，选用长波红外探测波段，实现对目标的有效探测，但不会提高虚警率。本申请的复合系统可以支持全天候的探测和预警，并有效降低红外系统探测目标的虚警率，可以广泛推广于空对地探测中的无人机，也可用于飞机、直升机等领域，识别来袭目标的红外辐射，判断其威胁程度，并实时对来袭兵器进行探测和告警，使载体及时采取有效的自卫对抗措施。
附图说明
图1为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的立体结构示意图；
图2为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的结构正视图；
图3为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的结构俯视图；
图4为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的结构仰视图；
图5为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的复合视场示意图，a)为航向角视场，b)为俯仰角视场；
图6为一个实施例中小型非扫描复合吊舱的安装方法的流程示意图。
附图标记：
舱体1，红外成像单元21，可见光成像单元22，安装部31，定位部32，第一插座331，第二插座332，电子腔4。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1至图4所示，本申请提供的一种小型非扫描复合吊舱，在一个实施例中，包括：舱体1以及设在所述舱体1上的：
连接系统，位于所述舱体1的端部，用于与外部搭载平台相连；
复合成像系统，位于所述舱体1的侧部或端部，用于成像；所述复合成像系统包括红外成像单元21和可见光成像单元22；所述红外成像单元21的光轴沿水平线朝上倾斜，所述可见光成像单元22的光轴沿水平线朝下倾斜，且所述红外成像单元21的视场与所述可见光成像单元22的视场部分重合。
本申请不限制舱体的形状和尺寸，具体可以根据实际情况进行设置；例如：舱体设置为鼓形、圆柱形、多棱柱形或两个圆台的大面端扣在一起的形状等；优选地，舱体设置为鼓形。鼓形的舱体可以提高有效空间的利用率。
连接系统可以采用现有技术中成熟的连接方式，在此不再赘述。
成像系统，包括镜头与探测器；复合成像系统的红外成像单元21包括红外镜头与红外探测器，复合成像系统的可见光成像单元22包括可见光镜头与可见光探测器；另外需要说明的是，红外成像单元21可以采用长波红外镜头与长波红外探测器。
复合成像系统可以采用现有技术中成熟的方式固定在舱体1上，例如，螺栓连接、卡扣连接、夹持或者粘贴等。
与现有技术中复合探测组件的视场是同轴的作用方式不同，本实施例中，复合光电的中心视轴为非共轴，也就是说，红外成像单元的视场光轴与可见光成像单元的视场光轴不在一条直线上，因此可以实现大于60°的瞬时俯仰视场。
如图5所示，A为长波红外的俯仰视场角范围60°，B为可见光的俯仰视场角范围60°，C为长波红外与可见光复合的工作区域30°，也就是复合俯仰角范围。
本申请采用红外与可见光的复合系统，通过复合视场的有效覆盖，实现对目标的频谱甄别。对地观察的区域，人类活动频繁，选用可见光波段工作，由于民生设备主要是产生长波红外辐射的热源，其热量不足以在发生红外辐射的同时，发生可见光辐射，因此可以减少红外探测的虚警率；对地与天交界处观察的区域，人类活动影响变小，选用可见光与长波红外双波段同时工作，增加了探测距离，并减小了探测虚警率；对天探测的区域，由于背景较干净，选用长波红外探测波段，实现对目标的有效探测，但不会提高虚警率。本申请的复合系统可以支持全天候的探测和预警，并有效降低红外系统探测目标的虚警率，可以广泛推广于空对地探测中的无人机，也可用于飞机、直升机等领域，识别来袭目标的红外辐射，判断其威胁程度，并实时对来袭兵器进行探测和告警，使载体及时采取有效的自卫对抗措施。
在一个实施例中，所述舱体1采用非金属材质制成。
优选地，舱体1选用碳纤维材料，可有效减重并易于加工，使得吊舱的体积小、重量轻，可以满足小型机负载的要求。
在一个实施例中，所述复合成像系统的数量为多个，多个所述复合成像系统沿周向间隔设在所述舱体的侧部，以形成环形视场。
