专利名称：Mems红外光源阵列主动式光电标识方法
技术领域：
本发明涉及光电标识技术，具体是一种MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法。
背景技术：
光电标识技术广泛应用于飞机降落指引、船舶引航、路线标记、桥梁标记、城市道路标识、人员搜索和营救、以及军事目标的识别与跟踪等领域。现有光电标识技术主要分为可见光LED标识技术和被动反光标识技术。可见光LED标识技术目前主要应用于飞机降落指引、船舶引航、以及城市道路标识等领域，其核心器件是可见光LED (Light EmittingDiode,发光二极管)信标灯。可见光LED信标灯是一种基于半导体PN结的固态冷光源,其工作原理为在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。由于可见光LED信标灯存在对烟雾雨雪等障碍的穿透能力较差、背景环境对比度低(白天工作能力差)、以及隐蔽性 差的缺点，导致可见光LED标识技术存在受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识的缺点。被动反光标识技术目前主要应用于路线标记、桥梁标记、人员搜索和营救等领域。被动反光标识技术中起关键作用的是反光膜。反光膜是一种光学材料，它是根据薄透镜成像原理，将玻璃微珠均匀单层镶嵌在有机树脂中作为光学原件，用树脂多层层叠而成的贴膜。被动反光标识技术主要是利用反光膜制作的反光标识牌，通过将入射光线按原路回归反射进行标识。被动反光标识技术属于无源标识技术，因而其存在识别效率低、反射光视场范围小、受外界环境影响大的缺点。综上所述，现有光电标识技术由于自身原理所限，普遍存在受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识、识别效率低、以及反射光视场范围小的问题。基于此，有必要发明一种全新的光电标识技术，以解决现有光电标识技术存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有光电标识技术受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识、识别效率低、以及反射光视场范围小的问题，提供了一种MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法。本发明是采用如下技术方案实现的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，该方法是采用如下步骤实现的a.制作红外光源阵列模块选取基座和若干个MEMS红外光源，并将各个MEMS红外光源排布于基座表面形成红外光源阵列；由基座和各个MEMS红外光源共同构成红外光源阵列模块；b.点福射源信标探测采用FPGA (Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、驱动电源、红外光源阵列模块构成主动式点光源光电标识系统，并将主动式点光源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源提供驱动电压；FPGA控制驱动电源输出的驱动电压，以此控制各个MEMS红外光源进行辐射，并设置MEMS红外光源的排布间距，以适应红外探测器的空间分辨尺寸，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为单点红外光斑信号；然后采用红外探测器观瞄得到单点红外光斑信号，以此验证信标的存在并获取信标标识信息；c.扩展辐射源点阵图形识别采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块、光源阵列编码图形模块构成主动式扩展源光 电标识系统，并将主动式扩展源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源提供驱动电压；FPGA —方面控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换，以此控制各个MEMS红外光源进行辐射，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为循环切换的点阵图形信号；然后采用红外探测器在可分辨距离范围内观瞄得到循环切换的点阵图形信号，并采用图像处理系统对观瞄得到的循环切换的点阵图形信号进行解调，以此验证信标的存在并获取大量信标标识信息。所述步骤a-c中，所述MEMS红外光源、FPGAjga电源、光源阵列编码图形模块、图像处理系统均为现有公知结构。本发明所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法基于MEMS红外光源，实现了有源辐射标识。MEMS红外光源是采用MEMS工艺技术集成加工于半导体材料衬底上，其关键结构是微米量级的辐射薄膜层，可以实现快的加热和散热速度，对提高光源的电光转化效率和辐射强度具有积极作用。MEMS红外光源通过辐射体材料的改性掺杂与结构，辐射波长可在I U m 20 ii m之间调节，尤其在红外线大气窗口(3iim 5iim的中红外波段和8 ii m 12 ii m的远红外波段)达到较高福射强度。MEMS红外光源的特点是可全天候工作、作用距离远、抗干扰能力强、对烟雾雨雪等障碍的穿透能力强，同时还具有辐射强度高、电光转化效率高、调制频率高、体积小、重量轻、成本低、工作可靠性高等显著特点。基于MEMS红外光源的上述特点，与可见光LED标识技术相比，本发明所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法受外界环境影响小、能够满足全天候工作要求、隐蔽性好，适用于非对称情况下的隐形标识。与被动反光标识技术相比，本发明所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法为有源辐射标识，因而其识别效率高、视场范围大、受外界环境影响小。