CN116233570A - 一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置及方法，涉及成像设备技术领域，包括：设置于头盔左右两侧的光源和相机，所述光源和相机通过同步信号线连接；所述光源为近红外激光线扫描光源，所述光源包括半导体红外激光器、振镜、准直透镜和鲍威尔棱镜；所述相机为具备卷帘快门曝光功能的近红外相机，所述相机包括近红外图像传感器和同步信号模块，所述近红外图像传感器的曝光方式为卷帘快门形式，所述同步信号模块的输出包括场同步信号和行同步扫描信号。本发明中通过近红外激光线扫描光源与近红外相机卷帘快门方式降低了进入近红外相机的后向散射光，从光学角度降低了后向散射对图像对比度和清晰度的影响，从源头提高了成像的质量。

Description

一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置及方法

技术领域

本发明涉及成像设备技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置及方法。

背景技术

火灾现场视觉探测直接影响火场救援，但低能见度下的火场环境使得救援人员不能够快速准确识别火场中的信息，以致于无法及时营救遇险人员。火灾中燃烧物的不完全燃烧产生了大量烟雾，导致人眼的可见度直线下降，促使原本十分熟悉的环境变的无法辨认。火场环境燃烧产生的粒子因其光学特性对设备成像质量有较大影响，其影响主要表现在烟雾粒子对光线的散射，烟雾粒子的散射作用使红外成像对比度降低，所以消防救援领域关键技术之一是在低能见度下实现对人员和物体清晰成像。

目前从光学角度出发缓解烟雾粒子散射主要有三个技术途径：偏振成像技术、距离选通成像技术和减小光路重叠技术。目前最为直接减小散射的方法是减小光路重叠技术，减小光源与相机光路的重叠区，光源与相机的摆放关系如图1所示。图1(a)中，当相机和光源位置相邻时，相机与光源光路区域存在大面积重合，散射区11变大，受到后向散射光线影响较为强烈。图1(b)中，光源与相机之间分开一定的距离，光路重合区域减小，散射区11变小，后向散射影响减小，减小的程度和相机与光源之间的距离呈现正相关，但光源与相机的大距离不利于实际现场的安装和操作。图1(c)光源与相机光路完全不存在重合，仅仅依靠光源路径上的散射光5实现对相机部分视场照明，由于相机与光源光路不存在重合区域，所以后向散射影响最小，但此方法为照亮目标面，需要光源的功率大幅度提高。

在减小光路重叠技术中，为了进一步减小光路的重合，专利CN106534632A提出了“同步扫描成像系统”，但该系统对光源与相机的安装距离要求大于1/2最远成像距离，且系统在安装位置确定后，只能够对固定距离目标面成像。为了解决此问题，发明CN109581787A提出了“一种使用激光点扫描的水下成像装置及方法”，该方法使用二维激光点扫描光源，以及具备卷帘快门曝光的CMOS相机，通过点状激光同步扫描照亮相机瞬时视场。该方法中要求二维激光扫描的水平扫描频率尽可能高，此外，当提高

水平扫描频率就必须减小反射镜的尺寸，光斑聚集在1毫米左右的反射镜上，5将会导致反射镜内部构件烧毁，这就限制了有效探测距离。为了克服该缺点，

专利CN113596298A提出了“一种水下激光同步场扫描成像装置及方法”，主要包含线状激光源和卷帘快门曝光的sCMOS图像传感器相机。通过线状激光源对瞬时视场同步扫描照明，以此来减小水下成像中的后向散射影响。

综上所述，以上方法在水下去后向散射中取得了较好的成果，但以上方法对0于低能见度下实现透烟透雾成像是不适用的。有以下几点原因，第一，以上方法都是针对水下去后向散射影响，所以使用光源均为可见光，具体都是蓝色或者绿色光源，目的是为了减小水中粒子对激光的衰减作用。然而，透烟透雾成像中更多需要考量的因素是散射效应，且蓝色和绿色激光对于人眼会

造成不可逆转的伤害。所以，在透烟透雾成像中应使用波长更长的光源。一5方面减小后向散射影响，另一方面，避免对于人眼的伤害。第二，以上方法

中所采用的相机，均为可见光波段的CMOS相机，且以上方法中所述相机对于近红外波段成像没有进行任何的优化处理，因此在空气中使用近红外光源时，存在响应严重不足，灵敏度下降问题。第三，以上所述后两种方法设备

