一种弱目标成像检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种弱目标成像检测装置及方法。利用目标和背景的反射及散射光在特定波段以及在0°和90°偏振方向上的光强差异，采用双通道正交差分的成像方式实现光谱‑偏振同步成像。硬件模块可分为仪器壳体、光学系统和FPGA主控板三部分。其中仪器壳体用于连接光学镜头、电路板和三脚架；光学系统采用双通道结构，用于获取两幅不同偏振角和波段的图像；FPGA主控板用于对双通道CMOS图像传感器进行参数配置、同步采集、图像缓存及预处理。软件模块依次执行双通道图像采集、图像畸变校正、双通道图像配准、图像差分融合和图像目标检测任务。相比现有方法，具有较低的硬件成本和软件复杂度，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学成像检测装置及方法，尤其涉及一种弱目标成像检测装置及方法，属于光学成像领域。
技术介绍
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。然而传统伪装涂料的使用使得目标与背景之间能够近似实现“同色同谱”，利用传统的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。一般自然环境中地物背景的偏振度较低，而人工目标的偏振度较高。如植物的偏振度一般小于0.5％；岩石、沙石、裸土等的偏振度介于0.5％～1.5％之间；水面、水泥路面、屋顶等的偏振度一般大于1.5％(尤其水面的偏振度达到了8％～10％)；某些非金属材料和部分金属材料表面的偏振度达到了2％以上(有的甚至达10％以上)。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。在偏振探测中，目标光辐射的偏振态可用四个斯托克斯(Stokes)参量完整描述，包括光波的总强度I、水平方向上线的偏振光强度Q、45°/135°方向上线的偏振光强度U，以及圆偏振光的强度V。实际应用中，V可以忽略不计，进而将偏振度描述为偏振角描述为θ＝0.5arctan(U/Q)。因此为了得到上述偏振态信息，至少要获取三幅不同偏振方向的光强图像以计算参量I、Q、U。据此原理，目前得到应用的偏振成像探测装置主要有四种：(1)分时成像的方式。该方式采用一个成像器件，通过顺序旋转安装在镜头前的偏振片来获得0°、60°、90°三个不同偏振方向的图像；具有结构简单、易实现的优点；但是仅适用于目标与背景均为静止的情况。(2)光路分光的方式。该方式采用光束分离器和延迟器，将通过单镜头的光束均匀地分成相同的三份，并经过0°、60°、90°方向的偏振片投射到三个独立的成像器件上；可以同时获得三方向的偏振图像；但这种方式会使入射到单个成像器件上的能量大幅减少，导致成像信噪比明显降低。(3)分焦平面的方式。该方式采用特殊工艺制作的成像器件，其上的每一个像素分别对应0°、60°、90°中的一个偏振方向，并按照类似彩色图像传感器中RGB分布的Bayer格式进行排布；不仅可以实现同时偏振成像，而且无需额外的分光器件，易于实现仪器的小型化；但分焦平面器件的制作工艺复杂且未实现产品化。(4)空间配准的方式。该方式采用三台相机组成三通道同步成像系统，分别采集0°、60°、90°方向的偏振图像，再通过图像空间配准算法将三幅图像重叠区域的像素对齐；具有较低的硬件复杂度；但由于三通道的畸变参数及拍摄视角不一致，如不能合理地校正，将导致图像配准精度不高，影响弱小目标的检测。实际上对于弱目标检测的应用而言，偏振成像的目的不是获取偏振度或偏振角信息，而是如何实时、高效地增强目标和背景的对比度。从这个角度来看，利用Stokes方程对多通道图像进行融合并不是一种高效的方法。本专利技术利用目标和背景的反射及散射光在特定波段以及在0°和90°偏振方向上的光强差异，采用双通道正交差分的成像方式实现光谱-偏振同步成像，相比现有同步偏振成像方式，具有较低的硬件成本和软件复杂度，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。
技术实现思路