由此，本发明所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法有效解决了现有光电标识技术受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识、识别效率低、以及反射光视场范围小的问题，其具备以下优点一、辐射视场范围可调。二、识别效率高。三、全主动标识。四、作用距离远。五、可全天候工作。六、环境适应性好，具有在雨雪等恶劣气候条件下工作的能力。七、抗干扰能力强，尤其是抗电磁干扰。八、波束窄，信号不易被截获，保密性好。九、红外光为非可见光，隐蔽性好。本发明所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法基于MEMS红外光源,利用MEMS结构的普朗克辐射体电致自加热效应，通过焦耳热辐射产生红外光实现了有源辐射标识，只需使用红外探测器(或热像仪)直接观瞄(探测、识别)即可得到信标标识信息(或经过图像处理系统解调后得到加密信息)，不需要信标与红外探测器之间进行询问-应答通信过程。同时随着红外光源阵列结构和点阵图形复杂度的提高，编码信息量呈几何式增加，由此实现了大量信息的快速加密安全传输。本发明基于MEMS红外光源，有效解决了现有光电标识技术受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识、识别效率低、以及反射光视场范围小的问题，适用于飞机降落指引、船舶引航、路线标记、桥梁标记、人员搜索和营救、近地面空间无线通信、以及军事目标的识别与跟踪等领域。
图I是本发明的二维平面红外光源阵列模块的结构示意图。图2是本发明的三维灯塔结构红外光源阵列模块的结构示意图。图3是图2的俯视图。图4是本发明的点辐射源信标探测的工作原理示意图。
图5是本发明的扩展辐射源点阵图形识别的工作原理示意图。图中1_基座，2-MEMS红外光源。
具体实施例方式实施例一
MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，该方法是采用如下步骤实现的
a.制作红外光源阵列模块选取基座I和若干个MEMS红外光源2，并将各个MEMS红外光源2排布于基座I表面形成红外光源阵列；由基座I和各个MEMS红外光源2共同构成红外光源阵列模块；
b.点辐射源信标探测如图4所示，采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块构成主动式点光源光电标识系统，并将主动式点光源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源2提供驱动电压；FPGA控制驱动电源输出的驱动电压，以此控制各个MEMS红外光源2进行辐射，并设置MEMS红外光源2的排布间距，以适应红外探测器的空间分辨尺寸，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为单点红外光斑信号；然后采用红外探测器观瞄得到单点红外光斑信号，以此验证信标的存在并获取信标标识信息；
c.扩展辐射源点阵图形识别如图5所示，采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块、光源阵列编码图形模块构成主动式扩展源光电标识系统，并将主动式扩展源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源2提供驱动电压；FPGA一方面控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换，以此控制各个MEMS红外光源2进行辐射，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为循环切换的点阵图形信号；然后采用红外探测器在可分辨距离范围内观瞄得到循环切换的点阵图形信号，并采用图像处理系统对观瞄得到的循环切换的点阵图形信号进行解调，以此验证信标的存在并获取大量信标标识信息；
所述步骤b中，FPGA通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压；所述步骤c中，FPGA—方面通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面通过控制光源调制频率来控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换；
如图I所示，所述步骤a中，基座I为平面形基座；将各个MEMS红外光源2排布于平面形基座表面形成二维平面红外光源阵列；由平面形基座和各个MEMS红外光源2共同构成二维平面红外光源阵列模块；工作时，二维平面红外光源阵列可以实现定向视场的小角度辐射，有效地提高辐射能量的利用效率；
具体实施时，红外光源阵列可为任意形状的阵列。各个MEMS红外光源进行独立封装和单独供电。各个MEMS红外光源之间通过并联连接。实施例二
MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，该方法是采用如下步骤实现的
a.制作红外光源阵列模块选取基座I和若干个MEMS红外光源2，并将各个MEMS红外光源2排布于基座I表面形成红外光源阵列；由基座I和各个MEMS红外光源2共同构成红外光源阵列模块；
b.点辐射源信标探测如图4所示，采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块构成主动式点光源光电标识系统，并将主动式点光源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源2提供驱动电压；FPGA控制驱动电源输出的驱动电压，以此控制各个MEMS红外光源2进行辐射，并设置MEMS红外光源2的排布间距，以适应红外探测器的空间分辨尺寸，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为单点红外光斑信号；然后采用红外探测器观瞄得到单点红外光斑信号，以此验证信标的存在并获取信标标识信 息；
