CN114518174A - 一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航天红外光电遥感探测技术领域，更具体的说，涉及一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法。本发明提供了一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，包括以下步骤：采用三个光学镜头对同一视场同时成像；将三个面阵探测器分别排列布局在与光学镜头对应的焦平面位置，分别生成成像图像；通过光学镜头和/或面阵探测器的交错拼接，将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，生成对同一视场的完整无缝成像结果。本方法通过三个光学镜头对同一目标成像，结合三个面阵探测器的交错拼接形成完整无缝图像，光学系统设计简单，且拼接不存在视场盲区。

Description

一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法
技术领域
本发明涉及航天红外光电遥感探测技术领域，更具体的说，涉及一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法。
背景技术
红外大面阵探测系统对红外探测以及天文广域巡天能力的提升具有重要意义，是红外探测系统的发展方向。
目前，大面阵红外探测器的拼接方法主要分为以下两种：
一种是多探测器的机械拼接。例如，中国发明专利CN113514150A提出了一种模块化的三维可调探测器拼接机构，包括探测器模块、模块基板、安装基板、冷链、柔性电缆、接插件、连接杆、调节垫片等。拼接结构中包含2个或2个以上的探测器模块，探测器模块安装在模块基板上面，底部连接杆设有高度调节垫片用于调整探测器模块阵列的平面度，安装基板上的安装孔内径略大于连接杆外径，用于调节探测器水平方向安装精度，探测器模块的电学信号通过柔性冷链引出，焦耳热通过冷链导出。上述机械拼接方法中，单个探测器模块独立，替换性强，但无法减小由于有效像元区域到模块边缘距离导致的拼缝。
另一种是结合光学系统及面阵探测器拼接的方法。例如，中国发明专利CN106813781B提出的一种红外探测器超大面阵复合拼接方法，基于现有小规模的面阵器件，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线横线方向上重叠一个像元；另一组按照棋盘格黑色格子排列，当两个探测器有相邻的角时，在沿棋盘线竖线方向上重叠一个像元。最终形成两个互补且有重叠的探测器组件。然后利用光学拼接方法，采用分光棱镜分出两条光路，将两个探测器组件放在两条光路的共轭像面上，对同一视场采集图像。最后对两幅图像进行数据处理，互相填补。上述拼接方法采用棱镜分光与探测器机械拼接的方法实现大面阵探测器的拼接，但是，对光学系统的要求高且拼接后的像面仍存在视场盲区。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，解决现有技术的红外面阵探测器机械拼接方式中成像盲区大的问题。
本发明的又一目的是提供一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，解决现有技术的红外面阵探测器光学拼接方式中光学系统复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了.一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，包括以下步骤：
采用三个光学镜头对同一视场同时成像；
将三个面阵探测器分别排列布局在与光学镜头对应的焦平面位置，分别生成成像图像；
通过光学镜头和/或面阵探测器的交错拼接，将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，生成对同一视场的完整无缝成像结果。
在一实施例中，所述将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，进一步包括：
按照一定重叠数量将相邻面阵探测器的成像图像的行或列像元进行重叠，所述重叠数量不小于一个像元。
在一实施例中，所述面阵探测器由数个面阵探测单元构成，所述面阵探测单元按照预设间距进行矩阵棋盘式交错排列：
其中，面阵探测单元的数量为m×n；
m为在每一行的面阵探测单元数量；
n为在每一列的面阵探测单元数量。
在一实施例中，将所述三个光学镜头平行放置，所述平行放置方向为第一方向；
将相邻面阵探测器平移相同的指定间距，实现相邻探测器的行或列像元重叠。
在一实施例中，将所述面阵探测器的行方向设置为第一方向；
所述面阵探测器的面阵探测单元，在第一方向上按照间距L排列；
将相邻面阵探测器平移L-a，进行成像图像两两拼接；
其中，L为相邻面阵探测单元在第一方向上的间距，a为相邻面阵探测器在第一方向上的重叠宽度。
在一实施例中，所述面阵探测单元由矩阵式排列的像元组成，总像元数量为M×N；
其中，M为在每一行的像元数量；
N为在每一列的像元数量。
在一实施例中，在对应面阵探测器的水平方向，三个光学镜头之间设置一定夹角；
通过光学镜头视场拼接的方式将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，实现相邻探测器的行或列像元进行重叠。
在一实施例中，相邻光学镜头在对应的面阵探测器像面上形成错位重叠，重叠宽度为相邻光学镜头所形成的像高之差。
在一实施例中，无旋转角度的光学镜头入射角度为w，平行光入射形成的像高为y，对应表达式为：y＝f’tan w，f’为光学镜头的焦距。
在一实施例中，在对应面阵探测器的水平方向，对相邻的光学镜头设置一夹角
Figure BDA0003511160090000031
平行光入射形成的像高为y′，对应表达式为：
Figure BDA0003511160090000032
本发明提供的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，通过三个光学镜头对同一目标成像，结合三个面阵探测器的拼接形成无缝拼接的图像，光学系统设计简单且拼接不存在视场盲区。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了根据本发明一实施例的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法流程图；