本专利技术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，提供了一种弱目标成像检测装置及方法。本专利技术通过以下技术方案实现：一种弱目标成像检测装置，由仪器壳体、光学系统和FPGA主控板三部分组成，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；光学系统采用双通道结构，用于获取两幅不同偏振角和波段的图像，通道1包括0°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、470nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；通道2包括90°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、630nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；FPGA主控板用于对双通道CMOS图像传感器进行参数配置、同步采集、图像缓存及预处理，并通过USB接口传输至PC机。所述的壳体前面板的尺寸为100mm×50mm×5mm，其上安装有用于固定光学镜头的两个C口镜头接圈，两个接圈的中心间距为50mm，螺纹外径为25.1mm；壳体后框的尺寸为100mm×50mm×30mm，通过前面板四周的12颗规格为Φ3*6的螺丝与之相连，其左侧有一个B型USB接口，用来连接FPGA主控板和PC机；三脚架固定座位于壳体后框的下侧，通过中心规格为1/4-20的螺孔连接三脚架的云台。所述的通道1和通道2的光学镜头的焦距均为8mm定焦，光圈调节范围为F1.4-F16，对焦范围为0.1m-∞，和前面板上的两个C口镜头接圈相连；两片旋转式线偏振滤镜通过尺寸为M30.5×0.5mm的接圈分别安装在两个光学镜头前；采用线偏振标定板将二者对应的线偏振滤镜的偏振方向分别调节至0°和90°；两片窄带滤光片分别通过滤光片座安装于CMOS图像传感器的表面；滤光片均采用镜面玻璃材质，尺寸为12mm×12mm×0.7mm，中心波长分别为470nm和630nm，半带宽为20nm，峰值透射率>90％，截止深度<1％；CMOS图像传感器采用130万像素的1/2″单色面阵传感器，光谱响应范围为400-1050nm。所述的FPGA主控板以一片非易失性FPGA芯片为核心，并采用可编程片上系统技术将32位的软核Nios II处理器及其部分外设集成在单芯片内，片外仅采用一片USB2.0接口芯片和B型USB接口与PC机通信；Nios II处理器通过Avalon总线控制用户RAM、用户FLASH、USB控制器、双通道对应的2组双口RAM控制器及图像采集模块等片内外设；用户RAM用作Nios II处理器的运行内存；用户FLASH用于存储Nios II处理器执行的程序代码；USB控制器用于USB2.0接口芯片的配置和总线协议转换；双口RAM是一个异步FIFO，用于图像行有效数据的筛选和处理，并使数据在传输过程中保持同步；图像采集模块包括配置控制器和时序控制器两部分，配置控制器通过I2C双向数据串行总线SCLK、SDATA对CMOS图像传感器内部寄存器进行配置，时序控制器通过时序信号STROBE、PIXCLK、L_VALID、F_VALID和控制信号STANDBY、TRIGGER、CLKIN控制CMOS图像传感器同步输出数据DOUT[9:0]。所述的FPGA主控板的工作流程为：主控板上电后首先进行系统初始化，然后令Nios II处理器处于等待状态；PC通过USB接口向主控板发送起始信号后，Nios II处理器通过配置控制器依次对双通道的CMOS图像传感器进行写寄存器操作，将其设置为抓拍模式，并配置图像分辨率、曝光时间及电子增益等参数。设置完成后，配置控制器的I2C总线进入空闲状态，并令2组时序控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弱目标成像检测装置，由仪器壳体、光学系统和FPGA主控板三部分组成，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；光学系统采用双通道结构，用于获取两幅不同偏振角和波段的图像，通道1包括0°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、470nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；通道2包括90°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、630nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；FPGA主控板用于对双通道CMOS图像传感器进行参数配置、同步采集、图像缓存及预处理，并通过USB接口传输至PC机。

【技术特征摘要】
