一種基於psd位置探測器的光電混合相關器的製作方法

2023-05-30 14:43:41 2

專利名稱：一種基於psd位置探測器的光電混合相關器的製作方法
技術領域：
本發明屬於信息光學領域，將PSD位置探測器應用於匹配濾波相關器中，實現了電子學的靈活性與光學的高速性的有機結合，主要應用於視頻穩像和目標識別與跟蹤等實時光信息處理領域。與傳統的CCD/CM0S等平面陣列探測器採集相關峰信息相比，光電轉換速率明顯提高，從而實現系統的高速性。
背景技術：
光學相關器(OpticalCorrelator)最早由 A.Vander Lugt 提出("Signaldetection by complex spatial filtering, IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145(1964))。光學相關器利用光學方法實現目標圖像與參考圖像的相關運算，從而實現圖像的識別與跟蹤。光學相關器具有高速度和並行處理特點，適合於處理二維圖像信息，可精確快速識別具有複雜背景的圖像目標，在超高速海量圖像識別方面具有較大的優勢。光學相關器利用光學傅立葉變換來進行二維圖像的相關運算，從而實現了圖像位移的測量，具有大帶寬、高速度、低功耗和並行處理等優勢，因而在世界上得到了廣泛研究。空間匹配濾波相關器(Vander Lugt Correlator, VLC)是最早的具有代表性的光學模式識別系統。1964年，Vander Lugt提出了使用離軸全息方法製作空間匹配濾波器，構成空間匹配濾波相關器，通過光學相關運算識別目標("Signal detection by complexspatial filtering, 〃 IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145 (1964))。這標誌著空間匹配濾波相關器的誕生。空間匹配濾波相關器對圖像的識別是在空間濾波的基礎上實現的，其方法是在4f系統的頻譜平面上放置一個匹配濾波器，在頻率域中對輸入信號進行相位補償，從而在輸出平面上產生相關光斑。空間匹配濾波相關器進行圖像識別與跟蹤的原理如

圖1(a)所示。設參考圖像為r(x, y)，目標圖像為t (χ+ Δ x, y+ Δ y) 0先對r(x，y)進行傅立葉變換，得到R(u，v)，再取其復共軛，得到匹配濾波器R* (u, V),嵌入式計算機實時計算目標圖像頻譜T (u, v)exp{2i π [u Δ χ+ν Δ y]}，T (u, ν)為t(x，y)的傅立葉變換。嵌入式處理器將匹配濾波器和目標頻譜點乘，得到識別所需的相關項，η (U，V) =R* (U，V) T (U，V) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(I)然後取模，將其輸入至振幅型空間光調製器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]} (2)利用光學傅立葉透鏡完成傅立葉逆變換，輸出相關結果

= rix^y') * 8(x' + Δι,/ + hy)(3)其中為卷積，「 Θ 」為相關。從上式可以看出，輸出結果中只有目標圖像和模板圖像之間的相關項，只要模板圖像中有與目標圖像相同的圖像，就會在相應點出現明亮的光斑(稱為相關峰)，從而能夠進行識別，同時可利用相關峰的位移反解出目標的位移，從而實現跟蹤。然而傳統的光學相關器通常選擇CM0S/CCD等平面陣列探測器作為相關運算結果的探測器，較低的光電轉換速率成為制約其進一步發展的瓶頸，不能滿足高速識別與跟蹤的要求。PSD (Position Sensitive Device)是一種光電測距器件，它的幾何解析度很高，並且PSD還具有頻譜響應寬、響應速度快、信號處理非常簡單、便於與微機接口等優點，在精密尺寸測量、三維空間位置、機器人定位系統、工業檢測和監控、高能物理實驗等領域，具有獨到之處和廣泛的應用價值。將PSD引入到光學相關處理器，取代傳統的CMOS/CCD等平面陣列探測器。由於在利用光學相關處理器進行目標的識別與跟蹤的過程中只需要提取相關峰的亮度和位置信息，無需記錄相關結果的所有信息，因此採用PSD完全能夠滿足需求，同時能大大提高光電轉換速度。

