专利名称：一种红外多探测器组合探测装置及红外探测方法
技术领域：
本发明涉及一种红外多探测器组合探测装置及红外探测方法，尤其是指一种实现大视场、高分辨率红外多探测器组合图像无缝输出的光电探测装置及红外探测方法。
背景技术：
红外探测器由于受到作用距离牵引，长焦距红外系统，视场较小，搜索捕获目标困难，往往需要雷达或系统引导，缺乏自主工作能力，这就大大降低了设备的实用性及工作效能，其主要原因受到大面阵红外探测器的限制。
大视场、高分辨率是光电系统中的重要因素，因为这影响到光电系统一系列性能的优劣。现有枝术中有一种高密度红外焦平面阵列的制造技术，但其工艺较复杂，制造难度大，成本高，因此，现有技术的焦平面阵列及大面积凝视阵列这类大面阵、高分辨率探测器难以得到大规模应用。现有技术还有一种是小面阵红外探测器，虽然具有工艺较简单，容易制造，成本相对较低优点，但其视场及分辨率又不及焦平面阵列及大面积凝视阵列这类大面阵、高分辨率探测器。
发明内容
本发明的目的是:克服现有技术的不足，提供一种利用现有技术的小面阵红外探测器的工艺较简单，容易制造，成本相对较低优点，将多个小面阵红外探测器与相应光学系统的组合，实现大视场、高分辨率的红外多探测器组合探测装置。本发明的另一个目 的是用本发明的红外多探测器组合探测装置进行红外探测的方法。本发明红外多探测器组合探测装置的技术方案是:
一种红外多探测器组合探测装置，其光学部分包括:1个具有同心物镜的前组光学系统，I个具有四棱锥反射镜的四棱锥组件，还有4个后组光学系统，构成共孔径分视场红外光学系统；电路部分包括:电源模块，同步控制电路，红外图像组合校正电路，图像拼接电路，以及接口电路；连接和固定组件包括:连接座和用于固定连接座的支座；成像部分包括:4个红外探测器和用于安装红外探测器的4个红外探测器支架，以及4个电路板支架；所述前组光学系统、四棱锥组件、以及4个红外探测器的相对应位置是:依据视场内的光路经前组光学系统的同心物镜，再经四棱锥组件的四棱锥反射镜后使最终的像点成四个分离的像，4个红外探测器的靶面与各像点重合来确定；所述红外探测器支架上有朝向不同的安装面，用于光路通过光学系统后通过该安装面来实现探测空间角度的调节到达4个红外探测器的靶面；所述的红外探测器的靶面、红外探测器支架及电路板支架和电源模块固定在连接座上。所述的红外多探测器组合探测装置，在红外探测器支架上有调整螺钉，用于调整红外探测器的靶面与理论像面角度和上下偏移量。所述的红外多探测器组合探测装置，其同步控制电路、红外图像组合校正电路、图像拼接电路及接口电路安装在电路板支架上。所述的红外多探测器组合探测装置，其同心物镜为能调节视场的物镜。所述的红外多探测器组合探测装置，其同步控制电路采用同一时钟源，利用同步发送和接受来实现4个红外探测器的同步输出，得到同一时刻对应场景图像，同时控制4个红外探测器相同的积分时间，设置图像输出相同类型图像；红外图像组合校正电路包括DSP和FPGA硬件，用于红外图像非均匀组合校正，其中DSP主要负责电路板的管理、非均匀校正表的计算，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放系数表，FPGA和SRAM用来实现实时校正；红外图像组合校正电路还用于图像畸变校正，通过对4个红外探测器输出图像的畸变进行标定，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放畸变标定系数表；图像拼接电路包括DSP和FPGA硬件，对4路输出后的校正图像进行配准融合处理，实现图像的无缝拼接输出；接口电路用于实现4个红外探测器、红外图像组合校正电路、图像拼接电路以及上位机各部分的协调统一。用本发明红外多探测器组合探测装置进行红外探测的方法是:
首先对组合探测装置进行系统上电，再通过同步控制电路接收外部控制命令，实现对4个红外探测器进行同步输出控制及组合校正控制，然后由红外图像组合校正电路输出组合校正后的图像，再对4路图像进行畸变校正；该畸变校正输出的图像经图像拼接电路进行图像配准及融合操作，实现图像的无缝输出。所述的红外探测方法，其图像拼接电路是接收红外图像组合校正电路输出的校正且经过AGC调节的4幅图像画面，然后进行图像拼接显示，并根据指令进行各幅子图的配准点进行上下左右移动，根据指令切换显示拼接后的图像和单独的红外子图。用本发明的红外多探测器组合探测装置进行红外探测的图像处理方法，包括如下步骤:
第一步，图像组合非均匀校正:对红外探测器输出的图像进行组合非均匀组合校正，实现大视场的红外图像的图像均匀性一致；
第二步，图像畸变校正:畸变校正的过程就是完成有畸变的实际像到无畸变的理想像的转换，采用逼近畸变曲线校正方法，经过标定存储畸变系数；
第三步，图像配准:选用合适的图像配准，寻找两幅相邻图像的相对位置，找出配准点，求出拼接图像的大小及子图像位置关系；
第四步，图像融合:将图像重叠区域的按加权平均的方法，像素值按一定的权值相加合成新的图像。本发明的原理是:利用共孔径分视场红外光学系统，通过两次成像的分光系统，将一个较大的视场分割成四个小的视场，成像于探测器的靶面，多探测器受同步控制经光电转换输出同时刻对应场景图像，经图像综合处理包括多探测器非均匀性组合校正、图像畸变校正、图像数据并行处理及组合视场图像拼接重建形成高分辨率的无缝组合图像，使分离的四个小视场重新组合成了一个较大视场图像。本发明显著的技术效果主要有:
1、本发装置通过采用共孔径分视场的红外光学系统，采用组合探测技术、多红外探测器拼接技术、图像融合技术、多探测器同步输出控制技术、多探测器组合校正技术等技术手段，图像视场比同样的单探测器的系统增大了近一倍，实现了大视场、高分辨率红外探测；
2、工艺较简单，容易制造，成本相对较低；3、开拓了红外大面阵探测器研究的新途径；4、本发明易于操作，应用广泛。
图1为本发明探测装置光学系统示意 图2为本发明探测装置结构示意 图3为本发明探测装置数字视频处理板结构原理框 图4为本发明探测装置电器结构原理框 图5为本发明探测装置的探测方法程序框图。图中的附图标记名称为:I一前组光学系统、2 —四棱锥组件、3—后组光学系统、4一连接座、5 —电源模块、6—红外探测器、7 —电路板支架、8—红外探测器支架、9一支座、10一同步控制电路、11 一红外图像组合校正电路、12一图像拼接电路、13—接口电路、14一调整螺钉。
具体实施例方式实施例1:
以下是结合附图和本实施例对本发明红外多探测器组合探测装置作进一步说明:
如图1-4所示，是红外多探测器组合探测装置的一个实施例，图1为光学部分的一个截面示意图，另一垂直截面与图1相同。光学部分包括:1个具有同心物镜的前组光学系统1，I个具有四棱锥反射镜的四棱锥组件2，还有4个后组光学系统3，构成共孔径分视场红外光学系统；电路部分包括:电源模块5，同步控制电路10，红外图像组合校正电路11，图像拼接电路12，以及接口电路13 ;连接和固定组件包括:连接座4和用于固定连接座4的支座9 ;成像部分包括:4个红外探测器6和用于安装红外探测器6的4个红外探测器支架8，以及4个电路板支架7 ;所述前组光学系统1、四棱锥组件2、以及4个红外探测器6的相对应位置是:依据视场内的光路经前组光学系统I的同心物镜，再经四棱锥组件2的四棱锥反射镜后使最终的像点成四个分离的像，4个红外探测器6的靶面与各像点重合来确定；所述红外探测器支架8上有朝向不同的安装面，用于光路通过光学系统后通过该安装面来实现探测空间角度的调节到达4个红外探测器6的靶面；所述的红外探测器6的靶面、红外探测器支架8及电路板支架7和电源模块5固定在连接座4上。在红外探测器支架8上有调整螺钉14，用于调整红外探测器6的靶面与理论像面角度和上下偏移量。所述的同步控制电路10、红外图像组合校正电路11、图像拼接电路12及接口电路13安装在电路板支架7上。所述的同心物镜为能调节视场的物镜。如图2、3所示，其中图3为本发明探测装置数字视频处理板结构原理框图，所述的同步控制电路10采用同一时钟源，利用同步发送和接受来实现4个红外探测器6的同步输出，得到同一时刻对应场景图像，同时控制4个红外探测器6相同的积分时间，设置图像输出相同类型图像；红外图像组合校正电路11包括DSP和FPGA硬件，用于红外图像非均匀组合校正，其中DSP主要负责电路板的管理、非均匀校正表的计算，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放系数表，FPGA和SRAM用来实现实时校正；红外图像组合校正电路11还用于图像畸变校正，通过对4个红外探测器6输出图像的畸变进行标定，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放畸变标定系数表；图像拼接电路12包括DSP和FPGA硬件，对4路输出后的校正图像进行配准融合处理，实现图像的无缝拼接输出；接口电路13用于实现4个红外探测器6、红外图像组合校正电路11、图像拼接电路12以及上位机各部分的协调统一。