CN117310969B - 红外全景成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种红外全景成像系统。针对成像效率低的问题，提供以下技术方案，包括：固定架，设有多个通光孔；固定设置于固定架的红外感应组件，用于获取视场区域内的图像信息；与红外感应组件相对设置的反射镜，使得来自通光孔的光被反射至红外感应组件的视场区域内；驱动反射镜旋转的匀速扫描组件，使得反射镜依次将来自不同通光孔的光反射至红外感应组件的视场区域内，从而获得每个通光孔的图像信息；振镜电机，用于在红外感应组件的感应时间内控制反射镜的反射角度，使得反射镜相对通光孔静止。相比于驱动红外感应组件，驱动反射镜来扫描景象，驱动速度更高，全景成像更快，而且避免因移动红外感应器抖动而产生的拖影，提高成像效率。
Description
技术领域
本申请涉及红外成像技术领域，更具体地说，它涉及一种红外全景成像系统。
背景技术
红外成像技术是利用物体具有红外线热辐射的特性，通过红外感应传感器感应红外线来进行成像的技术。红外成像技术作为探测技术中的一种被广泛应用于军事中。
为了让红外成像仪能探测到移动速度小、体积小、数量多的物体，如，无人机集群，要求红外成像仪具有全景成像的能力。
现有的红外全景成像仪是通过旋转红外感应传感器，拍摄多个角度的照片，再将照片拼接成全景照片，但是，在一些对成像速度实际需求较高的应用领域中，如，探测无人机集群时，通过旋转红外感应传感器的方式来进行成像的速度和清晰度无法满足这些对成像实时性和成像清晰度需求较高的应用领域。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本申请提供一种红外全景成像系统，提高成像速度。
为实现上述目的，本申请提供了如下技术方案：
一种红外全景成像系统，包括：
固定架，设有多个通光孔；
固定设置于所述固定架的红外感应组件，用于获取视场区域内的图像信息；
与所述红外感应组件相对设置的反射镜，使得来自通光孔的光被反射至红外感应组件的视场区域内；
驱动所述反射镜旋转的匀速扫描组件，使得反射镜依次将来自不同通光孔的光反射至红外感应组件的视场区域内，从而获得每个通光孔的图像信息；
振镜电机，用于在所述红外感应组件的感应时间内控制反射镜的反射角度，使得反射镜相对通光孔静止；
控制模块，用于获取所述振镜电机的姿态信息、匀速扫描组件的姿态信息和每个通光孔的图像信息，并根据姿态信息和图像信息，调整振镜电机和匀速扫描组件的姿态，使得来自相邻两个通光孔的图像之间的拼接区域在预设范围内。
进一步，多个所述通光孔沿红外感应组件的视场区域的光轴周向设置。
进一步，所述通光孔的通光横截面积小于反射镜的反射面的面积，以将通光孔的全部光线反射至红外感应组件。
进一步，所述反射镜的反射面与红外感应组件的光轴之间的夹角为55度。
进一步，所述振镜电机的姿态信息包括振镜电机的转动方向、振镜电机的转动速度，所述匀速扫描组件的姿态信息包括匀速扫描组件的转动速度、匀速扫描组件的转动角度，所述振镜电机的转动速度和匀速扫描组件的转动速度满足以下关系式：，其中R匀速为匀速扫描组件的转动速度，R振镜为振镜电机的摆动速度，P帧频为红外感应组件的拍摄频率，N镜数为通光孔的数量。
进一步，在红外感应组件的感应时间内，所述振镜电机的转动方向和匀速扫描组件的转动方向相反且转速相同。
进一步，所述反射镜的材料为5083型号的镁铝合金。
进一步，所述反射镜的反射面设有金属镀层。
进一步，所述通光孔设有透明隔档板。
进一步，所述红外全景成像系统还包括：与所述控制模块电连接的同步触发模块，用于控制振镜电机和红外感应组件同步启动。
本申请至少具有以下有益效果：
通过旋转反射镜实现360度的全景图像的拍摄，相比于旋转红外相机的方式，转动质量更小，转动驱动力小，在相同的功率下，转动驱动速度更快，能够快速成像，提高全景成像效率。另外，带动反射镜匀速转动，在采集时间内，振镜电机带动反射镜朝向与匀速扫描组件转动方向相反方向转动，使得反射镜相对固定架的通光孔静止，保证红外相机拍摄到通光孔中的物像，成像更清晰，相比于驱动红外相机转动的方式，反射镜的转动质量更小，转动惯性更小，转动更稳定，避免红外相机的成像的拖影，提高成像清晰度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为红外全景成像系统的结构示意图。
图2为图1中固定架的内部结构示意图。
图3为图1中反射镜的角度示意图。
100、红外全景成像系统；1、固定架；11、通光孔；2、红外感应组件；3、反射镜；4、匀速扫描组件；41、转盘；5、振镜电机；6、接口；7、引线；8、控制盒。
实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种红外全景成像系统100，参见图1和图2，包括：
