一種紅外多探測器組合探測裝置及紅外探測方法
2023-06-12 13:10:31
專利名稱：一種紅外多探測器組合探測裝置及紅外探測方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外多探測器組合探測裝置及紅外探測方法，尤其是指一種實現大視場、高解析度紅外多探測器組合圖像無縫輸出的光電探測裝置及紅外探測方法。
背景技術：
紅外探測器由於受到作用距離牽引，長焦距紅外系統，視場較小，搜索捕獲目標困難，往往需要雷達或系統引導，缺乏自主工作能力，這就大大降低了設備的實用性及工作效能，其主要原因受到大面陣紅外探測器的限制。
大視場、高解析度是光電系統中的重要因素，因為這影響到光電系統一系列性能的優劣。現有枝術中有一種高密度紅外焦平面陣列的製造技術，但其工藝較複雜，製造難度大，成本高，因此，現有技術的焦平面陣列及大面積凝視陣列這類大面陣、高解析度探測器難以得到大規模應用。現有技術還有一種是小面陣紅外探測器，雖然具有工藝較簡單，容易製造，成本相對較低優點，但其視場及解析度又不及焦平面陣列及大面積凝視陣列這類大面陣、高解析度探測器。
發明內容
本發明的目的是:克服現有技術的不足，提供一種利用現有技術的小面陣紅外探測器的工藝較簡單，容易製造，成本相對較低優點，將多個小面陣紅外探測器與相應光學系統的組合，實現大視場、高解析度的紅外多探測器組合探測裝置。本發明的另一個目 的是用本發明的紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的方法。本發明紅外多探測器組合探測裝置的技術方案是:
一種紅外多探測器組合探測裝置，其光學部分包括:1個具有同心物鏡的前組光學系統，I個具有四稜錐反射鏡的四稜錐組件，還有4個後組光學系統，構成共孔徑分視場紅外光學系統；電路部分包括:電源模塊，同步控制電路，紅外圖像組合校正電路，圖像拼接電路，以及接口電路；連接和固定組件包括:連接座和用於固定連接座的支座；成像部分包括:4個紅外探測器和用於安裝紅外探測器的4個紅外探測器支架，以及4個電路板支架；所述前組光學系統、四稜錐組件、以及4個紅外探測器的相對應位置是:依據視場內的光路經前組光學系統的同心物鏡，再經四稜錐組件的四稜錐反射鏡後使最終的像點成四個分離的像，4個紅外探測器的靶面與各像點重合來確定；所述紅外探測器支架上有朝向不同的安裝面，用於光路通過光學系統後通過該安裝面來實現探測空間角度的調節到達4個紅外探測器的靶面；所述的紅外探測器的靶面、紅外探測器支架及電路板支架和電源模塊固定在連接座上。所述的紅外多探測器組合探測裝置，在紅外探測器支架上有調整螺釘，用於調整紅外探測器的靶面與理論像面角度和上下偏移量。所述的紅外多探測器組合探測裝置，其同步控制電路、紅外圖像組合校正電路、圖像拼接電路及接口電路安裝在電路板支架上。所述的紅外多探測器組合探測裝置，其同心物鏡為能調節視場的物鏡。所述的紅外多探測器組合探測裝置，其同步控制電路採用同一時鐘源，利用同步發送和接受來實現4個紅外探測器的同步輸出，得到同一時刻對應場景圖像，同時控制4個紅外探測器相同的積分時間，設置圖像輸出相同類型圖像；紅外圖像組合校正電路包括DSP和FPGA硬體，用於紅外圖像非均勻組合校正，其中DSP主要負責電路板的管理、非均勻校正表的計算，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放係數表，FPGA和SRAM用來實現實時校正；紅外圖像組合校正電路還用於圖像畸變校正，通過對4個紅外探測器輸出圖像的畸變進行標定，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放畸變標定係數表；圖像拼接電路包括DSP和FPGA硬體，對4路輸出後的校正圖像進行配準融合處理，實現圖像的無縫拼接輸出；接口電路用於實現4個紅外探測器、紅外圖像組合校正電路、圖像拼接電路以及上位機各部分的協調統一。用本發明紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的方法是:
