距离选通自主成像自适应mcp增益调节方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及距离选通自主成像领域，尤其涉及一种距离选通自主成像中自适应 MCP增益调节的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来以获取目标空间信息为目的的距离选通激光成像技术在夜视、水下成像、 空间成像、生物医学成像以及三维成像等领域发展迅速。欲有效抑制环境杂散光后向散射 的干扰，距离选通自主成像技术通常选用ns级脉冲激光作为照明光源，和具有ns级选通功 能的选通成像器件收集回波信号，并且在目标回波信号到达成像器件时，选通门打开，其他 时间关闭。目前国内外用于距离成像技术的选通成像器件主要有ICXD和ICM0S，即在CCD和 CMOS图像传感器前加装选通选通型像增强器。选通型像增强器不仅仅是作为选通门实现ns 级选通作用，更重要的是可以对弱光信号放大。选通型像增强器主要由光阴极、微通道板 (MicroChannel Plate，MCP)和荧光屏组成。其中，选通型像增强器对弱光信号的放大作用 主要是通过MCP对经由光阴极转换而来的电信号倍增实现的，MCP增益越大，对弱光信号的 放大作用越强。在实际应用中，一方面MCP增益会直接影响距离选通自主成像系统的成像信 噪比和对比度，从而影响后续信息获取的准确性和难易程度，另一方面相同的MCP增益下， 环境改变时容易引入强光，从而损坏荧光屏乃至整个ICXD或ICM0S器件。传统的MCP增益调 节方法是人眼根据ICCD或ICM0S图像亮度手动地进行调节，这种方法存在较大的不足:首先 实时性较差：当人眼看到强光的入侵到手动降低MCP增益，可能需要数秒甚至数分钟的时 间，这个时间足以导致荧光屏的损坏;其次，手动调节MCP增益主观性大，精度差，难以调节 至适合的MCP增益以方便后期的图像提取及目标识别；最后，在距离选通自主成像系统工作 过程中，无法手动调节MCP增益，固定的MCP增益限制了距离选通自主成像系统的环境适应 性。
【发明内容】
[0003] 针对传统手动调节MCP增益方法存在的不足之处，本发明的主要目的是提出一种 自适应MCP增益调节的方法，以实现距离选通自主成像系统能够根据环境变化自适应地调 节MCP增益，以达到保护成像器件和增强系统环境适应性的目的。
[0004] 为达到以上目的，本发明提供的技术方案如下：
[0005] -种距离选通自主成像自适应MCP增益调节的方法，该方法首先对图像进行灰度 标定，获取适合后期目标提取及识别的低灰度阈值Gi和高灰度阈值G 2,以及与之对应的低像 素数阈值仏和高像素数阈值N2;工作过程中，对ICCD或I CMOS采集到的图像进行灰度直方图 分析，得到基于灰度直方图的分布特征；随后，根据灰度直方图分布特征，统计灰度值小于 低灰度阈值&的像素个数m和灰度值大于高灰度阈值G 2的像素个数n2。若112大于高像素数阈 值N2，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益，减小量为σ;否则，若m小于低像素数阈 值Ni，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大量为σ;否则，MCP增益维持当前值 不变。完成当前帧后，进入下一帧，并重复以上过程，在环境不发生明显变化时，图像会在毫 秒量级的时间内稳定在小于灰度阈值61的像素数小于像素数阈值Λ、大于灰度阈值62的像 素数大于像素数阈值他的状态。
[0006] 上述方案中，所述灰度标定是指，通过调节MCP增益获取不同平均灰度的目标图 像，通过分析不同平均灰度的目标图像，获得适合后期目标提取和识别的图像平均灰度范 围以及目标所占的平均像素数范围。标定过程中，目标、目标场景、目标距离以及系统参数 的选取都是根据实际的需求选取的，并且在标定过程中保持一致;手动调节MCP增益从低到 高等步长增大，获取平均灰度值从低到高的目标图像。后期利用目标分割和识别算法对获 取的不同灰度级的图片进行处理，从而得到适合目标分割和识别的目标平均灰度范围(&， G2)，以及所占像素数范围(1犯）。其中，Gi定义为低灰度阈值，G2定义为高灰度阈值，Λ定义 为低像素数阈值，Ν2定义为高像素数阈值。
[0007] 上述方案中，所述灰度直方图分析是对灰度图像进行统计分析的一种方法，用于 统计整幅图像中不同灰度值所占的像素数。灰度直方图分析具体包括:逐像素遍历整幅图 像，统计各个灰度值所占的像素个数，然后在横坐标上从左到右按照灰度值从小到大的次 序依次标示出各个灰度值，纵坐标对应为像素数。