固定架1，设有多个通光孔11；
固定设置于所述固定架1的红外感应组件2，用于获取视场区域内的图像信息；
与所述红外感应组件2相对设置的反射镜3，使得来自通光孔11的光被反射至红外感应组件2的视场区域内；
驱动所述反射镜3旋转的匀速扫描组件4，使得反射镜3依次将来自不同通光孔11的光反射至红外感应组件2的视场区域内，从而获得每个通光孔11的图像信息；
振镜电机5，用于在所述红外感应组件2的感应时间内控制反射镜3的反射角度，使得反射镜3相对通光孔11静止；
控制模块，用于获取所述振镜电机5的姿态信息、匀速扫描组件4的姿态信息和每个通光孔11的图像信息，并根据姿态信息和图像信息，调整振镜电机5和匀速扫描组件4的姿态，使得来自相邻两个通光孔11的图像之间的拼接区域在预设范围内。
本申请中，固定架1可以是内部中空的圆筒状。固定架1的圆柱面设有多个通光孔11。通光孔11具体地是八个。八个通光孔11沿固定架1的圆柱面中心轴周向均匀地设置。红外感应组件2可以是红外相机。红外相机是指捕捉和记录红外辐射的光学设备。红外相机利用红外光谱范围内的辐射来实现独特的图像采集，从而揭示了人眼无法感知的热能和物体分布信息。具体地，红外相机的帧频为50Hz，视场角为46度×36度，像素数为640×512，像素尺寸为12μm。红外相机的视场角的中心轴与圆筒的中心轴同轴设置。图像信息是由红外相机的红外传感器将红外线的波长和强度转化为相应的电信号，再由电信号转化而成的。图像通常是黑白图像或假彩色图像。视场是指视场角（field of view, FOV）。视场角是指以红外相机的镜头为顶点，以被观察目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。视场角越大，视野就越大。反射镜3具体是平面反射镜3。
匀速扫描组件4可以是伺服调速电机。伺服调速电机的输出轴的转动轴线与红外相机的视场的中心轴同轴。伺服调速电机的最高转速为160rad/min。振镜电机5具体是一种做偏转运动的电机。振镜电机5的偏转角与电流成正比，因此，振镜又叫电流计扫描器(galvanomet ric scanner)。振镜电机5的振动频率最高为80Hz。振镜电机5的振幅最大为20度。
具体地，伺服调速电机的机身固定连接于固定架1。伺服调速电机的输出轴固定连接有转盘41。伺服调速电机的输出轴沿重力方向设置。振镜电机5的机身固定连接于转盘41。振镜电机5的偏转转子与反射镜3固定连接。反射镜3与通光孔11相对应。反射镜3的镜面相对水平面之间的夹角为35度。八个通光孔11沿红外相机的视场中心轴周向均匀地布置，而且红外相机的视场中心轴沿重力方向设置，因此，八个通光孔11沿水平面设置。
在使用过程中，伺服调速电机依次带动振镜电机5和反射镜3匀速转动。在红外相机的感应红外线的时间内，当反射镜3的镜面朝向第一通光孔11时，振镜电机5通过偏转转子带动反射镜3摆动，摆动的方向与伺服调速电机的转动方向相反，摆动速度与伺服调速电机的输出轴转动速度相同，使得反射镜3相对第一通光孔11静止，从而反射镜3将来自第一通光孔11的光反射至红外相机中。当过了感应时间时，振镜电机5停止摆动，反射镜3在伺服调速电机的驱动下，转向第二通光孔11。当反射镜3的镜面朝向第二通光孔11时，振镜电机5开始以上一次摆动的方式摆动，使得反射镜3相对第二通光孔11静止，此时红外相机开始采集第二通光孔11中的物像，以此循环直到八个通光孔11中的图像全部采集完成。八个通光孔11中的图像拼接组成360度的全景图像。
可以理解的是，反射镜3的质量往往小于红外相机的质量。反射镜3的运动惯性小于红外相机的运动惯性。在单一红外相机的情况下，相比于驱动红外相机获得全景图像的方式，驱动反射镜3使得反射镜3获得同样功率下的更高的运动速度，因此，反射镜3从一个通光孔11移动到另一个通光孔11的时间减少，减少非采集图像的时间，减少采集全景图像的时间，提高采集全景图像的效率。尤其适用于监测无人机集群的场景。无人机集群是指由多个无人机组成的无人机系统，其具有场景大，规模大，移动快的特点。由于多个通光孔11的图像的时间差，多个角度的图像中的无人机会有影像移动，快速地在多个通光孔11之间移动，减少时间差，减少无人机影像移动，减少全景成像的误差，使得红外全景成像系统100能够以更快的成像速度完成无人机集群的监测。
相比于驱动红外感应组件2运动的方式来获得全景图像，避免因相机移动过程中的突然变化，例如抖动，而产生的图像模糊。相比于多个相机拍摄来获得全景图像的方式，减少成本。
另外，通过反射镜3的转动来完成360度全景图像的采集，相比于红外相机，反射镜3的体积和质量小得多，实现减小伺服调速电机和振镜电机5的驱动力，能够选用体积和质量更小的伺服调速电机和振镜电机5，整体装置的体积和质量更小。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，多个所述通光孔11沿红外感应组件2的视场区域的光轴周向设置。
