一种广域监视成像方法及设备

1.本技术涉及光学成像领域，尤其涉及一种广域监视成像方法及设备。


背景技术：

2.在光学成像系统中，其视场与分辨率之间是相互制约的关系，高分辨相机的视场一般比较小，为了扩大成像覆盖宽度一般采用线阵探测器扫描成像或面阵探测器步进凝视成像。基于小面阵探测器的步进凝视成像方式，由于其视轴可以指向期望的位置对目标区域进行高帧频凝视成像，是实现广域宽覆盖成像和目标凝视监视的潜在可行方案。然而在该成像方式中视轴的步进和凝视是通过大惯量跟踪框架的转动和停止实现的，导致帧与帧之间的稳定时间太长，扫描效率太低。
3.现有的基于快速反射镜和大惯量框架的动态扫描凝视成像方式，实现了广域扫描成像和目标凝视监视，但是大惯量框架的体积和重量都太大，已经无法适应目前日趋小型化、轻量化的机载和星载成像设备，并且扫描效率低，移动不方便，视轴的稳定和跟踪的精度也难以做到精确控制。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种广域监视成像方法及设备，用于解决如下技术问题：传统光学成像系统无法同时实现广域高分辨成像和目标凝视监视，并且现有的光学成像系统的体积和重量比较大，难以实现目标的精确凝视监视和动态扫描成像，以及生成的光学图像分辨率不高，不够准确。
5.本技术实施例采用下述技术方案：
6.一方面，本技术实施例提供了一种广域监视成像方法，其特征在于，所述方法包括：通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第一目标区域反射光线；将所述第一目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，得到第一成像图像；在得到所述第一成像图像后，通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第二目标区域反射光线；将所述第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，得到第二成像图像；将所述第一成像图像与所述第二成像图像进行拼接，得到目标光学成像图像。
7.本技术实施例通过采用扫描反射镜来替代传统方式中光学成像中的大惯量框架，采用轻量化设计的扫描反射镜结合反射式光学系统，可以更好的进行光学成像，大幅度减少了成像系统的体积和重量，提高了扫描的效率，同时实现了广域的扫描成像和对目标进行精准的凝视监视。其中，本技术中的扫描反射镜作为一级稳定跟踪机构，有效的隔离了外界扰动，实现了对目标的粗跟踪，并且将快速反射镜继续对目标进行精准跟踪，作为二级稳定跟踪机构，实现对目标的精跟踪，进一步提高了视轴的稳定性以及跟踪目标的精准度。同时，通过对相邻边缘图像的线条重叠度进行耦合，将得到的第一成像图像与第二成像图像进行耦合，最终得到目标光学成像图像，能够更好的实现图像的合成，形成完整清晰的光学
图像，并且在视轴高稳定性以及高精度的追踪下，能够更好的生成光学成像图像，减少了扫描像移带来的扰动，有更好的补偿扰动效果。
8.在一种可行的实施方式中，通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第一目标区域反射光线，具体包括：控制扫描反射镜进行匀速转动，对所述目标场景中的第一扫描带进行扫描，得到第一扫描光线；将所述第一扫描光线经过预设无焦光学系统反射到所述快速反射镜，以使所述快速反射镜发出第一目标区域反射光线。
9.在一种可行的实施方式中，将所述第一扫描光线经过预设无焦光学系统反射到所述快速反射镜，以使所述快速反射镜发出第一目标区域反射光线，具体包括：控制所述扫描反射镜进行反向轴转动，以使所述扫描反射镜的视轴指向所述目标场景；在所述扫描反射镜匀速转动的同时，控制所述快速反射镜进行反向匀速转动，以使所述快速反射镜的视轴保持静止；其中，所述扫描反射镜的视轴以及所述快速反射镜的视轴为同一视轴。