位置关系中，其光源与相机均为上下安装的放置关系，该安装关系会占据较0大的纵向空间，难以应用于穿戴式设备中，因此，上述三种发明所涉及技术，

均无法在火场中的透烟透雾成像领域获得应用。

发明内容

根据上述提出近红外成像设备在火场救援，浓烟浓雾等环境下图像对比5度下降，有效探测距离不足的技术问题，而提供一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置及方法，可以极大程度减小近红外波段透烟透雾成像中的后向散射影响。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置，包括：设置于头盔左右两侧0的光源和相机，所述光源和相机通过同步信号线连接；

所述光源为近红外激光线扫描光源，所述光源包括半导体红外激光器、振镜、准直透镜和鲍威尔棱镜，所述半导体红外激光器产生一束近红外激光，所述近红外激光通过准直透镜变为平行激光，所述平行激光束通过鲍威尔棱镜形成线状激光，所述线状激光通过振镜反射到目标面上形成线状光斑，所述振镜在振镜驱动信号控制下进行一维摆动；

所述相机为具备卷帘快门曝光功能的近红外相机，所述相机包括近红外图像传感器和同步信号模块，所述近红外图像传感器的曝光方式为卷帘快门形式，所述近红外图像传感器以条带状曝光区域对成像面实现滚动式曝光，所述同步信号模块的输出包括场同步信号和行同步扫描信号；当所述近红外图像传感器以卷帘快门形式曝光时，所述同步信号模块同时输出场同步信号。

进一步地，条带状曝光视场与条带状曝光区域的移动方向一致，所述条带状曝光区域的行数受曝光时间控制，当曝光时间减小时条带状曝光区域变窄，同时目标面上的条带状曝光视场变窄，随着条带状曝光视场对目标面完成一次滚动式扫描。

进一步地，所述行同步信号通过同步电路模块发送至微控制器，所述微控制器通过控制振镜驱动信号改变振镜摆动角度，进而使振镜进行一维摆动。

进一步地，所述线状光斑的摆动方向与相机的曝光视场移动方向一致，使目标面上瞬时曝光视场依次被照亮，进而使整个视场被光源照射。

进一步地，所述光源的照明方式包括直接红外照明法和间接式红外照明法，所述直接红外照明法的近红外激光线扫描区域与相机行曝光区域重合，所述间接式红外照明法的近红外激光线扫描区域与相机曝光区域不重合，通过近红外激光路径上的散射光对曝光区域红外照明。

本发明还提供了一种基于近红外波段的透烟透雾成像方法，基于上述任一项基于近红外波段的透烟透雾成像装置实现，包括如下步骤：

所述图像传感器开始以卷帘快门曝光，所述同步信号模块向光源中的同步电路模块发送场同步信号；

所述同步电路模块接收场同步信号并发送时序脉冲给光源中的微控制器；

所述微控制器控制红外激光器发出激光，所述激光经过振镜反射后照射到成像目标面上，所述激光在目标面形成一条线状激光光斑，所述线状激光光斑与图像传感器的曝光视场重合；

所述同步信号模块将图像传感器内部重置寄存器的行同步扫描信号缓冲后，通过同步信号线发送至光源；

所述光源接收行同步扫描信号并改变振镜中反射镜的角度，使线状激光光斑与相机中曝光视场同向运动并保持重合，直至一次曝光结束；

所述线状激光光斑运行到目标面的最左端时，所述同步信号模块发送场消隐信号至光源；

所述光源接收场消隐信号后控制红外激光器模块停止输出激光，振镜驱动控制振镜反射角度转变，使振镜角度回到场开始位置。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、光学去后向散射能力。本发明中通过近红外激光线扫描光源与近红外相机卷帘快门方式降低了进入近红外相机的后向散射光，从光学角度降低了后向散射对图像对比度和清晰度的影响，从源头提高了成像的质量；

2、成像系统结构紧凑，可形成穿戴设备。本发明中所述光源采用线状近红外光源，光源光路极窄，因此光源与相机可以更加紧凑放置，实现了可以安装在穿戴人员头盔的两侧；

3、本发明通过设置光源的直接照明模式，可以极大程度减小相机与近红外激光线扫描光源的光路重合区域，降低烟雾散射带来的影响。本发明通过设置光源的间接照明模式，依靠近红外激光路径上的散射光对曝光区域红外照明，这种照明方式光路不重合，散射影响极小。

4、本发明中相机采用卷帘快门的曝光形式，在目标面上形成条带状曝光视场，与线状激光扫描光源发出的光斑极大的降低了光路重合的体积。

5、本发明采用近红外激光，近红外激光波长较长，不会对人眼产生危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为宏观角度光源与相机摆放位置及光路重合程度的示意图；图1a为光源与相机近距离放置，光路大范围重合示意图；图1b为光源相机远距离放置，光路重叠范围减小示意图；图1c为光源与相机近距离放置，光路不重合，利用散射光进行照明示意图。