本申请中，红外相机的视场区域是指以视场角组成的圆锥形的视野范围。视场区域的光轴是指圆锥的顶点与横截圆面的中点之间的连线。八个通光孔11沿光轴的周向均匀地布置，使得通过八个通光孔11采集的图像组成360度的全景图像。通过一个通光孔11获得视场角为46度的子图像。八个46度的子图像沿周向的边缘拼接成368度的图像。八个图像均留有拼接区域，每个拼接区域的视场角为1度。
可以理解的是，多个通光孔11沿周向布置，使反射镜3接收到周向360度的全部物象光线，使得反射镜3能够将来自360度方向的光线反射至红外相机的视场中，实现全景拍摄。也就是说，转动反射镜3即可得到360度的全景成像，获得图像更快，提高成像效率。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述通光孔11的通光横截面积小于反射镜3的反射面的面积，以将通光孔11的全部光线反射至红外感应组件2。
具体地，通光孔11的通光横截面积小于反射镜3的反射面的面积，能够保证来自通光孔11的所有的光线被反射镜3接收，保证图像完整性。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，参见图3，所述反射镜3的反射面与红外感应组件2的光轴之间的夹角为55度。
具体地，反射镜3上边缘出射光线应低于红外镜头边缘。反射镜3下边缘出射光线应高于壳体上边缘。红外相机的光轴沿重力方向设置。八个通光孔11沿水平面均匀地沿红外相机的光轴周向设置。也就是说，相邻两个通光孔11之间的间隔角度为45度。反射镜3的镜面相对于水平面的夹角为35度。可以理解的是，为使成像视场景象不被通光孔11的边缘遮挡，而且固定架1的体积更小，反射镜3的反射面与红外感应组件2的光轴之间的夹角为55度是最合适的尺寸。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述振镜电机5的姿态信息包括振镜电机5的转动方向、振镜电机5的转动速度，所述匀速扫描组件4的姿态信息包括匀速扫描组件4的转动速度、匀速扫描组件4的转动角度，所述振镜电机5的转动速度和匀速扫描组件4的转动速度满足以下关系式：，其中R匀速为匀速扫描组件的转动速度，R振镜为振镜电机的摆动速度，P帧频为红外感应组件的拍摄频率，N镜数为通光孔的数量。
本申请中，R匀速和R振镜的单位为rad/s。P帧频的单位为fps。R匀速和R振镜均为矢量。在红外相机的感应图像时间内，R匀速和R振镜的方向相反。在红外相机的感应图像时间外，R匀速和R振镜的方向相同。
可以理解的是，当控制振镜电机5的转动速度和匀速扫描组件4的转动速度满足时，在红外相机的感应时间外时，反射镜3从一个通光孔11转动到另一个通光孔11，保证反射镜3对准通光孔11时红外相机再进行拍摄，保证红外相机不会在反射镜3转动的过程中拍摄，避免图像的拖影。还保证红外相机不会在没有对准通光孔11时拍摄，避免图像被固定架1遮挡，从而提高成像的清晰度。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，在所述红外感应组件2的感应时间内，所述振镜电机5的转动方向和匀速扫描组件4的转动方向相反且转速相同，使得反射镜3相对于通光孔11静止。
具体地，振镜电机5的转速和伺服调速电机的转速相同且方向相反，使得反射镜3能够相对固定架1的通光孔11静止，保证红外感应组件2感应的图像没有拖影，提高成像质量。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述反射镜3的材料为5083型号的镁铝合金。
本申请中，5083型号的镁铝合金具有良好的隔热性能和反射热辐射能力。可以理解的是，由5083型号的镁铝合金制成的反射镜3能够很好地反射光线中的红外线，而且不会吸收红外线的能量，保证红外线被反射在红外相机中的辐射能量，使红外相机感应的红外辐射更强，成像更清晰。
另外，镁铝合金相比于玻璃质量更轻，旋转反射镜3所需要的动力更小，能够选择体型更小的伺服调速电机和振镜电机5，减小装置的体型，便于携带。而且镁铝合金易于加工，降低装置的成本。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述反射镜3的反射面设有金属镀层。
本申请中，金属镀层具体地是金膜。金属镀层是通过真空蒸镀法将金属材料加热至高温，使金属材料蒸发并沉积在反射镜3上形成的薄膜。可以理解的是，金属镀层降低反射镜3的反射面的表面粗糙度，提高反射镜3的反射率。另外，还将镁铝合金与空气隔离开，避免因镁铝合金被氧化而导致的反射镜3的表面粗糙度变大，保证反射率，提高成像质量。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述通光孔11设有透明隔档板。