10.本技术实施例通过将扫描反射镜作为一级稳定跟踪机构，能够大大减少反射镜载体，例如飞机、飞行器等自身的外界扰动，能够更好的对目标实现粗跟踪，然后利用快速反射镜的高控制精度以及高控制带宽，将快速发射镜作为二级稳定机构，能够进一步提高对视轴的指向精度以及跟踪目标的精度，能够更有效的补偿扫描反射镜速度环的控制残差，对广域扫描具有更好的追踪以及对目标具有更好的凝视监视。
11.在一种可行的实施方式中，在所述扫描反射镜的匀速转动的同时，控制所述快速反射镜进行反向匀速转动，以使所述快速反射镜的视轴保持静止，具体包括：根据所述目标场景，标定比例因子调节项；根据所述比例因子调节项以及光学系统放大倍数，将所述扫描反射镜的速度残差进行积分，得到速度运动补偿系数；其中，所述速度残差为所述扫描反射镜的惯性速度与实际速度之差；通过所述速度运动补偿系数，对所述快速反射镜进行反向转动补偿控制，以使所述快速反射镜的视轴保持静止。
12.在一种可行的实施方式中，将所述第一目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，得到第一成像图像，具体包括：在所述视轴保持静止后，通过所述预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，得到初始曝光图像；其中所述面阵探测器与所述快速反射镜进行同步转动；根据预设曝光参数，对所述初始曝光图像进行特性调节，得到所述第一成像图像。
13.在一种可行的实施方式中，所述扫描反射镜包括：第一自由度旋转轴以及第二自由度旋转轴；在所述第一自由度旋转轴以及所述第二自由度旋转轴上，分别安装陀螺仪以及编码器，用于分别测量第一自由度旋转轴以及第二自由度旋转轴的角速度以及角度。
14.在一种可行的实施方式中，在得到所述第一成像图像后，通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第二目标区域反射光线；将所述第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，得到第二成像图像，具体包括：在生成所述第一成像图像后，将所述快速反射镜进行归位处理；其中，所述归位处理为所述快速反射镜移动到扫描前的初始位置，并且所述快速反射镜回到扫描前初始位置的角速度要大于所述扫描反射镜的扫描角速度；控制所述扫描反射镜，对所述目标场景中的第二扫描带进行扫描，得到第二扫描光线；将所述第二扫描光线经过预设无焦光学系统反射到所述快速反射镜，以使所述快速反射镜发出第二目标区域反射光线；将所述第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对所述面阵探测器进行曝光，
得到第二成像图像；其中，所述第二成像图像为所述第一成像图像的相邻图像。
15.本技术实施例通过对目标场景进行条带式扫描，能够扫描的更加准确和细致，不容易遗漏场景中的重要信息，并且通过对多条扫描条带的扫描，能够实现大范围的扫描追踪以及对目标的凝视监视。
16.在一种可行的实施方式中，将所述第一成像图像与所述第二成像图像进行拼接，得到目标光学成像图像，具体包括：确定所述第一成像图像中的相邻边缘图像以及所述第二成像图像中的相邻边缘图像；对所述相邻边缘图像进行特征识别度辨别，得到线条重合度特征；将所述线条重合度特征中大于第一预设阈值的区域范围进行剔除，得到显著线条重合度特征；根据所述显著线条重合度特征，对所述相邻边缘图像进行灰度特征建模，得到灰度特征显著图；对所述灰度特征显著图以及所述显著线条重合度特征进行融合处理，得到所述相邻边缘图像的线条特征图；对所述线条特征图进行识别，得到线条重叠度；若所述线条重叠度大于第二预设阈值，则对所述第一成像图像以及所述第二成像图像进行耦合，得到所述目标光学成像图像。
