CN205681547U - 一种多通道偏振与红外图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多通道偏振与红外图像采集系统。主要包括仪器壳体、光学系统、图像采集模块、图像处理器、存储器模块和电源模块，其中仪器壳体用于连接光学镜头、电路板和三脚架，包括壳体前面板、壳体后框及三脚架固定座；光学系统采用四通道结构，每个通道包括光学镜头、C口镜头接圈、窄带滤光片，其中获取偏振图像的三个通道设有线偏振片；图像采集模块由四路CMOS图像传感器构成，图像处理器至少包括四个数字视频口分别与四路CMOS图像传感器连接。该装置具有较低的硬件成本，为地面复杂背景下运动隐身目标的检测提供了一种有效的手段。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学成像检测系统，尤其涉及一种多通道偏振与红外图像采集系统，属于光学成像领域。
背景技术
目标探测与识别技术是指对固定或移动目标进行非接触测量，并可准确得到目标的属性信息，辨识出目标真伪的高技术手段。其中光学检测由于是被动式工作，安全隐蔽，所以近些年得到了快速的发展和极大的重视。然而复杂背景下的红外目标及红外伪装目标的探测与识别有其特殊性，复杂背景下和经过伪装的目标，目标与背景、真假目标之间的灰度差异较小，在红外辐射强度图像中难以分辨。尤其近年来，红外伪装技术迅速发展，红外伪装涂料的使用使得目标和背景以及真假目标之间能够近似实现“同谱同色”，利用传统的红外光强探测手段难以有效检测复杂背景中的“隐身”弱目标。
偏振是光的基本特性之一，任何目标在反射和发射电磁辐射的过程中都会表现出由其自身特性和光学基本定律所决定的偏振特性。人造目标和自然目标的偏振特性差别较大，这可以增大目标与背景的对比度，从而提高目标检测的效率。通过成像获得场景在不同偏振状态下的信息，可对具有偏振-光强差异的目标及背景进行有效区分，进而实现复杂背景下弱目标的检测与识别。因此，近些年偏振成像探测在气象环境科学研究、海洋的开发利用、空间探测、生物医学以及军事应用等方面受到了越来越多的重视。
本实用新型采用四通道系统结构，实现了同时获取红、绿、蓝三个特定波段下的偏振信息和原始的红外强度信息。偏振成像增加了偏振信息，并且保留了原有的辐射强度信息。偏振图像可以较好地抑制背景噪声，对目标边缘信息比较敏感，但视觉效果较差，红外辐射强度图像包含了更多的背景信息。因此，根据偏振图像和红外辐射强度图像的特点，可以将红外强度图像与偏振图像进行融合，丰富了偏振图像的信息量，进一步增强目标和背景的对比度，为地面复杂背景下运动隐身目标的检测提供了一种有效的手段。
实用新型内容
发明目的：本实用新型针对现有地面复杂背景下运动隐身目标检测系统存在的不足，提供了一种多通道偏振与红外图像采集系统。
技术方案：本实用新型通过以下技术方案实现：一种多通道偏振与红外图像采集系统，包括仪器壳体、光学系统、图像采集模块、图像处理器、存储器模块和电源模块，其特征在于：仪器壳体用于连接光学镜头、电路板和三脚架，包括壳体前面板、壳体后框及三脚架固定座；光学系统采用四通道结构，每个通道包括光学镜头、C口镜头接圈、窄带滤光片，其中获取偏振图像的三个通道设有线偏振片；图像采集模块由四路CMOS图像传感器构成，图像处理器至少包括四个数字视频口分别与四路CMOS图像传感器连接，用于进行同步曝光、图像采集、图像存储和图像传输的控制。
作为优选，获取偏振图像的一个采集通道线偏振片的安装方向为0°参考方向，另外两个采集通道的线偏振片的安装角度分别为60°和120°。
作为优选，所述光学镜头为电动可变光学镜头，分别与电机驱动模块连接，实现对焦距、光圈和对焦的调节。
作为优选，四片窄带滤光片分别通过的滤光片座安装于CMOS图像传感器的表面，滤光片均采用镜面玻璃材质，中心波长分别为470nm、525nm、630nm和850nm，半带宽为20nm，峰值透射率>90％，截止深度<1％。
作为优选，所述壳体前面板为正方形形状，四个C口镜头接圈均匀排列成两排安装在壳体前面板上，用于固定光学镜头，相邻两个接圈的中心间距为前面板边长的一半。
作为优选，所述多通道偏振与红外图像采集系统还包括网络模块，用于图像处理器与上位机之间进行数据传输。
作为优选，所述存储器模块由SDRAM存储器和FLASH存储器构成，SDRAM存储器用于存放采集到的图像数据，FLASH存储器用于存放系统程序及数据。
在具体实施方案中，所述CMOS图像传感器可采用MT9T001芯片，图像处理器可采用TMS320DM642芯片。
有益效果：本实用新型提供的一种多通道偏振与红外图像采集系统以较低的硬件成本，为地面复杂背景下运动隐身目标的检测提供了一种有效的手段，与现 有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、系统装置易于实现。无需复杂的光路分光设计或成像器件制作工艺，且操作简单，易于移动和携带。
2、系统灵活高效。可采用同步参数配置曝光的方法来实现四通道CMOS同步曝光，通过对CMOS图像传感器内部寄存器进行设置，可实现对分辨率大小、曝光时间以及色彩增益等的控制。