首先對組合探測裝置進行系統上電，再通過同步控制電路接收外部控制命令，實現對4個紅外探測器進行同步輸出控制及組合校正控制，然後由紅外圖像組合校正電路輸出組合校正後的圖像，再對4路圖像進行畸變校正；該畸變校正輸出的圖像經圖像拼接電路進行圖像配準及融合操作，實現圖像的無縫輸出。所述的紅外探測方法，其圖像拼接電路是接收紅外圖像組合校正電路輸出的校正且經過AGC調節的4幅圖像畫面，然後進行圖像拼接顯示，並根據指令進行各幅子圖的配準點進行上下左右移動，根據指令切換顯示拼接後的圖像和單獨的紅外子圖。用本發明的紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的圖像處理方法，包括如下步驟:
第一步，圖像組合非均勻校正:對紅外探測器輸出的圖像進行組合非均勻組合校正，實現大視場的紅外圖像的圖像均勻性一致；
第二步，圖像畸變校正:畸變校正的過程就是完成有畸變的實際像到無畸變的理想像的轉換，採用逼近畸變曲線校正方法，經過標定存儲畸變係數；
第三步，圖像配準:選用合適的圖像配準，尋找兩幅相鄰圖像的相對位置，找出配準點，求出拼接圖像的大小及子圖像位置關係；
第四步，圖像融合:將圖像重疊區域的按加權平均的方法，像素值按一定的權值相加合成新的圖像。本發明的原理是:利用共孔徑分視場紅外光學系統，通過兩次成像的分光系統，將一個較大的視場分割成四個小的視場，成像於探測器的靶面，多探測器受同步控制經光電轉換輸出同時刻對應場景圖像，經圖像綜合處理包括多探測器非均勻性組合校正、圖像畸變校正、圖像數據並行處理及組合視場圖像拼接重建形成高解析度的無縫組合圖像，使分離的四個小視場重新組合成了一個較大視場圖像。本發明顯著的技術效果主要有:
1、本發裝置通過採用共孔徑分視場的紅外光學系統，採用組合探測技術、多紅外探測器拼接技術、圖像融合技術、多探測器同步輸出控制技術、多探測器組合校正技術等技術手段，圖像視場比同樣的單探測器的系統增大了近一倍，實現了大視場、高解析度紅外探測；
2、工藝較簡單，容易製造，成本相對較低；3、開拓了紅外大面陣探測器研究的新途徑；4、本發明易於操作，應用廣泛。
圖1為本發明探測裝置光學系統示意 圖2為本發明探測裝置結構示意 圖3為本發明探測裝置數字視頻處理板結構原理框 圖4為本發明探測裝置電器結構原理框 圖5為本發明探測裝置的探測方法程序框圖。圖中的附圖標記名稱為:I一前組光學系統、2 —四稜錐組件、3—後組光學系統、4一連接座、5 —電源模塊、6—紅外探測器、7 —電路板支架、8—紅外探測器支架、9一支座、10一同步控制電路、11 一紅外圖像組合校正電路、12一圖像拼接電路、13—接口電路、14一調整螺釘。
具體實施例方式實施例1:
以下是結合附圖和本實施例對本發明紅外多探測器組合探測裝置作進一步說明:
如圖1-4所示，是紅外多探測器組合探測裝置的一個實施例，圖1為光學部分的一個截面示意圖，另一垂直截面與圖1相同。光學部分包括:1個具有同心物鏡的前組光學系統1，I個具有四稜錐反射鏡的四稜錐組件2，還有4個後組光學系統3，構成共孔徑分視場紅外光學系統；電路部分包括:電源模塊5，同步控制電路10，紅外圖像組合校正電路11，圖像拼接電路12，以及接口電路13 ;連接和固定組件包括:連接座4和用於固定連接座4的支座9 ;成像部分包括:4個紅外探測器6和用於安裝紅外探測器6的4個紅外探測器支架8，以及4個電路板支架7 ;所述前組光學系統1、四稜錐組件2、以及4個紅外探測器6的相對應位置是:依據視場內的光路經前組光學系統I的同心物鏡，再經四稜錐組件2的四稜錐反射鏡後使最終的像點成四個分離的像，4個紅外探測器6的靶面與各像點重合來確定；所述紅外探測器支架8上有朝向不同的安裝面，用於光路通過光學系統後通過該安裝面來實現探測空間角度的調節到達4個紅外探測器6的靶面；所述的紅外探測器6的靶面、紅外探測器支架8及電路板支架7和電源模塊5固定在連接座4上。在紅外探測器支架8上有調整螺釘14，用於調整紅外探測器6的靶面與理論像面角度和上下偏移量。所述的同步控制電路10、紅外圖像組合校正電路11、圖像拼接電路12及接口電路13安裝在電路板支架7上。所述的同心物鏡為能調節視場的物鏡。