图2揭示了根据本发明一实施例的三镜头与面阵探测器的连接示意图；
图3揭示了根据本发明一实施例的单个面阵探测器的结构示意图；
图4揭示了根据本发明实施例1的三镜头与面阵探测器的拼接图像示意图；
图5揭示了根据本发明实施例1的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接的结果示意图；
图6a揭示了根据本发明实施例2的光学镜头无旋转角度的成像示意图；
图6b揭示了根据本发明实施例2的光学镜头旋转一定角度的成像示意图。
图中各附图标记的含义如下：
110 光学镜头；
120 光学镜头；
130 光学镜头；
210 面阵探测器；
220 面阵探测器；
230 面阵探测器；
240 面阵探测单元；
300 焦平面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
针对传统红外面阵探测器机械拼接的成像盲区大，光学拼接时光学系统复杂的技术问题，本发明提供了一种基于三镜头与面阵探测器拼接的无缝拼接方法，适用于大视场凝视探测系统，尤其适用于大视场凝视红外探测系统。
图1揭示了根据本发明一实施例的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法流程图，如图1所示，本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，包括以下步骤：
步骤S1、采用三个光学镜头对同一视场同时成像；
步骤S2、将三个面阵探测器分别排列布局在与光学镜头对应的焦平面位置，分别生成成像图像；
步骤S3、通过光学镜头和/或面阵探测器的交错拼接，将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，生成对同一视场的完整无缝成像结果。
图2揭示了根据本发明一实施例的三镜头与面阵探测器的连接示意图，如图2所示，三个光学镜头包括光学镜头110、光学镜头120和光学镜头130。对应的三个面阵探测器包括面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230。
光学镜头110与面阵探测器210相对应，光学镜头120与面阵探测器220相对应，光学镜头130与面阵探测器230相对应。
面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230分别布置在焦平面300上的不同位置。
本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，通过将三个具有相同视场的光学镜头110、光学镜头120和光学镜头130对目标进行同时成像，利用三个面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230布置在焦平面300上的不同位置，通过光学镜头和/或面阵探测器的交错拼接，实现大面阵相机的大视场无缝拼接成像。
图3揭示了根据本发明一实施例的单个面阵探测器的结构示意图，如图3所示，每个面阵探测器均由数个面阵探测单元240构成，所述面阵探测单元240按照预设间距进行矩阵棋盘式交错排列。
其中，每个面阵探测器中的面阵探测单元的数量为m×n；
m为在每一行的面阵探测单元的数量；
n为在每一列的面阵探测单元的数量。
如图3所示，由于每个面阵探测器的面阵探测单元240在行方向与列方向是交错排列的，那么显然，本发明在计算面阵探测单元240的总数时，需要将行方向与列方向对齐来计算数量，即在图3所示的面阵探测器中，行方向的面阵探测单元240的数量为4，列方向的面阵探测单元240的数量为5，图3的面阵探测器的面阵探测单元240的总数为20。
面阵探测单元的规格相同，均是由矩阵式排列的像元组成，每个面阵探测单元的总的像元数量为M×N；
其中，M为在每一行的像元数量；
N为在每一列的像元数量。
更进一步的，为了保证视场的完整性，三个面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230交错拼接，相邻面阵探测器的行或列有一定数量的列或行像元重叠，重叠数量不小于一个像元。
更进一步的，本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法中，相邻面阵探测器的成像图像的行或列有一定数量的列或行像元进行重叠，可通过以下两种方式实现：
1)三个光学镜头平行放置，通过三个面阵探测器上探测器的布局间距，实现相邻面阵探测器的像元重叠搭接；
2)在对应面阵探测器的水平方向，三个光学镜头的相邻镜头之间设置一定夹角，仅通过视场拼接的方式，实现相邻面阵探测器的像元重叠搭接。
下面通过实施例1和实施例2分别说明以上两种实现方式。
实施例1
以三个规格相同的面阵探测器拼接为的大面阵探测器为例说明本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法的第一种重叠实现方式。
图4揭示了根据本发明一实施例的三镜头与面阵探测器的拼接图像示意图，图5揭示了根据本发明一实施例的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接的结果示意图，如图4和图5所示的实施例1中，本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法具体的实施步骤如下：
将三个光学镜头110、光学镜头120和光学镜头130平行放置，采用三个光学镜头110、光学镜头120和光学镜头130对同一视场同时成像，其中，光学系统的三个光学镜头的参数相同，视场大小相同；
将三个待拼接的面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230分别排列布局在与光学镜头110、光学镜头120和光学镜头130对应的焦平面位置，面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230的面阵探测单元规格均为M×N，对应的示例图案在图4的右侧说明；
将面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230的行方向设置为第一方向，即面阵探测器的面阵探测单元的行排列方向设置为三个光学镜头的平行放置方向；