3、适用于地面复杂背景下运动隐身目标的检测。通过对偏振图像与红外强度图像进行融合处理，能够较好地提高目标与背景的对比度，进而实现复杂背景下伪装目标的检测与识别。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
图2(a)-图2(b)为本实用新型多通道偏振与红外图像采集系统实施例的仪器壳体与光学系统的立体结构示意图；(a)为壳体和接圈部分，(b)为镜头部分。图中：10-壳体前面板，11-壳体后框，12-三脚架固定座，21-线偏振滤镜，22-光学镜头，23-C口镜头接圈，24-滤光片座，25a-d：不同中心波长的窄带滤光片，26-CMOS图像传感器。
图3为本实用新型实施例的系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，本实用新型实施例公开的一种多通道偏振与红外图像采集系统，主要由仪器壳体、光学系统、图像采集模块DSP图像处理器、存储器模块、和电源模块这个部分组成，其中仪器壳体用于连接光学镜头、电路板和三脚架，包括壳体前面板、壳体后框及三脚架固定座。光学系统采用四通道结构(通道A-D)，用于同时获取三幅不同偏振角和波段的偏振图像及一幅红外强度图像，包括线偏振片、光学镜头、C口镜头接圈、窄带滤光片和电机驱动模块，其中电机驱动模块用来驱动四个可变的光学镜头，通过对直流电机正、反转的控制，实现在不同采集环境下对焦距、光圈和对焦的调节。图像采集模块由四路CMOS图像传感器构成(图像传感器A-D)，可采用Micron公司生产的MT9T001芯片，完成最大分辨率下的图像采集。DSP图像处理器用于对四通道CMOS图像传感器进行 同步曝光、图像采集、图像传输等的控制，并可根据需要设网络模块，通过网络模块将获取的图像传输至上位PC机进行后续处理。DSP图像处理器可采用TMS320DM642芯片，带有四个双通道数字视频口VP0、VP1、VP2、VP3，分别与图像采集模块中的四路CMOS图像传感器连接。
本实施例装置的仪器壳体与光学系统的立体结构示意图如图2(a)-图2(b)所示。仪器壳体包括壳体前面板10、壳体后框11及三脚架固定座12，壳体前面板的尺寸为100mm×100mm×5mm，其上安装有用于固定光学镜头的四个C口镜头接圈23，均匀排列成两排，每两个接圈23的中心间距为50mm，螺纹外径为25.1mm。壳体后框11的尺寸为100mm×100mm×30mm，通过前面板10四周的16颗规格为Φ3*6的螺丝与之相连。三脚架固定座12位于壳体后框的下侧(图中为了显示，将壳体倒置，使用时三脚架固定座位于下方)，通过中心规格为1/4-20(外径1/4英寸，螺距20牙/英寸)的螺孔连接三脚架的云台。四个光学镜头22的焦距均为8mm定焦，光圈调节范围为F1.4-F16，对焦范围为0.1m-∞，分别和前面板10上的四个C口镜头接圈23相连。三片旋转式线偏振滤镜21通过尺寸为M30.5×0.5mm(外径30.5mm、螺距0.5mm)的接圈分别安装在三个电动可变的光学镜头23前，以其中一个采集通道线偏振片的安装方向为0°参考方向，另外两个采集通道的线偏振片的安装角度分别为60°和120°。四片窄带滤光片25a、25b、25c、25d分别通过的滤光片座24安装于CMOS图像传感器26的表面；滤光片均采用镜面玻璃材质，尺寸为12mm×12mm×0.7mm，中心波长分别为470nm(蓝光波段)、525nm(绿光波段)、630nm(红光波段)和850nm(近红外波段)，半带宽为20nm，峰值透射率>90％，截止深度<1％。四个CMOS图像传感器26均采用300万像素的MT9T001。MT9T001为1/2″的单色面阵传感器，光谱响应范围为400-1050nm；成像信噪比和动态范围分别为45dB和68.2dB，已能够达到CCD的水平；而1280×1024@30fps的连续图像捕获能力能够满足大多数运动目标的探测需求。
下面结合附图3对本实施例的光学系统和电学系统部分的结构和工作过程做详细说明。
光学系统采用四通道结构，通道A包括0°线偏振滤镜、光学镜头A、C口镜头接圈A、滤光片座A、470nm窄带滤光片；通道B包括60°线偏振滤镜、光 学镜头B、C口镜头接圈B、滤光片座B、525nm窄带滤光片；通道C包括120°线偏振滤镜、光学镜头C、C口镜头接圈C、滤光片座C、630nm窄带滤光片；通道D包括光学镜头D、C口镜头接圈D、滤光片座D、850nm窄带滤光片。由于每次采集的条件不尽相同，在不同的采集环境下，光线的强弱以及物体距离采集系统的远近会对采集系统的拍摄效果造成一定的影响，为了使采集的图像达到较好的效果，本系统采用电动可变镜头来实现对焦距、光圈和对焦的调节，而电动可变镜头通过电机驱动模块来进行驱动。
图像处理器模块采用TI公司生产的DSP芯片TM320DM642作为本系统的处理器。DM642带有四个双通道数字视频口VP0、VP1、VP2、VP3，分别与图像采集模块中的四个CMOS图像传感器连接，可同时处理多路数字视频流，满足本系统中要求的同时采集四路CMOS偏振图像的需求。同时，DM642上带有一个10/100M的以太网接口EMAC，该接口通过与物理层设备的无缝连接即可实现网络传输。