[0008] 上述方案中，所述对灰度值小于&的像素个数m的统计，是通过统计在灰度直方图 中灰度值&左侧的灰度级的像素数的总和得到的;对灰度值大于G 2的像素个数n2的统计，是 通过统计在灰度直方图中灰度值G2右侧的灰度级的像素数的总和得到的。
[0009] 上述方案中，所述增大或减小MCP增益，是通过调节MCP增益调节电压值来实现的。 工作中，MCP增益随着加载在MCP上的高压的增大而增大，而加载在MCP上的高压又和MCP增 益调节电压具有线性(线性递增或线性递减）的对应的关系。MCP增益调节电压可以由单片 机的D/A口输出提供。实际工作中，信息处理模块将数字化的MCP增益调节电压值通过串口 传送给单片机，单片机通过内部的D/A转换器转换成对应的模拟信号，即MCP增益调节电压 并输出给选通型像增强器，即可实现对MCP增益的调节。
[0010] 上述方案中，所述的MCP增益值的改变量〇是在单片机输出的MCP增益调节电压改 变量为最小值时取得的。若单片机D/A转换器的位数为Ν，参考电压为V REF，则单片机输出的 MCP增益调节电压的最小改变量△ V为：
[0011]
(1)
[0012] 根据MCP增益调节电压和MCP增益倍数之间的单调性对应曲线关系，即可得出在任 何位置MCP增益倍数的最小改变量。当MCP增益调节电压和MCP增益之间单调线性对应时，若 单片机内部的D/A转换器的位数为N，MCP的最大增益倍数为Μ，则当单片机输出的MCP增益调 节电压改变量取最小值时，MCP增益倍数的改变量σ也最小，取值为：
[0013]
(2)
[0014] 上述方案中，所述的MCP增益值的改变量σ取值越小，则精度越高，但调节至合适的 MCP值的速度越慢，反之亦然。本发明中MCP增益值的改变量σ取为最小值，这是由于本发明 提出的自适应MCP增益调节方法处理单幅图像的平均时间在亚毫米量级，即使MCP增益值的 改变量σ取为最小，也可在毫米量级的时间内调节至合适的MCP值并在环境不发生变化时稳 定图像，满足实际需求，同时保证了以最高的调节精度调节。
[0015] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0016] 1.利用本发明，由于通过采用串口通信来调节MCP增益，速度快，在环境中出现强 光时可在数毫秒内迅速降低MCP增益，相对于传统的手动调节，不仅有效地保护了成像器 件，并且在强光下依然可正常工作，达到了强光抑制的作用；
[0017] 2.利用本发明，由于可对MCP增益进行定量的调节，相对于传统的手动调节，精度 大，准确性高，较易获得适合后期图像提取和目标识别的MCP增益。
[0018] 3.利用本发明，在距离选通自主成像系统中，系统可根据环境特点自适应的调节 MCP增益，大大增强了系统的环境适应性。
【附图说明】
[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明，其中：
[0020] 图1是距离选通自主成像自适应MCP增益调节系统；
[0021]图2是自适应MCP增益调节流程图。
[0022] 附图标记说明：
[0023] 1是图像传感器，2是选通型选通型像增强器，3是单片机，4是信息处理模块，5是自 适应MCP增益调节模块。
【具体实施方式】
[0024]本发明提供的距离选通自主成像自适应MCP增益方法是基于图像传感器1、选通型 像增强器2、单片机3、信息处理模块4和自适应MCP增益调节模块5所构成的系统实现的，如 图1所示。其中，选通型像增强器2不仅是作为选通门实现ns级选通作用，更重要的是可以对 微弱的目标回波光信号放大，其中选通型像增强器2对弱光信号的放大倍数（即MCP增益倍 数)和单片机3输入到选通型像增强器2的MCP增益调节电压具有单调性的对应关系;放大了 的目标回波光信号被图像传感器1收集成像，并由图像传感器1上传图像至信息处理模块4; 自适应MCP增益调节模块5将自适应MCP增益调节方法由C++语言基于OpenCV计算机视觉库 编程实现，并被嵌入到信息处理模块4中；自适应MCP增益调节模块5对图像分析后，产生数 字化的MCP增益调节电压，并通过串口传送至单片机3的数字I/O 口；单片机3通过内部的D/A 转换器将数字化的MCP增益调节电压转换成模拟电压并输出给选通型像增强器2。
[0025] 以下部分将对自适应MCP增益调节方法进行详细说明。首先通过灰度标定获得适 合后期目标提取和识别的图像平均灰度范围以及目标所占的平均像素数范围。标定过程 中，目标、目标场景、目标距离以及系统参数的选取都是根据实际的需求选取的，并且在标 定过程中保持一致;手动调节MCP增益从低到高等步长增大，获取平均灰度值从低到高的目 标图像。