如图4所示，为本发明探测装置电器结构原理框图。电源模块为各个电路及红外探测器提供所需要的电源，电源模块具有过压、过流、短路、过热保护功能，体积小效率高。接口电路实现4个红外探测器、图像处理、畸变与非均匀校正、拼接电路、上位机等各部分的协调统一。同步控制电路同时提供给四个红外组件的数字板的信号有:四个同步时钟信号，四个同步复位信号，且用差分对传输，这样抗干扰能力较强。红外组件在同一个时钟基准下，且用复位信号控制数字板上的逻辑同时启动开始计数，必须将积分时间设置成相同的值，这样就可以保证四个红外组件输出的视频信号同步。组合校正电路是通过通用数字视频处理板实现。图像拼接电路对四路图像进行拼接融合显示处理。实施例2:
以下是结合附图和本实施例对用本发明红外多探测器组合探测装置进行红外探测的方法作进一步说明:
如图2、5所示，首先对组合探测装置进行系统上电，再通过同步控制电路10接收外部控制命令，实现对4个红外探测器6进行同步输出控制及组合校正控制，然后由红外图像组合校正电路11输出组合校正后的图像，再对4路图像进行畸变校正；该畸变校正输出的图像经图像拼接电路12进行图像配准及融合操作，实现图像的无缝输出。所述的图像拼接电路12是接收红外图像组合校正电路11输出的校正且经过AGC调节的4幅图像画面，然后进行图像拼接显示，并根据指令进行各幅子图的配准点进行上下左右移动，根据指令切换显示拼接后的图像和单独的红外子图。实施例3:
以下是结合附图和本实施例对用本发明的红外多探测器组合探测装置进行红外探测的图像处理方法作进一步说明:该图像处理方法包括如下步骤:
第一步，图像组合非均匀校正:对红外探测器6输出的图像进行组合非均匀组合校正，实现大视场的红外图像的图像均匀性一致；
第二步，图像畸变校正:畸变校正的过程就是完成有畸变的实际像到无畸变的理想像的转换，采用逼近畸变曲线校正方法，经过标定存储畸变系数；
第三步，图像配准:选用合适的图像配准，寻找两幅相邻图像的相对位置，找出配准点，求出拼接图像的大小及子图像位置关系；
第四步，图像融合:将图像重叠区域的按加权平均的方法，像素值按一定的权值相加合成新的图像。本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
1.一种红外多探测器组合探测装置，其特征在于: 光学部分包括:1个具有同心物镜的前组光学系统(1)，I个具有四棱锥反射镜的四棱锥组件(2)，还有4个后组光学系统(3)，构成共孔径分视场红外光学系统； 电路部分包括:电源模块(5)，同步控制电路(10)，红外图像组合校正电路(11)，图像拼接电路(12)，以及接口电路(13)； 连接和固定组件包括:连接座(4)和用于固定连接座(4)的支座(9)； 成像部分包括:4个红外探测器(6)和用于安装红外探测器(6)的4个红外探测器支架(8)，以及4个电路板支架(7); 所述前组光学系统(I)、四棱锥组件(2)、以及4个红外探测器(6)的相对应位置是:依据视场内的光路经前组光学系统(I)的同心物镜，再经四棱锥组件(2)的四棱锥反射镜后使最终的像点成四个分离的像，4个红外探测器(6)的靶面与各像点重合来确定；所述红外探测器支架(8)上有朝向不同的安装面，用于光路通过光学系统后通过该安装面来实现探测空间角度的调节到达4个红外探测器(6)的靶面；所述的红外探测器(6)的靶面、红外探测器支架(8 )及电路板支架(7 )和电源模块(5 )固定在连接座(4 )上。
2.根据权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置，其特征在于:在红外探测器支架(8)上有调整螺钉(14)，用于调整红外探测器(6)的靶面与理论像面角度和上下偏移量。