与现有技术中常用的鱼眼镜头不同，本实施例的主要工作区域不是以视轴为中心的矩形视场角，而是视场角很大的环形视场，且畸变小，变形少。
优选地，复合成像系统均匀设在舱体的侧部，以形成360°的环形视场，可以同时实现360°全周视场的目标探测和跟踪信息的输出，同一时刻可以采集到的视场，即瞬时视场可以达到俯仰90°以及航向360°。
更进一步优选地，所述复合成像系统的数量为五个，所述红外成像单元21的光轴与所述可见光成像单元22的光轴的夹角是30°。
在本实施例中，较少受制于视场角与分辨率的反比关系，红外与可见光复合的成像模式可以满足视场角与分辨率的兼容，并实现俯仰视场角与方位周视视场角(即航向视场角)同时满足大视场的需求。
一组红外与可见光复合可以实现航向视场角72°×俯仰视场角±45°的效果，五组复合系统可以满足航向视场角360°×俯仰视场角90°的大视场角要求。
在一个实施例中，还包括：电子腔4；所述电子腔4位于所述舱体1内，且所述电子腔4的一端通过所述连接系统与外部搭载平台相连，另一端与所述复合成像系统相连。
优选地，电子舱4位于舱体1的中心。
所述电子腔4的壳体采用金属材质制成。金属材质可以增加核心区域的结构支撑，同时实现抗电磁干扰。
电子舱4的形状采用圆柱形，可以提高电子舱4的有效空间利用。
在一个实施例中，所述连接系统包括：安装部31、定位部32与连接部；所述安装部31位于所述舱体1的端部，用于与搭载平台相连；所述定位部32设在所述安装部31上，用于所述安装部31的安装定位；所述连接部位于所述舱体1的端部，用于信号的传递。
在本实施例中，安装部31可以使用现有技术中成熟的连接部件，以实现与搭载平台之间的捷联安装，例如，圆形法兰。安装部31与搭载平台只需要在初期安装时进行装校，即可保证相对输出位置的精确性。
定位部32可以是一个设置在安装部上的凹槽，以确保安装部31与搭载平台之间安装到位。
所述连接部包括第一插座331与第二插座332；所述第一插座331和所述第二插座332的一端均与外部搭载平台相连，另一端均与所述电子腔4相连；所述第一插座331用于为所述电子腔4和所述复合成像系统提供电源，所述第二插座332用于为外部搭载平台传递所述复合成像系统采集的信息。
本实施例的工作过程是：外部搭载平台或者电源经过第一插座给电子舱提供电源，电子舱为复合成像系统供电；复合成像系统的红外成像单元与可见光成像单元分别采集红外图像与可见光图像，并在电子舱内部进行视频分析与处理，迅速解算出目标信息，简单快捷，然后将相关信息经过第二插座传递给外部搭载平台。
如图6所示，本申请提供的一种小型非扫描复合吊舱的安装方法，包括如下步骤：
步骤602，在舱体端部安装连接系统。
步骤604，根据系统的航向视场角要求和俯仰视场角要求，选择红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，以及可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距；
需要说明，像元数、像元尺寸和焦距可以根据现有技术选择；
视场角计算公式：
式中，W为航向角，m为成像单元的探测器的像元数，x为成像单元的探测器的像元尺寸，f为成像单元的镜头的焦距；
根据上述公式，代入红外成像单元的像元数(即红外探测器的像元数)、像元尺寸以及焦距，可以得到红外航向角Whh和红外俯仰角Whf；同理，代入可见光成像单元的像元数(即可见光探测器的像元数)、像元尺寸以及焦距，可以得到可见光航向角Wkh和可见光俯仰角Wkf。
具体的：
根据红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到红外成像单元的红外航向角和红外俯仰角；
式中，Whh为红外航向角，mh1为红外成像单元探测器的航向像元数，xh1为红外成像单元探测器的航向像元尺寸，fh1为红外成像单元镜头的航向焦距；Whf为红外俯仰角，mh2为红外成像单元探测器的俯仰像元数，xh2为红外成像单元探测器的俯仰像元尺寸，fh1为红外成像单元镜头的俯仰焦距；
根据可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到可见光成像单元的可见光航向角和可见光俯仰角；