存储器模块由SDRAM存储器和FLASH存储器构成，SDRAM存储器主要用于存放系统采集到的图像数据，FLASH存储器用于存放系统程序及重要的数据。为了满足图像采集过程中大数据量存储的需求，在DM642的CEO空间通过EMIFA接口外扩了4片4M×16bits的SDRAM存储器芯片，构成4M×16bits的SDRAM存储空间，使系统的数据存储空间达到32MB。由于DM642的外部通常需要扩展FLASH存储器，用于存储程序和重要的数据。在DM642的CE1空间外扩了一片4M×8bits的FLASH存储芯片作为程序存储器，构成4MB的程序存储空间。当DM642上电或复位时，自动从FLASH上加载程序代码。
图像采集模块由四个CMOS图像传感器构成，采用的是Micron公司生产的300万像素CMOS芯片MT9T001。四通道CMOS同步曝光的工作流程具体为：DM642首先通过GPI0口将MT9T001的配置参数及参数的个数写入到参数锁存与计数器模块中，参数锁存与计数器模块通过并行总线，将配置参数同时写入到四个串行读写模块中。串行读写模块在同步脉冲发生器产生的脉冲控制下，通过I2C总线将配置参数写入CMOS的内部寄存器中，完成对CMOS采集时的分辨率、曝光时间、色彩增益等的配置。其次，在对CMOS的采集参数配置完成后，DM642通过GPI0口将视频口的使能信息写入到参数锁存与计数器模块中，参数 锁存与计数器通过并行总线将该使能信息写入到串行读写模块中，串行读写模块在同步脉冲发生器产生的脉冲控制下，将视频口使能信息同步写入到四个CMOS的寄存器中，实现四个CMOS的同步曝光。DM642的四个视频口在CMOS的帧、行同步信号的控制下读取CMOS中的图像数据。
网络模块用于完成DM642与PC之间通过以太网进行数据传输。DM642提供了一个10/100M的以太网接口，可与物理层器件进行无缝连接，从而完成数据的网络传输。通过RJ45网口将采集到的图像传输至PC机进行后续处理。
电源模块提供12V、5V、3.3V和1.4V的直流电源，满足系统各个模块的供电需求。DM642要求提供两种电源：1.4V和3.3V，其中，CPU核心工作在1.4V，外设工作在3.3V。3.3V直流电源除了用于给DM642的外设提供工作电源外，还为图像采集模块提供工作电压。光学系统模块所需的+12V直流电压由蓄电池直接提供。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种多通道偏振与红外图像采集系统，包括仪器壳体、光学系统、图像采集模块、图像处理器、存储器模块和电源模块，其特征在于：仪器壳体用于连接光学镜头、电路板和三脚架，包括壳体前面板、壳体后框及三脚架固定座；光学系统采用四通道结构，每个通道包括光学镜头、C口镜头接圈、窄带滤光片，其中获取偏振图像的三个通道设有线偏振片；图像采集模块由四路CMOS图像传感器构成，图像处理器至少包括四个数字视频口分别与四路CMOS图像传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：获取偏振图像的一个采集通道线偏振片的安装方向为0°参考方向，另外两个采集通道的线偏振片的安装角度分别为60°和120°。
3.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：所述光学镜头为电动可变光学镜头，分别与电机驱动模块连接，实现对焦距、光圈和对焦的调节。
4.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：四片窄带滤光片分别通过的滤光片座安装于CMOS图像传感器的表面，滤光片均采用镜面玻璃材质，中心波长分别为470nm、525nm、630nm和850nm，半带宽为20nm，峰值透射率>90%，截止深度<1％。
5.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：所述壳体前面板为正方形形状，四个C口镜头接圈均匀排列成两排安装在壳体前面板上，用于固定光学镜头，相邻两个接圈的中心间距为前面板边长的一半。
6.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：所述多通道偏振与红外图像采集系统还包括网络模块，用于图像处理器与上位机之间进行数据传输。
7.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：所述存储器模块由SDRAM存储器和FLASH存储器构成，SDRAM存储器用于存放采集到的图像数据，FLASH存储器用于存放系统程序及数据。
8.根据权利要求1所述的一种多通道偏振与红外图像采集系统，其特征在于：所述CMOS图像传感器采用的是MT9T001芯片；所述图像处理器采用的是TMS320DM642芯片。
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