3.根据权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置，其特征在于:同步控制电路(10 )、红外图像组合校正电路(11 )、图像拼接电路(12 )及接口电路(13 )安装在电路板支架(7)上。
4.根据权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置，其特征在于:同心物镜为能调节视场的物镜。
5.根据权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置，其特征在于: 同步控制电路(10)采用同一时钟源，利用同步发送和接受来实现4个红外探测器(6)的同步输出，得到同一时刻对应场景图像，同时控制4个红外探测器(6)相同的积分时间，设置图像输出相同类型图像； 红外图像组合校正电路(11)包括DSP和FPGA硬件，用于红外图像非均匀组合校正，其中DSP主要负责电路板的管理、非均匀校正表的计算，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放系数表，FPGA和SRAM用来实现实时校正；红外图像组合校正电路(11)还用于图像畸变校正，通过对4个红外探测器(6)输出图像的畸变进行标定，FLASHl是用来存放程序，FLASH2用来存放畸变标定系数表； 图像拼接电路(12)包括DSP和FPGA硬件，对4路输出后的校正图像进行配准融合处理，实现图像的无缝拼接输出； 接口电路(13 )用于实现4个红外探测器(6 )、红外图像组合校正电路(11)、图像拼接电路(12)以及上位机各部分的协调统一。
6.一种用权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置进行红外探测的方法，其特征在于:首先对组合探测装置进行系统上电，再通过同步控制电路(10)接收外部控制命令，实现对4个红外探测器(6)进行同步输出控制及组合校正控制，然后由红外图像组合校正电路(11)输出组合校正后的图像，再对4路图像进行畸变校正；该畸变校正输出的图像经图像拼接电路(12)进行图像配准及融合操作，实现图像的无缝输出。
7.根据权利要求6所述的红外探测方法，其特征在于:图像拼接电路(12)是接收红外图像组合校正电路(11)输出的校正且经过AGC调节的4幅图像画面，然后进行图像拼接显示，并根据指令进行各幅子图的配准点进行上下左右移动，根据指令切换显示拼接后的图像和单独的红外子图。
8.一种用权利要求1所述的红外多探测器组合探测装置进行红外探测的图像处理方法，包括如下步骤: 第一步，图像组合非均匀校正:对红外探测器(6)输出的图像进行组合非均匀组合校正，实现大视场的红外图像的图像均匀性一致； 第二步，图像畸变校正:畸变校正的过程就是完成有畸变的实际像到无畸变的理想像的转换，采用逼近畸变曲线校正方法，经过标定存储畸变系数； 第三步，图像配准:选用合适的图像配准，寻找两幅相邻图像的相对位置，找出配准点，求出拼接图像的大小及子图像位置关系； 第四步，图像融合:将图像重叠区域的按加权平均的方法，像素值按一定的权值相加合成新的图 像。
全文摘要
本发明涉及一种红外多探测器组合探测装置及红外探测方法。探测装置包括光学部分，电路部分，连接和固定组件，以及成像部分；光学部分包括前组光学系统，四棱锥组件，以及后组光学系统；成像部分包括4个红外探测器。红外探测方法步骤包括系统上电，接收控制命令，对4个红外探测器进行同步输出控制及校正控制，以及校正图像和图像配准及融合操作，实现图像的无缝输出。本发明优点是利用现有技术的小面阵红外探测器的工艺较简单，容易制造，成本相对较低优点，将多个小面阵红外探测器与相应光学系统组合，实现在不降低分辨率前提下，扩大视场，且红外图像均匀无缝输出，实现大视场、高分辨率的红外探测。
文档编号G01J5/02GK103115685SQ20131007533
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者贺世超, 曹宇清, 彭春苹, 程炼, 王燕峰, 聂辉, 李为民 申请人:中国船舶重工集团公司第七一七研究所