将面阵探测单元在第一方向上按照间距L排列，相邻的两个面阵探测单元的间距为L。
将相邻面阵探测器平移相同的指定间距L-a，实现相邻探测器的行或列像元重叠，进而实现成像图像两两拼接。
相邻面阵探测器在第一方向上的重叠宽度为a。
更具体的说，三个面阵探测器210、面阵探测器220、和面阵探测器230拼接的物理平移情况如下：
面阵探测器220相较于面阵探测器210在焦平面的行方向向右平移，平移距离为(L-a)；
面阵探测器230在焦平面相较于面阵探测器220的行方向向右平移的距离为(L-a)；
最终形成等效于(3m×M)×(n×N)的大面阵探测器。
需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“行方向”、“列方向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图5揭示了根据本发明一实施例的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接的结果示意图，如图5所示的大面阵探测器的拼接效果，不存在视场盲区，实现对大视场凝视红外探测图像的无缝拼接。
实施例2
以三个规格相同的面阵探测器拼接为的大面阵探测器为例说明本发明提出的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法的第二种重叠实现方式。
图6a揭示了根据本发明实施例2的光学镜头无旋转角度的成像示意图，如图6a所示，对于同一视场目标，光学镜头相当于平行光入射，对于某一角度w，平行光入射，形成的像高为y，对应表达式如下：
y＝f’tan w；
其中，f’为光学镜头的焦距。
图6b揭示了根据本发明实施例2的光学镜头旋转一定角度的成像示意图，如图6b所示，不同与实施例1，本发明的实施例2中的相邻面阵探测器在第一方向上的重叠宽度a＝0，而是将相邻的光学镜头之间设置一个小夹角
Figure BDA0003511160090000081
入射角度变为
Figure BDA0003511160090000082
此时的像高为y′，对应表达式为：
Figure BDA0003511160090000083
从而，相邻光学镜头在对应的面阵探测器像面上形成错位重叠，重叠宽度为y-y′。
本发明的实施例2，通过光学镜头之间设置夹角的方式，实现相邻面阵探测器的成像图像的行或列像元重叠。
本发明提供的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，通过三个光学镜头对同一目标成像，结合三个面阵探测器的拼接形成无缝拼接的图像，光学系统设计简单且拼接不存在视场盲区。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用三个光学镜头对同一视场同时成像；
将三个面阵探测器分别排列布局在与光学镜头对应的焦平面位置，分别生成成像图像；
通过光学镜头和/或面阵探测器的交错拼接，将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，生成对同一视场的完整无缝成像结果。
2.根据权利要求1所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，所述将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，进一步包括：
按照一定重叠数量将相邻面阵探测器的成像图像的行或列像元进行重叠，所述重叠数量不小于一个像元。
3.根据权利要求2所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，所述面阵探测器由数个面阵探测单元构成，所述面阵探测单元按照预设间距进行矩阵棋盘式交错排列：
其中，每个面阵探测器中的面阵探测单元的数量为m×n；
m为在每一行的面阵探测单元的数量；
n为在每一列的面阵探测单元的数量。
4.根据权利要求3所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，将所述三个光学镜头平行放置，所述平行放置方向为第一方向；
将相邻面阵探测器平移相同的指定间距，实现相邻面阵探测器的行或列像元重叠。
5.根据权利要求4所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，将所述面阵探测器的行方向设置为第一方向；
所述面阵探测器的面阵探测单元，在第一方向上按照间距L排列；
将相邻面阵探测器平移L-a，实现成像图像两两拼接；
其中，L为相邻面阵探测单元在第一方向上的间距，a为相邻面阵探测器在第一方向上的重叠宽度。
6.根据权利要求3所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，所述面阵探测单元由矩阵式排列的像元组成，总像元数量为M×N；
其中，M为在每一行的像元数量；
N为在每一列的像元数量。
7.根据权利要求3所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，在对应面阵探测器的水平方向，相邻光学镜头之间设置一夹角；
通过光学镜头视场拼接的方式将相邻面阵探测器的成像图像两两拼接，实现相邻面阵探测器的行或列像元进行重叠。
8.根据权利要求7所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，相邻光学镜头在对应的面阵探测器像面上形成错位重叠，重叠宽度为相邻光学镜头所形成的像高之差。
9.根据权利要求8所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，对于无旋转角度的光学镜头，平行光入射角度为w，形成的像高为y，对应表达式为：y＝f’tanw，f’为光学镜头的焦距。
10.根据权利要求9所述的基于三镜头与面阵探测器的无缝拼接方法，其特征在于，在对应面阵探测器的水平方向，对相邻的光学镜头设置一夹角
Figure FDA0003511160080000021
平行光入射形成的像高为y′，对应表达式为：
Figure FDA0003511160080000022
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