式中，Wkh为可见光航向角，mk1为可见光成像单元探测器的航向像元数，xk1为可见光成像单元探测器的航向像元尺寸，fk1为可见光成像单元镜头的航向焦距；Wkf为可见光俯仰角，mk2为可见光成像单元探测器的俯仰像元数，xk2为可见光成像单元探测器的俯仰像元尺寸，fk2为可见光成像单元镜头的俯仰焦距。
步骤606，根据所述红外俯仰角和所述可见光俯仰角，得到红外成像单元与可见光成像单元的光轴夹角；
光轴夹角计算公式：
P＝Whf+Wkf-90°
式中，P为光轴夹角，Whf为红外俯仰角，Wkf为可见俯仰角；
根据所述红外航向角与所述可见光航向角，得到环形视场所需的复合成像系统的数量：
根据Whh和Wkh，取平均值得到综合航向角W，然后：
式中，Q为复合成像系统的数量，W为综合航向角。
步骤608，基于所述光轴夹角与所述复合成像系统的数量，在舱体侧部安装红外成像单元和可见光成像单元。
在一个具体的实施例中，选用红外与可见光分区复合模式，根据工作区域的划分要求也就是航向视场要求360°与俯仰视场要求90°，选择红外成像单元的像素数(即像元数)比值为640：512，像元大小(即像元尺寸)为17um×17um，选择最优红外镜头焦距；选择可见光成像单元的像素数比值为2448：1980，像元大小为3.8um×3.8um，选择最优可见光镜头焦距。
此时，对于红外成像单元，计算可得视场角为72.6°×60.9°，即Whh＝72.6°，Whf＝60.9°；
同理，对于可见光成像单元，计算可得视场角为72.01°×60.9°，即Wkh＝72.01°，Wkf＝60.9°；
根据Whf＝60.9°和Wkf＝60.9°，得到光轴夹角约30°。
根据Whh＝72.6°和Wkh＝72.01°，取平均值得W＝72°。
由于水平视场角即航向角的总值为360°，因此选择Q＝5组，可达到最优化复合效果：系统作用距离大于等于5km，系统分辨率小于0.5°×0.5°(此时，可见光的分辨率大于红外分辨率，因此取红外参数进行计算，目标在成像系统靶面上不少于3像素×3像素时，系统分辨率约为0.4°×0.4°)，系统的水平视场角360°，俯仰视场角90°。
当复合成像系统的数量变多时，焦距变长，红外航向视场角和可见光航向视场角均变小，红外俯仰视场角与可见光俯仰视场角的拼接重叠范围变小，系统的分辨率增加。
例如，当复合数量为6组时，红外航向视场角与可见光航向视场角均≥60°，红外俯仰视场角为49.7°，可见光俯仰视场角50.3°，俯仰视场的光轴夹角为10°，系统的最小分辨率在3像素×3像素，约为0.31°×0.31°。
当光轴夹角变为0°时，红外视场角变为航向54.7°×俯仰45°，此时，复合数量约6.8组。
当复合的数量为7组或更多时，焦距变更长，航向视场角变更小，俯仰方向的视场角会＜90°，系统的分辨率更大，满足不了系统俯仰视场角的需求，如果要满足，可通过俯仰方向的复合系统数量增加3组以上来实现，但是随着系统复合组数的增加，整个组件成本、后端处理成本、重量都会相应的增加。
当复合成像系统的数量变少时，镜头焦距选择变小，红外航向视场角和可见光航向视场角均增大，单个像素的系统的分辨率降低，也可以达成本方案的基本要求。
例如，当复合数量为4组时，红外航向视场角与可见光航向视场角均≥90°，系统的最小分辨率在3像素×3像素，约为0.54°×0.54°。
当复合的数量小于4组时，焦距选择变更小，航向视场角变更大，系统的分辨率更低。
因此，复合数量为5组，可以达到最优的复合效果，满足360°的周向航向视场与90°的水平俯仰视场，且系统分辨率小，分辨精度高。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在舱体端部安装连接系统；
步骤2，根据系统的航向视场角要求和俯仰视场角要求，选择红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，以及可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距；根据红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到红外成像单元的红外航向角和红外俯仰角；根据可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到可见光成像单元的可见光航向角和可见光俯仰角；