1.一种弱目标成像检测装置，由仪器壳体、光学系统和FPGA主控板三部分组成，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；光学系统采用双通道结构，用于获取两幅不同偏振角和波段的图像，通道1包括0°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、470nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；通道2包括90°线偏振滤镜、光学镜头、C口镜头接圈、滤光片座、630nm窄带滤光片和CMOS图像传感器；FPGA主控板用于对双通道CMOS图像传感器进行参数配置、同步采集、图像缓存及预处理，并通过USB接口传输至PC机。2.根据权利要求1所述的一种弱目标成像检测装置，其特征在于：所述的壳体前面板的尺寸为100mm×50mm×5mm，其上安装有用于固定光学镜头的两个C口镜头接圈，两个接圈的中心间距为50mm，螺纹外径为25.1mm；壳体后框的尺寸为100mm×50mm×30mm，通过前面板四周的12颗规格为Φ3*6的螺丝与之相连，其左侧有一个B型USB接口，用来连接FPGA主控板和PC机；三脚架固定座位于壳体后框的下侧，通过中心规格为1/4-20的螺孔连接三脚架的云台。3.根据权利要求1所述的一种弱目标成像检测装置，其特征在于：所述的通道1和通道2的光学镜头的焦距均为8mm定焦，光圈调节范围为F1.4-F16，对焦范围为0.1m-∞，和前面板上的两个C口镜头接圈相连；两片旋转式线偏振滤镜通过尺寸为M30.5×0.5mm的接圈分别安装在两个光学镜头前；采用线偏振标定板将二者对应的线偏振滤镜的偏振方向分别调节至0°和90°；两片窄带滤光片分别通过滤光片座安装于CMOS图像传感器的表面；滤光片均采用镜面玻璃材质，尺寸为12mm×12mm×0.7mm，中心波长分别为470nm和630nm，半带宽为20nm，峰值透射率>90％，截止深度<1％；CMOS图像传感器采用130万像素的1/2″单色面阵传感器，光谱响应范围为400-1050nm。4.根据权利要求1所述的一种弱目标成像检测装置，其特征在于：所述的FPGA主控板以一片非易失性FPGA芯片为核心，并采用可编程片上系统技术将32位的软核Nios II处理器及其部分外设集成在单芯片内，片外仅采用一片USB2.0接口芯片和B型USB接口与PC机通信；Nios II处理器通过Avalon总线控制用户RAM、用户FLASH、USB控制器、双通道对应的2组双口RAM控制器及图像采集模块等片内外设；用户RAM用作Nios II处理器的运行内存；用户FLASH用于存储Nios II处理器执行的程序代码；USB控制器用于USB2.0接口芯片的配置和总线协议转换；双口RAM是一个异步FIFO，用于图像行有效数据的筛选和处理，并使数据在传输过程中保持同步；图像采集模块包括配置控制器和时序控制器两部分，配置控制器通过I2C双向数据串行总线SCLK、SDATA对CMOS图像传感器内部寄存器进行配置，时序控制器通过时序信号STROBE、PIXCLK、L_VALID、F_VALID和控制信号STANDBY、TRIGGER、CLKIN控制CMOS图像传感器同步输出数据DOUT[9:0]。5.基于权利要求1所述的一种弱目标成像检测装置的弱目标成像检测方法，其特征在于：包括以下五个主要步骤：(1)双通道图像采集，任务开始后首先扫描USB端口并连接指定的成像装置；确认连接后向成像装置发送控制字以设置成像参数，包括图像分辨率、曝光时间和电子增益；完成设置后发送一次采集指令并等待接收图像数据，当双通道的图像数据均传输完成后以无损压缩的位图格式保存图像；(2)图像畸变校正，设计采用张正友法标定成像系统的光学畸变参数，非线性畸变模型仅考虑图像的径向畸变： δ X = x ( k 1 r 2 + k 2 r 4 + k 3 r 6 + ) δ Y = y ( k 1 r 2 + k 2 r 4 + k 3 r 6 + ) ]]>其中，δX和δY是畸变值，它与投影点在图像中的像素位置有关，x、y是图像点在成像平面坐标系下根据线性投影模型得到的归一化投影值，k1、k2、k3等为径向畸变系数，这里只考虑二次畸变，畸变后的坐标为： x d = x + δ X = x + x ( k 1 r 2 + k 2 r 4 ) y d = y + δ Y = y + y ( k 1 r 2 + k 2 r 4 ) ]]>令(ud,vd)、(u,v)分别为图像坐标系下空间点对应的实际坐标和理想坐标，则两者关系为： ( u - u 0 ) r 2 ( u - u 0 ) r 4 ( v - v 0 ) r 2 ( v - v 0 ) r 4 k 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振，顾朗朗，梁苍，孙启尧，高红民，陈哲，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32