CN1815259B - 基于分光棱镜的光电成像跟踪系统 - Google Patents

Abstract

基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，主要包括望远镜、组合光路缩束系统、分光棱镜、两个CCD面阵探测器、数据处理机等主要组成部分，组合光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，其特点在于在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有一定视场偏转角的分光棱镜，使目标背景混合信号和纯背景信号分别在两个光电探测器上成像，由数据处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号进行处理就可以得到消除了背景的目标信号，根据探测到的目标信号利用质心算法得到被跟踪(捕获)目标的具体方位信息。本发明使目前的光电成像跟踪系统具备在白天强背景下对弱目标信号进行目标探测、跟踪的能力，大幅提高跟踪系统的工作效率。

Description

基于分光棱镜的光电成像跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种跟踪系统，特别是一种基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，主要应用于目标探测、捕获、跟踪等领域，实现强背景下弱目标信号的捕获、跟踪以及精确定位技术。

背景技术

关于目标的探测和跟踪课题，一直以来都是国内外研究的重点和热点，很多学者和工程技术人员也一直致力于发展更加精确、高速的目标跟踪系统。

对目标的探测、跟踪，按跟踪的方式主要分为两大类，一类是仅利用目标的辐射强度作为跟踪信息的主动探测设备(比如雷达)，另一类就是利用光电转换器件(如CCD)进行目标光电成像的跟踪系统，它集合图像处理、自动控制及信息科学有机结合和交叉的技术，利用图像视觉信息进行目标跟踪，可利用的信息量非常丰富；光电成像跟踪系统相对非成像跟踪系统具有很明显的优越性，主要表现在：

(1)属被动式设备探测装置，电视和红外成像跟踪采用无源工作方式，通过探测器成像来获取景物信息，不会受到电子干扰。而绝大多数雷达属主动探测设备，容易遭到电子干扰，事实证明要保持绝对“电子寂静”，唯一可选的是象光电成像跟踪系统这样的被动式探测装置。

(2)可全方位探测，跟踪精度高。电视和红外探测不受探测角度限制，不象雷达探测存在死角，对于低高度角的目标跟踪非常有效。

(3)图像直观可见，分辨率高。

(4)红外探测器和微光电视的运用使成像跟踪系统可全天候工作。

(5)相对于微波雷达等非成像跟踪设备，电视和红外成像跟踪器性价比较高。

目前的大部分光电成像跟踪系统(其光路原理如图1所示)的后续跟踪算法采用质心跟踪或形心跟踪算法，需要对所采集的图像进行图像分割以去掉背景提取出目标信号，再对单纯的目标信号图像进行质心计算或形心计算，输出目标的准确方位信息。但是，在强背景且背景不均匀条件下(比如白天工作)，目标信号能量相对于背景信号能量很小时，再采用传统的图像分割算法将很难合理的分割出目标信号的图像，也就很难再得到合理、准确的目标质心或形心位置，因此将很容易出现目标检测上的困难和跟踪上的丢失目标等问题。

目前大部分的光电成像跟踪系统在强背景(或白天工作)都存在一个如何合理、快捷的消除强背景影响的问题；并且对于大视场光电跟踪设备而言，光学系统的渐晕效应影响较大，将会导致背景信号在成像靶面上的不均匀性，而传统的单一阈值图像分割算法对不均匀背景的处理效果却极其有限。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服的传统的光电成像跟踪系统不能在强背景、背景不均匀条件下正常工作取得良好跟踪效果的缺点，提供一种具备强背景、背景不均匀条件下目标光电成像探测、跟踪能力的光电跟踪系统的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，它能够在强背景、背景不均匀(比如白天工作)条件下，实现对目标信号的探测和稳定跟踪，大幅提高目前光电成像跟踪系统的工作效率。

本发明的技术解决方案：基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：包括望远镜系统、组合光路缩束系统、分光棱镜、两个CCD探测器、两个耦合透镜、数据处理机，入射光束通过望远镜系统接收反射后进入组合光路缩束系统，光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角θ的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路各自依次进入一个出瞳匹配透镜和一个耦合透镜，然后成像在对应的CCD探测器上，由数据处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景光的目标信号，再进行质心计算输出方位信息，最终完成强背景下弱目标信号的探测跟踪功能。