步骤3，根据所述红外俯仰角和所述可见光俯仰角，得到红外成像单元与可见光成像单元的光轴夹角；根据所述红外航向角与所述可见光航向角，得到环形视场所需的复合成像系统的数量；
步骤4，基于所述光轴夹角与所述复合成像系统的数量，在舱体侧部安装红外成像单元和可见光成像单元；
步骤2的过程包括：
步骤2.1，根据系统的航向视场角要求和俯仰视场角要求，选择红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，以及可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距；
步骤2.2，根据红外成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到红外成像单元的红外航向角和红外俯仰角：
;
;
式中，W hh为红外航向角，m h1为红外成像单元探测器的航向像元数，x h1为红外成像单元探测器的航向像元尺寸，f h1为红外成像单元镜头的航向焦距；W hf为红外俯仰角，m h2为红外成像单元探测器的俯仰像元数，x h2为红外成像单元探测器的俯仰像元尺寸，f h2为红外成像单元镜头的俯仰焦距；
步骤2.3，根据可见光成像单元的像元数、像元尺寸和焦距，计算得到可见光成像单元的可见光航向角和可见光俯仰角：
;
;
式中，W kh为可见光航向角，m k1为可见光成像单元探测器的航向像元数，x k1为可见光成像单元探测器的航向像元尺寸，f k1为可见光成像单元镜头的航向焦距；W kf为可见光俯仰角，m k2为可见光成像单元探测器的俯仰像元数，x k2为可见光成像单元探测器的俯仰像元尺寸，f k2为可见光成像单元镜头的俯仰焦距；
小型非扫描复合吊舱包括：舱体以及设在所述舱体上的：
连接系统，位于所述舱体的端部，用于与外部搭载平台相连；
复合成像系统，位于所述舱体的侧部或端部，用于成像；
所述复合成像系统包括红外成像单元和可见光成像单元；所述红外成像单元的光轴沿水平线朝上倾斜，所述可见光成像单元的光轴沿水平线朝下倾斜，且所述红外成像单元的视场与所述可见光成像单元的视场部分重合；
所述复合成像系统的数量为多个，多个所述复合成像系统沿周向间隔设在所述舱体的侧部，以形成环形视场；所述红外成像单元的光轴与所述可见光成像单元的光轴的夹角是30°。
2.根据权利要求1所述的小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，步骤3的过程包括：
步骤3.1，根据所述红外俯仰角和所述可见光俯仰角，得到红外成像单元与可见光成像单元的光轴夹角：
P=W hf+W kf-90°;
式中，P为光轴夹角，W hf为红外俯仰角，W kf为可见光俯仰角；
步骤3.2，根据所述红外航向角与所述可见光航向角，得到环形视场所需的复合成像系统的数量：
;
式中，Q为复合成像系统的数量，W为综合航向角，根据W hh和W kh取平均值得到。
3.根据权利要求1或2 所述的小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，还包括：电子腔；
所述电子腔位于所述舱体内，且所述电子腔的一端通过所述连接系统与外部搭载平台相连，另一端与所述复合成像系统相连。
4.根据权利要求3所述的小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，所述连接系统包括：安装部、定位部与连接部；
所述安装部位于所述舱体的端部，用于与搭载平台相连；所述定位部设在所述安装部上，用于所述安装部的安装定位；所述连接部位于所述舱体的端部，用于信号的传递。
5.根据权利要求4所述的小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，所述连接部包括第一插座与第二插座；
所述第一插座和所述第二插座的一端均与外部搭载平台相连，另一端均与所述电子腔相连；
所述第一插座用于为所述电子腔和所述复合成像系统提供电源，所述第二插座用于为外部搭载平台传递所述复合成像系统采集的信息。
6.根据权利要求5所述的小型非扫描复合吊舱的安装方法，其特征在于，所述舱体采用非金属材质制成，所述电子腔的壳体采用金属材质制成。
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