發明內容
1.本發明目的和總體特點基於PSD位置探測器的光電混合相關器建立在匹配濾波相關器的基礎上，主要是用於目標識別與跟蹤、航空 對接、跟蹤制導等諸多領域。通過前述可知，制約光學相關器高速性的關鍵因素在於光電轉換速率，包括探測器採集相關峰信息的速度以及空間光調製器的利用效率。本發明提出用PSD探測器取代傳統的CM0S/CCD等平面陣列探測器來採集相關峰的信息，大大提高了系統的光電轉換速率，克服了制約光學相關器高速性發展的一大瓶頸，具有很強的實用性。同時，由於PSD位置探測器較CM0S/CCD等平面陣列探測器低廉，因此可降低系統的成本。2.本發明的原理本發明基本思想:本發明建立在匹配濾波的基礎上，結合電子學的靈活性與光學的高速性對傳統的匹配濾波相關器進行改進，並用PSD採集相關峰信息，根據光學相關變換後目標圖像和模板圖像的相關峰位置信息提取目標位置信息。然而PSD無法記錄傳統匹配濾波過程中的頻譜圖像，因此設計出一種基於PSD位置探測器的光電混合處理器，能夠對目標圖像進行高速識別與跟蹤。參考附圖2，其基本原理為:首先利用計算機依據模板圖像提前製作好二值匹配濾波器:即先對參考圖像r (X，y)進行傅立葉變換，得到R(u，ν)，再取其復共軛，得到匹配濾波器R*(u，ν)。然後嵌入式計算機實時計算目標圖像頻譜T (U，ν) exp {2i [u Δ χ+ν Δ y]}, T (u, ν)為t(x，y)的傅立葉變換。嵌入式計算機將匹配濾波器和目標頻譜點乘，得到識別所需的相關項:η (U，ν) =R* (u, v) T (u, v) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(4)然後取模，將其輸入至振幅型空間光調製器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(5)當有雷射照射在空間光調製器上時，可利用光學傅立葉透鏡完成傅立葉逆變換，在透鏡的後焦面輸出相關結果0 (Λ: = T (xr, )f r) 0 f (l'1, y；) * δ (,￥' + Δ. , y1 + Δ),) (6)
其中為卷積，「 」為相關。最終相關結果的光斑由PSD接收並進行後續處理，從而實現目標的高速識別和跟蹤。PSD位置探測器的工作原理如下:說明書圖4為二維PSD的工作結構圖，PSD基於橫向光電效應工作，其結構由P型半導體和N型半導體形成面狀PN結，表面P層為光敏接受面，形成以面狀分布電阻。在光敏面的兩對對邊上的幾何中心點位置引出四個收集光電流的電機。當入射光束落在光敏面上形成光斑，並在光斑中心位置O產生與入射光能量成正比的光生電荷，同時在PSD公共引出端加一反向電壓使光電流Itl在光敏面電阻層上以面電流形式擴散並被四個電極收集，電流分別為I1, I2, I3, I4首先討論水平方向上，設1，2兩電極間距離為2L。如果入射光點位於A點，則電極O的電流Itl等於電極I的電流I1和電極2的電流I2之和，即:Ici=IJI2電極1，2輸出的光電流I1和I2與A點至電極1，2的距離成反比，即
則:
權利要求
1.一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，包括準直雷射束(I)，探測器(2)，外部存儲器(3)，反射鏡(4)，嵌入式處理器(5)，空間光調製器(6)，傅立葉透鏡(7)，PSD位置探測器(8)，其特徵在於，用光學方法計算目標圖像和模版圖像的相關峰圖像，採用PSD位置探測器計算其位置和強度，具體實現流程為: 首先利用嵌入式處理器(5)提前選取要識別的模板圖像作為參考圖像，然後求該圖像的頻譜，最後進行二值化並將其存入外部存儲器(3)中，製作完濾波器，光電混合匹配濾波相關器工作後，嵌入式處理器(5 )將外部存儲器(3 )中的匹配濾波器讀入自身內存，在進行識別與跟蹤時，首先探測器(2)採集目標圖像，嵌入式處理器(5)對其進行預處理後求其頻譜，對頻譜相位進行二值化，然後嵌入式處理器從自身內存中讀出匹配濾波器，與二值化後的頻譜點乘後送入空間光調製器(6)，準直雷射束(I)經反射鏡(4)入射到空間光調製器(6)，對空間光調製器(6)中點乘後的頻譜進行調製，調製後的頻譜通過傅立葉透鏡(7)進行傅立葉逆變換，在傅立葉透鏡的焦平面得到相關結果，由PSD位置探測器(8)接收信號，並通過運放(9)對信號進行放大，然後通過A/D轉換器(10)將模擬信號轉換成數位訊號輸入到嵌入式處理器(5)中進行處理，最終計算得到相關峰的位置結果，同時也能探測出相關峰的強度； 具體運算過程為: 首先利用計算機依據模板圖像提前製作好二值匹配濾波器:即先對參考圖像rOj)進行傅立葉變換，得到機故V),再取其復共軛，得到匹配濾波器,(％ tO ; 然後嵌入式計算機實時計算目標圖像頻譜
2.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，所述PSD位置探測器基於橫向光電效應工作，其結構由P型半導體和N型半導體形成面狀PN結，表面P層為光敏接受面，形成以面狀分布電阻，在光敏面的兩對對邊上的幾何中心點位置引出四個收集光電流的電機。
3.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，所述PSD位置探測器工作過程為: 當入射光束落在光敏面上形成光斑，並在光斑中心位置O產生與入射光能量成正比的光生電荷，同時在PSD公共引出端加一反向電壓使光電流在光敏面電阻層上以面電流形式擴散並被四個電極收集，電流分別為Ip 12、13、14，水平方向上，設1，2兩電極間距離為2L，如果入射光點位於A點，則電極O的電流10等於電極I的電流I1和電極2的電流I2之和，即:10 = I1 + I2 電極1，2輸出的光電流I1和〖2與A點至電極1，2的距離成反比，即
4.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，準直雷射束(2)為固體雷射器、光纖雷射器、氣體雷射器或半導體雷射器，通過擴束準直系統得到的準直雷射束。
5.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，傅立葉透鏡(7)為膠合透鏡或衍射光學元件。
6.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，空間光調製器(6)為反射式相位型空間光調製器或振幅型空間光調製器。
7.根據權利要求1所述的一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，其特徵在於，探測器(2)為CCD 或CMOS圖像傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種基於PSD位置探測器的光電混合相關器，首次將PSD位置探測器引入到匹配濾波相關器中，用PSD採集相關峰信息，根據光學相關變換後目標圖像和模板圖像的相關峰位置信息提取目標位置信息。大大提高了光電轉換效率，同時也實現了電子學的靈活性與光學的高速性的有機結合。利用電子學方法事先做好匹配濾波器，將目標圖像和模版圖像輸入到空間光調製器中，通過傅立葉變換透鏡進行光學傅立葉變換，由PSD位置探測器採集相關運算結果。本發明可應用於視頻的高速穩像以及目標的高速識別與跟蹤等方面。
文檔編號G06E3/00GK103105887SQ20131004359
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者唐武盛, 隋京高, 張小亞, 陳怡休, 賈輝, 李修建, 程攀攀 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學