一种全光学波段图谱协同探测动目标的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于遥感探测和图像识别交叉领域，具体涉及一种全光学波段图谱协同探测动目标的装置和方法，可用于目标探测跟踪与识别。
【背景技术】
[0002]动目标和动态变化的对象类别众多，如常温状态下，运动的车辆、行人及动物；高温状态下的高速运动飞行器、爆炸、火灾等，以及环境光照的可变性，使得这些对象所具有的光谱分布范围和光谱特征各不相同，国内外均无利用图像光谱协同探测各类动目标的覆盖全光学波段的遥感探测装置。
【发明内容】
[0003]为了解决上述技术难题，本发明提供一种全光学波段图谱协同探测动目标的装置，满足同时获取紫外、可见、近红外、短波红外、中波红外和长波红外全光学波段各类动目标的光谱及其中波红外图像与可见近红外图像的需求。
[0004]为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全光学波段图谱信息获取装置，包括大视场二维扫描瞄准镜，共孔径主光学系统模块，红外成像成光学子系统模块，紫外/可见/近红外成谱和可见近红外成像光学子系统模块，短/中/长波红外测谱模块，中波宽/窄波段成像模块，可见近红外测谱模块，可见近红外成像模块，紫外测谱模块，图谱融合信号处理模块，控制模块以及伺服系统。
[0005]大视场二维扫描瞄准镜通过伺服系统控制转动调整方位和俯仰对准目标区域，用于将目标区域的光反射至共孔径主光学系统模块；共孔径主光学系统模块将红外光透射至红外成像成谱光学子系统模块，同时将紫外/可见/近红外光反射至紫外可见近红外成谱和可见近红外成像光学子系统模块；红外成像成谱光学子系统模块将共孔径主光学系统模块透射的红外光聚焦至短/中/长波红外测谱模块实现短/中/长波红外光谱测量，同时将部分中波红外光聚焦至中波宽/窄波段成像模块实现中波红外成像；紫外可见近红外成谱和可见近红外成像光学子系统模块将共孔径主光学系统模块反射的紫外光聚焦至紫外测谱模块实现紫外光谱测量，同时将50%的可见/近红外光聚焦至可见近红外侧谱模块进行可见/近红外光谱测量、剩余50%的可见/近红外光聚焦至可见/近红外成像模块实现可见/近红外成像；图谱融合信息处理模块主要负责接收中波红外图像、可见/近红外图像进行实时目标捕获处理并获取其紫外光光谱、可见光光谱及红外光谱数据，最后进行融合处理和分析；控制模块根据任务需求和图谱融合信息处理模块处理和分析的结果，通过伺服系统控制大视场二维扫描瞄准镜搜索、跟踪、瞄准动目标和动态现象，实现光、机、电信息处理，各模块协同工作。
[0006]大视场二维扫描瞄准镜的稳定平台从组成上划分，包含外框(固定框)、中框和内框，内框安装有平面瞄准镜。内框由外框通过轴承支撑，外框通过轴承支撑在与装置固联的基座上，中框位于内外框之间，通过轴承与与内外框相连。结构在设计过程中尽量采用对称原则，充分利用有效载荷进行平衡，尽量减少配重，并减小系统的转动惯量。在设计时进行精确的计算并同时进行配重设计计算，使负载的理论质心落在旋转轴上。在装配和调试时，用合理分布和少量配重的方法使实际的质心同旋转轴线重合，从而消除设计和制造误差引起的偏心过载力矩。扫描范围的要求(方位土 α °，俯仰土 β ° )，在装置的二维扫描机构设计中，保证了瞄准镜反射光路无遮挡。
[0007]伺服系统由上位机、稳定平台、内框力矩电机、外框力矩电机、内框/外框旋转变压器、内/外框功放模块、伺服控制器及光电隔离模块组成。
[0008]伺服系统稳定平台的内框为俯仰框，安装平面瞄准镜，以及俯仰轴的旋转变压器和俯仰力矩电机转子，外框是伺服控制系统的方位框，其外框轴上安装方位旋转变压器和方位力矩电机转子。