如圖2、3所示，其中圖3為本發明探測裝置數字視頻處理板結構原理框圖，所述的同步控制電路10採用同一時鐘源，利用同步發送和接受來實現4個紅外探測器6的同步輸出，得到同一時刻對應場景圖像，同時控制4個紅外探測器6相同的積分時間，設置圖像輸出相同類型圖像；紅外圖像組合校正電路11包括DSP和FPGA硬體，用於紅外圖像非均勻組合校正，其中DSP主要負責電路板的管理、非均勻校正表的計算，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放係數表，FPGA和SRAM用來實現實時校正；紅外圖像組合校正電路11還用於圖像畸變校正，通過對4個紅外探測器6輸出圖像的畸變進行標定，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放畸變標定係數表；圖像拼接電路12包括DSP和FPGA硬體，對4路輸出後的校正圖像進行配準融合處理，實現圖像的無縫拼接輸出；接口電路13用於實現4個紅外探測器6、紅外圖像組合校正電路11、圖像拼接電路12以及上位機各部分的協調統一。如圖4所示，為本發明探測裝置電器結構原理框圖。電源模塊為各個電路及紅外探測器提供所需要的電源，電源模塊具有過壓、過流、短路、過熱保護功能，體積小效率高。接口電路實現4個紅外探測器、圖像處理、畸變與非均勻校正、拼接電路、上位機等各部分的協調統一。同步控制電路同時提供給四個紅外組件的數字板的信號有:四個同步時鐘信號，四個同步復位信號，且用差分對傳輸，這樣抗幹擾能力較強。紅外組件在同一個時鐘基準下，且用復位信號控制數字板上的邏輯同時啟動開始計數，必須將積分時間設置成相同的值，這樣就可以保證四個紅外組件輸出的視頻信號同步。組合校正電路是通過通用數字視頻處理板實現。圖像拼接電路對四路圖像進行拼接融合顯示處理。實施例2:
以下是結合附圖和本實施例對用本發明紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的方法作進一步說明:
如圖2、5所示，首先對組合探測裝置進行系統上電，再通過同步控制電路10接收外部控制命令，實現對4個紅外探測器6進行同步輸出控制及組合校正控制，然後由紅外圖像組合校正電路11輸出組合校正後的圖像，再對4路圖像進行畸變校正；該畸變校正輸出的圖像經圖像拼接電路12進行圖像配準及融合操作，實現圖像的無縫輸出。所述的圖像拼接電路12是接收紅外圖像組合校正電路11輸出的校正且經過AGC調節的4幅圖像畫面，然後進行圖像拼接顯示，並根據指令進行各幅子圖的配準點進行上下左右移動，根據指令切換顯示拼接後的圖像和單獨的紅外子圖。實施例3:
以下是結合附圖和本實施例對用本發明的紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的圖像處理方法作進一步說明:該圖像處理方法包括如下步驟:
第一步，圖像組合非均勻校正:對紅外探測器6輸出的圖像進行組合非均勻組合校正，實現大視場的紅外圖像的圖像均勻性一致；
第二步，圖像畸變校正:畸變校正的過程就是完成有畸變的實際像到無畸變的理想像的轉換，採用逼近畸變曲線校正方法，經過標定存儲畸變係數；
第三步，圖像配準:選用合適的圖像配準，尋找兩幅相鄰圖像的相對位置，找出配準點，求出拼接圖像的大小及子圖像位置關係；
第四步，圖像融合:將圖像重疊區域的按加權平均的方法，像素值按一定的權值相加合成新的圖像。本發明的權利要求保護範圍不限於上述實施例。
權利要求
1.一種紅外多探測器組合探測裝置，其特徵在於: 光學部分包括:1個具有同心物鏡的前組光學系統(1)，I個具有四稜錐反射鏡的四稜錐組件(2)，還有4個後組光學系統(3)，構成共孔徑分視場紅外光學系統； 電路部分包括:電源模塊(5)，同步控制電路(10)，紅外圖像組合校正電路(11)，圖像拼接電路(12)，以及接口電路(13)； 連接和固定組件包括:連接座(4)和用於固定連接座(4)的支座(9)； 成像部分包括:4個紅外探測器(6)和用於安裝紅外探測器(6)的4個紅外探測器支架(8)，以及4個電路板支架(7); 所述前組光學系統(I)、四稜錐組件(2)、以及4個紅外探測器(6)的相對應位置是:依據視場內的光路經前組光學系統(I)的同心物鏡，再經四稜錐組件(2)的四稜錐反射鏡後使最終的像點成四個分離的像，4個紅外探測器(6)的靶面與各像點重合來確定；所述紅外探測器支架(8)上有朝向不同的安裝面，用於光路通過光學系統後通過該安裝面來實現探測空間角度的調節到達4個紅外探測器(6)的靶面；所述的紅外探測器(6)的靶面、紅外探測器支架(8 )及電路板支架(7 )和電源模塊(5 )固定在連接座(4 )上。