17.在一种可行的实施方式中，确定所述第一成像图像中的相邻边缘图像以及所述第二成像图像中的相邻边缘图像，具体包括：根据预设范围，对所述第一成像图像与所述第二成像图像进行图像边缘切割，得到初始边缘切割图像；将所述初始边缘切割图像进行坐标映射，得到边缘切割场景坐标；根据所述边缘切割场景坐标，对冗余的所述初始边缘切割图像进行全局非极大值抑制，得到抑制检测结果；根据所述抑制检测结果，确定出图像边缘范围，得到所述相邻边缘图像。
18.本技术实施例提出了一种广域监视成像方法及设备，通过扫描反射镜与快速反射镜，以及进行成像图像合成，能够更好的实现对广域的扫描以及目标凝视监视的追踪，并得到高精度和高准确的光学成像图像。采用轻量化设计的扫描反射镜结合反射式光学系统，可以更好的进行光学成像，大幅度减少了成像系统的体积和重量，提高了扫描的效率。扫描反射镜作为一级稳定跟踪机构，有效的隔离了外界扰动，实现了对目标的粗跟踪，并且将快速反射镜继续对目标进行精准跟踪，作为二级稳定跟踪机构，实现对目标的精跟踪，进一步提高了视轴的稳定性以及跟踪目标的精准度。在视轴高稳定性以及高精度的追踪下，能够更好生成高分辨率的光学成像图像，减少了扫描像移带来的扰动，有更好的补偿扰动效果。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
20.图1为本技术实施例提供的一种广域监视成像方法流程图；
21.图2为本技术实施例提供的一种广域监视成像总体设计图；
22.图3为本技术实施例提供的扫描反射镜示意图；
23.图4为本技术实施例提供的工作时序图；
24.图5为本技术实施例提供的广域监视成像系统的视轴控制系统框图；
25.图6为本技术实施例提供的一种广域监视成像设备的结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
27.本技术实施例提供了一种广域监视成像方法，如图1所示，广域监视成像方法具体包括步骤101-104：
28.步骤101、通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第一目标区域反射光线。
29.具体地，控制扫描反射镜进行匀速转动，对目标场景中的第一扫描带进行扫描，得到第一扫描光线。将第一扫描光线经过预设无焦光学系统反射到快速反射镜，以使快速反射镜发出第一目标区域反射光线。
30.其中，首先控制扫描反射镜进行反向轴转动，以使扫描反射镜的视轴指向目标场景。在扫描反射镜匀速转动的同时，控制快速反射镜进行反向匀速转动，以使快速反射镜的视轴保持静止。扫描反射镜的视轴以及快速反射镜的视轴为同一视轴。
31.并且，在扫描反射镜的匀速转动的同时，控制快速反射镜进行反向匀速转动，使快速反射镜的视轴保持静止，首先，根据目标场景，标定比例因子调节项。根据比例因子调节项以及光学系统放大倍数，将扫描反射镜的速度残差进行积分，得到速度运动补偿系数。速度残差为扫描反射镜的惯性速度与实际速度之差。通过速度运动补偿系数，对快速反射镜进行反向转动补偿控制，以使快速反射镜的视轴保持静止。
32.在一个实施例中，快速反射镜采用电涡流传感器、四象限探测器和应变片等作为位置传感器。首先将扫描反射镜的扫描速度积分后，乘以光学系统的放大倍数以及比例因子调节项，作为快速反射镜的控制指令，通过控制器控制快速反射镜反向转动补偿扫描像移。由于工作环境的变化，例如温度变化，可能会导致扫描反射镜和快速反射镜的角速度不匹配，进而造成扫描像移没有得到完全补偿，因此比例因子调节项必须在每次飞行时进行标定。
33.作为一种可行的实施方式，扫描反射镜包括：第一自由度旋转轴以及第二自由度旋转轴。在第一自由度旋转轴以及第二自由度旋转轴上，分别安装陀螺仪以及编码器，用于分别测量第一自由度旋转轴以及第二自由度旋转轴的角速度以及角度。
34.在一个实施例中，图3为本技术实施例提供的扫描反射镜示意图。如图3所示，在广域扫描成像时，扫描反射镜绕外框架轴匀速转动进行扫描，扩大收容宽度，快速反射镜将通过无焦光学系统的光线反射进入探测器，同时用来补偿扫描像移。在该成像系统中，扫描反射镜同时绕内框架轴匀速转动，补偿飞机飞行引起的前向像移，其中los为扫描光线。在凝视监视成像时，两轴扫描反射镜将视轴指向目标场景区域，并作为一级稳定跟踪机构隔离外界扰动，对目标实现粗跟踪，快速反射镜作为二级稳定跟踪机构，实现对目标的精跟踪，进一步提高视轴稳定和跟踪的精度。