c.扩展辐射源点阵图形识别如图5所示，采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块、光源阵列编码图形模块构成主动式扩展源光电标识系统，并将主动式扩展源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源2提供驱动电压；FPGA一方面控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换，以此控制各个MEMS红外光源2进行辐射，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为循环切换的点阵图形信号；然后采用红外探测器在可分辨距离范围内观瞄得到循环切换的点阵图形信号，并采用图像处理系统对观瞄得到的循环切换的点阵图形信号进行解调，以此验证信标的存在并获取大量信标标识信息；
所述步骤b中，FPGA通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压；所述步骤c中，FPGA—方面通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面通过控制光源调制频率来控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换；
如图2、3所示，所述步骤a中，基座I为棱台形基座；将各个MEMS红外光源2排布于棱台形基座的上底面和侧面形成三维灯塔结构红外光源阵列；由棱台形基座和各个MEMS红外光源2共同构成三维灯塔结构红外光源阵列模块；工作时，三维灯塔结构红外光源阵列可以实现大视场范围的广角度辐射，辐射角达到360° ,无信号盲区；
具体实施时，红外光源阵列可为任意形状的阵列。各个MEMS红外光源进行独立封装和单独供电。各个MEMS红外光源之间通过并联连接。
权利要求
1.一种MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，其特征在于该方法是采用如下步骤实现的 a.制作红外光源阵列模块选取基座(I)和若干个MEMS红外光源(2)，并将各个MEMS红外光源(2)排布于基座(I)表面形成红外光源阵列；由基座(I)和各个MEMS红外光源(2)共同构成红外光源阵列模块； b.点辐射源信标探测采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块构成主动式点光源光电标识系统，并将主动式点光源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源(2)提供驱动电压；FPGA控制驱动电源输出的驱动电压，以此控制各个MEMS红外光源(2)进行辐射，并设置MEMS红外光源(2)的排布间距，以适应红外探测器的空间分辨尺寸，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为单点红外光斑信号；然后采用红外探测器观瞄得到单点红外光斑信号，以此验证信标的存在并获取信标标识信息； c.扩展辐射源点阵图形识别采用FPGA、驱动电源、红外光源阵列模块、光源阵列编码图形模块构成主动式扩展源光电标识系统，并将主动式扩展源光电标识系统安装于信标上；驱动电源为红外光源阵列模块中的各个MEMS红外光源(2)提供驱动电压；FPGA—方面控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换，以此控制各个MEMS红外光源(2)进行辐射，使得红外光源阵列模块的辐射信号呈现为循环切换的点阵图形信号；然后采用红外探测器在可分辨距离范围内观瞄得到循环切换的点阵图形信号，并采用图像处理系统对观瞄得到的循环切换的点阵图形信号进行解调，以此验证信标的存在并获取大量信标标识信息。
2.根据权利要求I所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，其特征在于所述步骤b中，FPGA通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压；所述步骤c中，FPGA —方面通过编程输出频率和占空比可调的脉冲方波来控制驱动电源输出的驱动电压，另一方面通过控制光源调制频率来控制光源阵列编码图形模块输出的编码图形实现变换。
3.根据权利要求I或2所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，其特征在于所述步骤a中，基座(I)为平面形基座；将各个MEMS红外光源(2)排布于平面形基座表面形成二维平面红外光源阵列；由平面形基座和各个MEMS红外光源(2)共同构成二维平面红外光源阵列模块。
4.根据权利要求I或2所述的MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，其特征在于所述步骤a中，基座(I)为棱台形基座；将各个MEMS红外光源(2)排布于棱台形基座的上底面和侧面形成三维灯塔结构红外光源阵列；由棱台形基座和各个MEMS红外光源(2)共同构成三维灯塔结构红外光源阵列模块。
全文摘要
本发明涉及光电标识技术，具体是一种MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法。本发明解决了现有光电标识技术受外界环境影响大、无法满足全天候工作要求、不可用于非对称情况下的隐形标识、识别效率低、以及反射光视场范围小的问题。MEMS红外光源阵列主动式光电标识方法，该方法是采用如下步骤实现的a.制作红外光源阵列模块；b.FPGA控制红外光源阵列模块的辐射信号呈现为单点红外光斑信号；c.FPGA控制红外光源阵列模块的辐射信号呈现为循环切换的点阵图形信号。本发明适用于飞机降落指引、船舶引航、路线标记、桥梁标记、人员搜索和营救、近地面空间无线通信、以及军事目标的识别与跟踪等领域。
文档编号G01J5/08GK102661796SQ20121011111
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者丑修建, 关新锋, 刘俊, 张文栋, 李佩青, 熊继军, 田英 申请人:中北大学