图2为本发明装置示意图。

图3为本发明相机内部构成示意图。

图4为本发明光源内部结构示意图。

图5为本发明装置运行过程时序示意图。

图中：1、相机；2、光源；3、头盔；4、同步信号线；5、散射光；6、光路；7、目标面；8、光斑；9、曝光视场；10、同向运动；11、散射区。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置，如图2-5所示，所述装置由光源2和相机1，以及头盔3组成。头盔3并非本发明唯一的实施方式，采用头带、胸带等其他载具亦可。所述光源2为近红外激光线扫描光源，所述相机1为具备卷帘快门(rollingshutter)曝光功能的近红外相机。光源2安装在穿戴人员头盔3的一侧，相机1安装在穿戴人员头盔3的另一侧，相机1与光源2之间通过同步信号线4连接。

近红外激光线扫描光源1由半导体红外激光器(IRlaser)和振镜组成，振镜受振镜驱动信号控制，在振镜驱动控制下实现摆动，其摆动过程是受驱动信号控制的一维摆动。半导体红外激光器产生一束近红外激光，近红外激光通过准直透镜变为平行激光，平行激光束通过鲍威尔棱镜形成线状激光，最后通过振镜反射到目标面上形成线状光斑8。随着振镜的摆动，线状光斑8依次照亮相机曝光视场9，以此来实现对相机1的曝光视场9照明。所述近红外相机包含近红外图像传感器和同步信号模块，近红外图像传感器曝光方式为卷帘快门形式。以条带状曝光区域对成像面实现滚动式曝光。曝光区域曝光时会在目标面7上形成的条带状曝光视场9，条带状曝光视场9与曝光区域的移动方向是一致的，曝光区域的行数受曝光时间控制，当减小曝光时间时曝光区域变窄，同时目标面上条带状曝光视场9也会变窄，随着条带状曝光视场9对目标面完成一次滚动式扫描。近红外相机完成了一次曝光过程，形成一帧画面。近红外相机同步信号模块输出由场同步信号和行同步扫描信号两部分组成，当近红外相机传感器开始以卷帘快门形式曝光，同时近红外相机同步信号模块会发送场同步信号。近红外激光线扫描光源2收到场同步信号后开启，近红外激光线扫描光源2在目标面上形成线状光斑8，线状光斑8位于曝光区域开始行。行同步信号控制近红外激光线扫描光源2的振镜驱动信号大小，通过驱动电压改变振镜摆动角度，随着振镜角度改变，线状激光光斑8在目标面实现摆动。线状光斑8的摆动与近红外相机的曝光视场9移动方向是一致的，然后目标面上瞬时曝光视场9依次被照亮，实现了整个视场被光源2照射的效果。由于激光线光源2光路6极小，且在近红外相机卷帘快门成像中近红外激光线扫描光源2只能够照亮极窄的瞬时曝光视场9，使得光源2与相机视场9的重合范围达到极限低的情况，从而极大降低了后向散射对近红外成像的影响。

发明中所述近红外激光线扫描光源2，当收到近红外相机发送的场同步信号，近红外激光线扫描光源2开启，随后在相机行同步信号控制下依次对相机行曝光视场9扫描。而实现红外照明有两种方式。第一种是直接红外照明，即近红外激光线扫描区域与相机行曝光区域重合，可以极大程度减小相机1与近红外激光线扫描光源2的光路6重合区域，降低烟雾散射带来的影响。第二种方式是间接式红外照明，近红外激光线扫描区域与相机曝光区域不重合，依靠近红外激光路径上的散射光对曝光区域红外照明，这种照明方式光路6不重合，散射影响极小，但是需要配合大功率的近红外激光器使用。

本发明还提供了一种基于近红外波段的透烟透雾成像方法，主要利用减小光源2与相机1之间光路6重合体积，以及近红外激光具有较好的透烟透雾能力的特点，提出了一种基于近红外波段的透烟透雾成像方法及装置，在浓烟浓雾等低能见度下对目标物清晰成像。