2.根據權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置，其特徵在於:在紅外探測器支架(8)上有調整螺釘(14)，用於調整紅外探測器(6)的靶面與理論像面角度和上下偏移量。
3.根據權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置，其特徵在於:同步控制電路(10 )、紅外圖像組合校正電路(11 )、圖像拼接電路(12 )及接口電路(13 )安裝在電路板支架(7)上。
4.根據權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置，其特徵在於:同心物鏡為能調節視場的物鏡。
5.根據權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置，其特徵在於: 同步控制電路(10)採用同一時鐘源，利用同步發送和接受來實現4個紅外探測器(6)的同步輸出，得到同一時刻對應場景圖像，同時控制4個紅外探測器(6)相同的積分時間，設置圖像輸出相同類型圖像； 紅外圖像組合校正電路(11)包括DSP和FPGA硬體，用於紅外圖像非均勻組合校正，其中DSP主要負責電路板的管理、非均勻校正表的計算，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放係數表，FPGA和SRAM用來實現實時校正；紅外圖像組合校正電路(11)還用於圖像畸變校正，通過對4個紅外探測器(6)輸出圖像的畸變進行標定，FLASHl是用來存放程序，FLASH2用來存放畸變標定係數表； 圖像拼接電路(12)包括DSP和FPGA硬體，對4路輸出後的校正圖像進行配準融合處理，實現圖像的無縫拼接輸出； 接口電路(13 )用於實現4個紅外探測器(6 )、紅外圖像組合校正電路(11)、圖像拼接電路(12)以及上位機各部分的協調統一。
6.一種用權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的方法，其特徵在於:首先對組合探測裝置進行系統上電，再通過同步控制電路(10)接收外部控制命令，實現對4個紅外探測器(6)進行同步輸出控制及組合校正控制，然後由紅外圖像組合校正電路(11)輸出組合校正後的圖像，再對4路圖像進行畸變校正；該畸變校正輸出的圖像經圖像拼接電路(12)進行圖像配準及融合操作，實現圖像的無縫輸出。
7.根據權利要求6所述的紅外探測方法，其特徵在於:圖像拼接電路(12)是接收紅外圖像組合校正電路(11)輸出的校正且經過AGC調節的4幅圖像畫面，然後進行圖像拼接顯示，並根據指令進行各幅子圖的配準點進行上下左右移動，根據指令切換顯示拼接後的圖像和單獨的紅外子圖。
8.一種用權利要求1所述的紅外多探測器組合探測裝置進行紅外探測的圖像處理方法，包括如下步驟: 第一步，圖像組合非均勻校正:對紅外探測器(6)輸出的圖像進行組合非均勻組合校正，實現大視場的紅外圖像的圖像均勻性一致； 第二步，圖像畸變校正:畸變校正的過程就是完成有畸變的實際像到無畸變的理想像的轉換，採用逼近畸變曲線校正方法，經過標定存儲畸變係數； 第三步，圖像配準:選用合適的圖像配準，尋找兩幅相鄰圖像的相對位置，找出配準點，求出拼接圖像的大小及子圖像位置關係； 第四步，圖像融合:將圖像重疊區域的按加權平均的方法，像素值按一定的權值相加合成新的圖 像。
全文摘要
本發明涉及一種紅外多探測器組合探測裝置及紅外探測方法。探測裝置包括光學部分，電路部分，連接和固定組件，以及成像部分；光學部分包括前組光學系統，四稜錐組件，以及後組光學系統；成像部分包括4個紅外探測器。紅外探測方法步驟包括系統上電，接收控制命令，對4個紅外探測器進行同步輸出控制及校正控制，以及校正圖像和圖像配準及融合操作，實現圖像的無縫輸出。本發明優點是利用現有技術的小面陣紅外探測器的工藝較簡單，容易製造，成本相對較低優點，將多個小面陣紅外探測器與相應光學系統組合，實現在不降低解析度前提下，擴大視場，且紅外圖像均勻無縫輸出，實現大視場、高解析度的紅外探測。
文檔編號G01J5/02GK103115685SQ20131007533
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者賀世超, 曹宇清, 彭春蘋, 程煉, 王燕峰, 聶輝, 李為民 申請人:中國船舶重工集團公司第七一七研究所