本发明的原理：在强背景或背景不均匀条件下，进入跟踪光电成像系统的光信号包括强的背景光和弱的目标光，利用它们之间最本质的区别“视场差异很大”来完成消除天光背景影响的功能。一般来说，常用光电成像跟踪系统能够探测和跟踪目标的视场FOV1(field of view)很小，大约在8′(1°＝60′)左右，但是严重影响目标跟踪探测的背景信号的视场FOV2却远远大于目标光视场，一般背景信号来源于大气中无限扩展的天光、大气散射、气溶胶散射等，其视场不如目标信号视场那样集中，同时，背景信号变化的频率也不如目标信号变化的频率高。因此，本发明根据目标信号和背景信号“视场和变化频率相差巨大”的特点，以“视场偏移”为基本工作原理，提出“基于分光棱镜的光电成像跟踪系统”，其原理如光路图2所示，从望远镜接收到的总信号(包括目标信号和强背景信号)经过一系列光反射镜改变光路方向后进入组合光路缩束系统，由分光棱镜直接透过的第一束光信号直接进入第一个耦合透镜，因此第一个CCD探测到的为弱目标和强背景的混合信号；由分光棱镜反射的第二束光信号经过第二个视场光阑后进入第二个耦合透镜，然后由第二个CCD探测器进行探测，由于视场光阑的限制，目标光视场FOV1很小，与CCD的探测视场FOV0相当，大约为几分，但是背景光信号的视场FOV2很大，即使是在光电成像跟踪系统内，FOV2也要比FOV1大的多，基于这个原理，使第二个视场光阑在正常光路对准的条件下，给分光棱镜加一个很小的偏转角θ，即可以很容易的使目标光偏出11′视场之外而不被第二个CCD探测到，而背景光由于视场大不会受极小视场偏移的影响而照样在第二个CCD探测器上成像，这样该CCD探测器11′探测到的就是单纯的背景光信号，由数据处理机进行图像处理就可以得到消除了背景天光的目标信号，再进行质心计算，根据计算得到的目标的位置，输出具体方位信息，再驱动望远镜系统即可完成对目标的准确探测、跟踪功能。

本发明与现有技术相比有如下优点在于：本发明由于采用分光棱镜，给分光棱镜加一个很小的偏转角θ，使传统的光电成像跟踪系统无法在强背景非均匀背景条件下稳定工作的状况得到改善，使现在的光电成像跟踪系统的工作效率得到大幅度的提高。另外，本发明在制作上基本可以沿用传统的技术，因此不需要额外的技术成本，方便实用。

附图说明

图1为传统光电成像跟踪系统光路结构示意图；

图2为本发明提出的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统光路结构示意图；

图3为本发明光路、器件分解结构说明示意图；

图4为本发明仿真的目标和背景混合信号图像；

图5为本发明仿真的背景信号图像；

图6为本发明仿真进行视场偏移处理后得到的信号图像。

具体实施方式

如图1所示，传统的光电成像跟踪系统主要包括望远镜、光路缩束系统、面阵光电探测器CCD和数据处理机等主要部分组成，它利用CCD对入射的目标光在光敏面上能量的分布情况进行质心位置计算；CCD主要是根据下面的公式(1)计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测目标的位置信息：

$\begin{array}{cc}{x}_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}& y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}\end{array}---\left(1\right)$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD11光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

然而，在实际的工程系统中，由于系统误差尤其是CCD光电探测器自身不可避免的噪声带来误差的原因，CCD所探测到的I_nm实际上并不全是目标信号的能量，还包括背景杂光和CCD器件的暗电平等噪声能量，即有：

I_nm＝S_nm+B_nm                          (2)

其中S_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号能量，B_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的背景噪声能量；

因此有：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{x}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{x}_B---\left(3\right)$

$y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{y}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{y}_B$

上述(3)式中的sbr定义为信号光能量和非信号光能量(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等背景能量的总和)的比值；