[0009]伺服系统的稳定平台在设计上利用力矩电机直接驱动平台，使平台结构更简单，并能大幅度减小框架轴上因传动带来的阻尼和间隙；旋转变压器测量方式为非接触式测量，不带来任何摩擦力矩；平台与机箱之间的穿线使用接线盘，可以显著减小线扭矩，并有利于保证装调工艺。
[0010]伺服控制器采用数字信号处理(DSP) +现场可编程门阵列(FPGA)构架。FPGA主要进行伺服系统时序和通讯的组织和管理，对外接口对象为控制模块，对内接口对象为DSP、数模转换(DAC)、模数转换(ADC)、旋转变压器信号处理电路等；DSP主要用于负责稳定伺服控制系统功能调度、平台框架控制校正运算等。
[0011]伺服控制器根据上位机的指令采用数字控制方式实现对稳定平台的速率和位置回路的稳定，产生对驱动器的电流指令，实现方位、俯仰稳定框架的数字控制。为平衡信号的大动态范围和高信噪比要求，在每个通道的A/D转换模块之前和控制算法中设计了两档增益变换，另一方面，在小扰动下保证高信噪比而损失一定的动态范围；控制模块通过RS422串口与伺服控制系统进行双向通讯，控制模块可在任意时刻直接访问伺服控制器的内存区，对伺服控制器下发指令及数据，并及时获取伺服控制系统的状态信息。
[0012]为减少平面瞄准镜的形变，所述平面瞄准镜采用形变小、重量轻的材料，镀反射层后对紫外、可见、近红外、中波红外及长波红外光都有较高的反射率。
[0013]共孔径主光学系统模块采用带分光镜的卡塞格林系统，由主镜(曲面反射镜)、次镜(抛物面反射镜)及紫外可见近红外分光镜组成，实现对目标紫外、可见、近红外、中波红外及长波红外谱成像和能量会聚。紫外可见近红外分光镜是45°角放置于主次反射镜之间，主次反射镜遮挡比不大于1:3，在保证主次镜成像所需合理间距的前提下，较小的遮拦比有利于提高光学系统的透过率。
[0014]红外成像成谱光学子系统模块由宽光谱中继镜、红外成谱镜组、短/中/长波红外成谱分光镜(中波半透半反)和中波红外成像镜组组成。其中宽光谱中继镜将共孔径主光学系统模块透射的光聚焦至短/中/长波红外成谱分光镜；短/中/长波红外成谱分光镜将红外光反射至红外成谱镜组，同时将部分中波红外光透射至中波红外成像镜组。
[0015]红外成谱镜组设有可变视场光栏，根据控制指令，实现不同视场范围内目标或背景红外光谱特性测量。中波红外成像镜组设有可切换中波窄带\宽带滤光片，根据控制指令，能够实现不同视场范围内目标或背景的中波窄带及中波宽带图像信息采集。
[0016]紫外/可见/近红外成谱和可见近红外成像子系统模块由紫外成谱反射镜组、平面反射镜、紫外分光镜、可见近红外半透半反分光镜、可见近红外成像镜组和可见近红外成谱镜组组成。其中紫外分光镜将紫外光反射至紫外成谱反射镜组，同时将可见近红外光透射至平面反射镜；平面反射镜将紫外分光镜透射的光反射至可见近红外半透半反分光镜；可见近红外(半透半反)分光镜将50%的可见近红外光透射至可见近红外成像镜组，同时将50%的可见近红外光反射至可见近红外成谱镜组。
[0017]可见近红外成谱镜组设有可变视场光栏，根据控制指令，实现不同视场范围内目标或背景可见近红外光谱特性测量。
[0018]紫外成谱反射镜组用于将紫外分光镜反射的光聚焦至紫外测谱模块以实现紫外光谱采集，可见近红外成谱镜组用于将可见近红外半透半反分光镜反射的光聚焦至可见近红外测谱模块以实现可见近红外光谱采集，可见近红外成像镜组用于将可见近红外半透半反分光镜透射的光聚焦至可见近红外成像模块以实现成像。
[0019]所述红外成谱镜组、紫外成谱反射镜组、可见近红外成谱镜组根据本装置结构布局约束和各测谱模块的尺寸大小可分别采用光学透镜组耦合及光纤耦合方式与各波段测谱丰旲块親合。