本申请中，透明隔档板的材料具体为锗玻璃。透明隔档板的表面设有镀层。镀层的材料为氟化镁。氟化镁具有增加锗玻璃的红外线透光的特性。可以理解的是，在保证通光孔11的透光的性能的前提下，避免灰尘等杂物污染固定架1内部的反射镜3，保证反射镜3的反射面的低粗糙度，保证光线平行反射，保证成像清晰度。另外，避免外部物体损伤固定架1内部的伺服调速电机和偏振电机，延长伺服调速电机和偏振电机的使用寿命。
具体的，在本申请提供的一种优选实施方式中，红外全景成像系统100还包括：与所述控制模块电连接的同步触发模块，用于控制振镜电机5和红外感应组件2同步启动。
具体地，同步触发模块与控制模块均设置于控制盒8中。控制盒8中还设有图像处理模块和风扇。图像处理模块用于处理来自八个通光孔11的图像并将八个图像拼接成全景图像。风扇用于为控制盒8内部的电子元器件散热。振镜电机5与控制模块通过引线7电连接。振镜电机5与控制模块具体是通过Rs422触发线电连接。同步触发模块通过控制模块来控制振镜电机5的驱动速度和角度。红外相机与控制模块通过Camerlink视频输出线连接。同步触发模块通过控制模块来控制与红外相机的拍摄时间。控制模块通过Rs422触发线与伺服调速电机连接使得匀速扫描组件4的转动姿态数据传输到控制模块，以控制伺服调速电机。当振镜电机5的振幅M振镜、伺服调速电机的转速R匀速和红外相机的热响应时间t热响应三者之间满足时，获得的图像没有拖影，保证图像清晰度。
在红外相机开始感应光线时，同时振镜电机5开始向与振镜电机5旋转方向相反的方向摆动，同步触发模块保证振镜电机5和红外相机同时启动，避免因振镜电机5与红外相机不同步而导致的拍摄不到物体或拍到的物像有拖影，保证图像的清晰。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种红外全景成像系统，其特征在于，包括：
固定架，设有多个通光孔；
固定设置于所述固定架的红外感应组件，用于获取视场区域内的图像信息；
与所述红外感应组件相对设置的反射镜，使得来自通光孔的光被反射至红外感应组件的视场区域内；
驱动所述反射镜旋转的匀速扫描组件，使得反射镜依次将来自不同通光孔的光反射至红外感应组件的视场区域内，从而获得每个通光孔的图像信息；
振镜电机，用于在所述红外感应组件的感应时间内控制反射镜的反射角度，使得反射镜相对通光孔静止；
控制模块，用于获取所述振镜电机的姿态信息、匀速扫描组件的姿态信息和每个通光孔的图像信息，并根据姿态信息和图像信息，调整振镜电机和匀速扫描组件的姿态，使得来自相邻两个通光孔的图像之间的拼接区域在预设范围内；
所述振镜电机的姿态信息包括振镜电机的转动方向、振镜电机的转动速度，所述匀速扫描组件的姿态信息包括匀速扫描组件的转动速度、匀速扫描组件的转动角度，所述振镜电机的转动速度和匀速扫描组件的转动速度满足以下关系式：，其中R匀速为匀速扫描组件的转动速度，R振镜为振镜电机的摆动速度，P帧频为红外感应组件的拍摄频率，N镜数为通光孔的数量；
在所述红外感应组件的感应时间内，所述振镜电机的转动方向和匀速扫描组件的转动方向相反且转速相同，使得反射镜相对于通光孔静止。
2.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，多个所述通光孔沿红外感应组件的视场区域的光轴周向设置。
3.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，所述通光孔的通光横截面积小于反射镜的反射面的面积，以将通光孔的全部光线反射至红外感应组件。
4.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，所述反射镜的反射面与红外感应组件的光轴之间的夹角为55度。
5.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，所述反射镜的材料为5083型号的镁铝合金。
6.根据权利要求5所述的红外全景成像系统，其特征在于，所述反射镜的反射面设有金属镀层。
7.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，所述通光孔设有透明隔档板。
8.根据权利要求1所述的红外全景成像系统，其特征在于，还包括：与所述控制模块电连接的同步触发模块，用于控制振镜电机和红外感应组件同步启动。
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- 2023-11-27 CN CN202311586541.2A patent/CN117310969B/zh active Active
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