从上述(3)式可以很明显的看出，实际CCD所探测到的质心位置是有效目标信号质心与背景(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等总背景)质心的加权平均值，权重由目标信号光与背景能量之比sbr决定，这就决定了传统光电成像跟踪系统存在的原理性约束：sbr不能太小或背景能量不能太大，如果sbr太小背景能量太大，则由(4)式计算得到的质心位置必然不再准确，因此，传统光电成像跟踪系统必然不再具备对强背景下弱目标信号进行精确探测、跟踪的能力。

如图2所示，本发明主要由望远镜、组合光路缩束系统、带一定视场偏转角的分光棱镜、两个耦合透镜、两个CCD探测器和数据处理机组成，组合光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角θ的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路沿两个不同的方向通过两个结构大小一样的视场光阑，分别依次进入两个出瞳匹配和两个透镜后，成像在两个CCD探测器上，由数据处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景光的目标信号，再进行质心或形心计算输出方位信息。

如图3所示，分光棱镜7的视场偏转角θ需要根据实际工程系统的各项参数确定，以目前常用的捕获跟踪系统为参考，其角度范围一般在2°到4°；两个CCD均为面阵光电探测器11和11’结构相同，性能参数尽量一致；两个出瞳匹配透镜9和9’结构性能尽量相同；两个视场光阑8和8’为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑，并且两视场光阑结构相同，其中心通光孔径保证精密相等，厚度为0.8～1.2mm，中心通光圆孔的直径为1-2mm；两个耦合透镜结构相同，性能参数尽量一致。两个CCD、两个出瞳匹配透镜、视场光阑和耦合透镜结构性能尽量相同等均是为了达到减小系统误差这个目的，因为本发明的核心在于在传统光路中分出一路光从而在基本不影响原探测能力的前提下探测出所需要剔除的背景能量分布，因此，保证本发明结构中一些关键部件的性能结构参数的一致性有很重要的意义。

本发明的主要功能是在强天光(扩展背景)下进行弱目标信号的目标检测和跟踪，它的具体工作过程如下：

首先，弱目标信号和强扩展天光背景信号的混合信号一起进入本发明结构中的第一个部件望远镜系统，望远镜系统包括主镜1、次镜2及反射镜3、4、5组成，主要完成对目标信号的收集并通过次镜缩束后输出和反射。混合信号经望远镜系统经过缩束后进入组合光路缩束系统之入瞳匹配透镜6；

其次，在入瞳匹配透镜6接收到入射总信号(包括目标信号和强背景信号)后，如果按照传统的光电成像跟踪系统，入射总信号将依次通过如图3所示的视场光阑8和出瞳匹配透镜9并最后被耦合透镜10耦合后进入面阵光电探测器CD11进行位置探测，这样情况下，如果有强背景的影响，根据本发明具体实施方式中3式的推导结果，将不能合理、精确的得到目标位置，因此本发明提出在组合光路的中心缩束焦点之前放置一个带有一定视场偏转角的分光棱镜7，通过7的存在分一束光出去，再经过视场光阑8′和出瞳匹配透镜9′并最后被耦合透镜10′耦合后进入面阵光电探测器CCD11′进行背景信号的探测。

在本发明中让分光棱镜的分光比(透射光能量比反射光能量)为P1∶P2，其中分光比例所占P1部分进入视场光阑8，由于视场光阑8事先已经进行了光路对准，因此，目标信号和背景信号都在视场光阑8的视场光阑限制下进入出瞳匹配透镜9后再经耦合进入面阵探测器11，这样，在CCD探测器11上接收到的即为目标信号与背景信号和的总信号的聚焦光斑如图4所示。根据图4所示采集的图像可以很明显的看出，目标信号基本上与背景信号混合在一起。

其中分光比例所占P2部分进入视场光阑8′，由于视场光阑8′事先已经在光路对准的条件下偏转了一个合适的角度θ(θ的大小需要根据实际系统参数决定，在目前常用的光电成像跟踪系统中其典型值一般在2°到4°)，因此，目标信号则在视场光阑8′的视场限制下被挡在了探测器11′的成像视场之外，而背景信号由于其视场远大于探测器11′的视场而基本上不受视场偏转角θ的影响而照常成像在探测器11′上，这样，探测器11′就合理的完成了对背景信号的探测任务，如图5所示；