近红外激光线扫描光源2放置头盔3的左侧，近红外相机放置在头盔3的右侧，但这不是唯一的放置方式，两者的位置可以互换。近红外激光线扫描光源2中与本发明相关部件红外激光器模块和微控制器模块，以及振镜驱动模块和同步信号模块。近红外相机1中与本发明相关的部件图像传感器模块和同步信号模块。当近红外相机图像传感器开始以卷帘快门曝光，近红外相机同步信号模块会向近红外激光线扫描光源2中的同步电路模块发送场同步信号,同步电路模块收到场同步信号，发送时序脉冲给微控制器，微控制器控制红外激光器发出激光，经过振镜反射后照射到成像目标面7上，在空间中形成光路6，在目标面形成一条线状激光光斑8，线状激光光斑8与相机图像传感器的曝光视场9重合。近红外相机同步信号模块将图像传感器内部重置寄存器的行同步扫描信号缓冲后，通过相机与近红外激光线扫描光源同步信号线4转发至近红外激光线扫描光源2，用于控制振镜中反射镜角度改变，使线状激光光斑8与相机中曝光视场9同向运动10，并保持重合，直至一次曝光结束。近红外激光线光斑8运行到物平面的最左端，近红外相机同步信号模块发送场消隐信号，近红外激光线扫描光源2接收到该信号后，红外激光器模块停止输出激光，振镜驱动控制振镜反射角度转变，振镜角度回到场开始位置。相机1完成一帧成像过程，准备下一帧成像。通过调节场开始信号以及消隐信号时间可以达到主流视频格式(如ITU-R规定的BT.1120视频规范)的要求，从而应用于近红外视频成像领域。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于近红外波段的透烟透雾成像装置，其特征在于，包括：设置于头盔左右两侧的光源和相机，所述光源和相机通过同步信号线连接；

所述光源为近红外激光线扫描光源，所述光源包括半导体红外激光器、振镜、准直透镜和鲍威尔棱镜，所述半导体红外激光器产生一束近红外激光，所述近红外激光通过准直透镜变为平行激光，所述平行激光束通过鲍威尔棱镜形成线状激光，所述线状激光通过振镜反射到目标面上形成线状光斑，所述振镜在振镜驱动信号控制下进行一维摆动；

所述相机为具备卷帘快门曝光功能的近红外相机，所述相机包括近红外图像传感器和同步信号模块，所述近红外图像传感器的曝光方式为卷帘快门形式，所述近红外图像传感器以条带状曝光区域对成像面实现滚动式曝光，所述同步信号模块的输出包括场同步信号和行同步扫描信号；当所述近红外图像传感器以卷帘快门形式曝光时，所述同步信号模块同时输出场同步信号。

2.根据权利要求1所述的基于近红外波段的透烟透雾成像装置，其特征在于，条带状曝光视场与条带状曝光区域的移动方向一致，所述条带状曝光区域的行数受曝光时间控制，当曝光时间减小时条带状曝光区域变窄，同时目标面上的条带状曝光视场变窄，随着条带状曝光视场对目标面完成一次滚动式扫描。

3.根据权利要求1所述的基于近红外波段的透烟透雾成像装置，其特征在于，所述行同步信号通过同步电路模块发送至微控制器，所述微控制器通过控制振镜驱动信号改变振镜摆动角度，进而使振镜进行一维摆动。

4.根据权利要求1所述的基于近红外波段的透烟透雾成像装置，其特征在于，所述线状光斑的摆动方向与相机的曝光视场移动方向一致，使目标面上瞬时曝光视场依次被照亮，进而使整个视场被光源照射。

5.根据权利要求1所述的基于近红外波段的透烟透雾成像装置，其特征在于，所述光源的照明方式包括直接红外照明法和间接式红外照明法，所述直接红外照明法的近红外激光线扫描区域与相机行曝光区域重合，所述间接式红外照明法的近红外激光线扫描区域与相机曝光区域不重合，通过近红外激光路径上的散射光对曝光区域红外照明。

6.一种基于近红外波段的透烟透雾成像方法，基于权利要求1-5所述的基于近红外波段的透烟透雾成像装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

所述图像传感器开始以卷帘快门曝光，所述同步信号模块向光源中的同步电路模块发送场同步信号；

所述同步电路模块接收场同步信号并发送时序脉冲给光源中的微控制器；

所述微控制器控制红外激光器发出激光，所述激光经过振镜反射后照射到成像目标面上，所述激光在目标面形成一条线状激光光斑，所述线状激光光斑与图像传感器的曝光视场重合；

所述同步信号模块将图像传感器内部重置寄存器的行同步扫描信号缓冲后，通过同步信号线发送至光源；

所述光源接收行同步扫描信号并改变振镜中反射镜的角度，使线状激光光斑与相机中曝光视场同向运动并保持重合，直至一次曝光结束；

所述线状激光光斑运行到目标面的最左端时，所述同步信号模块发送场消隐信号至光源；

所述光源接收场消隐信号后控制红外激光器模块停止输出激光，振镜驱动控制振镜反射角度转变，使振镜角度回到场开始位置。

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