最后，在前两步工作的基础上，显然，在CCD探测器11上得到目标信号和背景信号的混合信号的成像图，在CCD探测器11′上得到了单纯的背景信号的成像图，对这两幅图像做一个对应像素相减的图像处理，即可得到消除了背景影响的单纯信号图像如图6所示，从图6和图4的对比可以看出，本发明基本上完成了从强背景下提取出弱目标信号的功能，得到了比较清晰的信号图像如图6所示。

根据图6得到的信号图像，利用前述具体实施方式中公式(1)的推导，就可以很顺利的计算得到成像靶面上目标信号的具体位置信息。

根据在像面上得到的目标信号的位置信息，再联合望远镜系统所对天区的方位信息，则可以很简单的得到目标在实际天区中的具体方位信息，根据当前的具体方位信息判断目标的运动方向再驱动望远镜系统继续对准目标的方向，即完成对目标的检测、跟踪任务。

本发明以上所述的具体实施过程是针对分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比为P1∶P2＝1∶1的情况下进行的原理性阐述；实际工作中，分光棱镜2的透射光能量P1和反射光能量P2的比值P1/P2也可以不为1，并且一般情况下其比值大于1；当P1/P2比值大于1时，可以通过对CCD11′的工作(数据采样)频率进行调制，同样可以实现本发明提出的视场偏移减背景功能；

假定P1/P2比值为R且R≠1时，对CCD11′的数据采样频率进行调制，使CCD11和CCD11′的数据采样频率不一致而分别为H1和H2，并且假定CCD的数据采样频率与自身的曝光时间T有关系：

H＊T＝constant(常数)                   (4)

保证调制后两CCD的数据采样频率与分光棱镜的分光比例有如下关系：

$\frac{H1}{H2}=\frac{P1}{P2}=R---\left(5\right)$

根据(5)式，可以在分光棱镜透射光能量P1和反射光能量P2不相等时，通过调制CCD11和CCD11′的数据采样频率，同样可以实现视场偏移减背景处理的功能，完成本发明提出的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统在强背景下对弱目标进行探测跟踪的功能。

Claims (8)

1.基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：包括望远镜系统、组合光路缩束系统、分光棱镜、两个CCD探测器、两个耦合透镜、数据处理机，入射光束通过望远镜系统接收反射后进入组合光路缩束系统，光路缩束系统共用一个入瞳匹配透镜并使入射光束分别通过两个独立的出瞳匹配透镜分成两束光缩束后输出，在入瞳透匹配透镜和两个出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个具有视场偏转角θ的分光棱镜，使从入瞳匹配透镜出来的光路各自依次进入一个出瞳匹配透镜和一个耦合透镜，然后成像在对应的CCD探测器上，由数据处理机分别对两个CCD探测器上探测到的图像信号处理就可以得到消除了背景光的目标信号，再进行质心计算输出方位信息，最终完成强背景下弱目标信号的探测跟踪功能；所述的分光棱镜的视场偏转角为2°～4°。

2.根据权利要求1所述基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的望远镜系统包括主镜、次镜和反射镜，主要完成对目标信号的收集并通过次镜缩束再反射后输出。

3.根据权利要求1所述基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比为P1∶P2＝1时，两路CCD信号直接相减。

4.根据权利要求1所述基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比P1∶P2≠1时，改变一路CCD的工作频率，从而改变曝光时间以达到其采集的背景光能量和另一路CCD采集的背景光能量相同的目的，然后再实现两帧图像相减。

5.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的两个微透镜阵列的结构和工作性能参数保持一致。

6.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的两个CCD均为面阵光电探测器，且结构相同，性能参数一致。

7.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的视场光阑为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑，并且两视场光阑结构相同。

8.根据权利要求7所述的基于分光棱镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的中心通光孔径保证精密相等，厚度为0.8～1.2mm，中心通光圆孔的直径为1-2mm。

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