35.在一个实施例中，根据wg＝wm/m，可以得到成像时扫描反射镜的绕横滚轴转动扫描速度为wg，无焦光学系统的放大倍数为m，快速反射镜的转速为wm。快速反射镜的回扫运动可
以完全补偿扫描反射镜扫描带来的扫描像移。每一帧的视场角为θi，与快速反射镜的有效成像行程θm之间的关系为θi＝θm/m，由于快速反射镜还需要加速和减速，快速反射镜的实际行程大于θm，因此必须保证快速反射镜的行程足够大，可以满足成像系统的视场要求。
36.步骤102、将第一目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到第一成像图像。
37.具体地，在视轴保持静止后，通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到初始曝光图像。其中，面阵探测器与快速反射镜进行同步转动。根据预设曝光参数，对初始曝光图像进行特性调节，得到第一成像图像。
38.在一个实施例中，图2为本技术实施例提供的一种广域监视成像总体设计图。如图2所示，扫描反射镜首先对第一条扫描带进行扫描，即区域1到区域8，将扫描获取的扫描光线经光学系统处理后，再经过快速反射镜的转动，使视轴在曝光期间保持静止。当视轴稳定后，控制系统发出脉冲，使面阵探测器曝光，曝光完成后，得到第一成像图像，快速反射镜迅速回到初始位置，也就是转动扫描反射镜使视轴指向成像区域9。面阵探测器工作在外触发模式，探测器的曝光是由伺服系统发出的触发信号控制的，曝光时间一般为几毫秒，在对每个新的目标场景进行曝光之前，需要预先进行曝光参数的调整，例如光线、景深、曝光时间等，然后再根据曝光特性，例如曝光补偿，设置框，已设置所有基本参数对初始曝光图像进行参数调节，最终得到第一成像图像。
39.在一个实施例中，图5为本技术实施例提供的广域监视成像系统的视轴控制系统框图。如图5所示，首先，通过对系统输入快速反射镜的像移补偿角度指令θ
imc-cmd
结合积分、光学系统的放大倍数以及比例因子调节项，对fsm控制器、fsm以及位置传感器进行反馈控制。通过扫描反射镜的扫描速度指令以及扫描反射镜的位置指令θ
sm-cmd
，对速度环控制器、扫描反射镜、惯性角速率测量元件以及角位置测量元件进行反馈控制，再结合积分环节以及扫描反射镜相对于当地水平坐标系的角速度的控制，最终得到扫描反射镜的角度θ
sm
以及视轴惯性角位置。其中，系统框图中表示扫描反射镜相对于惯性空间的角速度，θ
imc
表示快速反射镜的像移补偿角度。
40.步骤103、在得到第一成像图像后，通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第二目标区域反射光线，再将第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到第二成像图像。
41.具体地，在生成第一成像图像后，将快速反射镜进行归位处理。其中，归位处理为快速反射镜移动到扫描前的初始位置，并且快速反射镜回到扫描前初始位置的角速度要大于扫描反射镜的扫描角速度。控制扫描反射镜，对目标场景中的第二扫描带进行扫描，得到第二扫描光线。将第二扫描光线经过预设无焦光学系统反射到快速反射镜，以使快速反射镜发出第二目标区域反射光线。将第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到第二成像图像。其中，第二成像图像为第一成像图像的相邻图像。
42.在一个实施例中，如图2所示，在获得第一成像图像之后，即当第一个扫描条带成像完成后，转动扫描反射镜使视轴指向成像区域9，并且快速反射镜回到扫描前初始位置的角速度要大于扫描反射镜的扫描速度，然后开始对相邻的扫描条带的成像区域9到成像区
域16进行成像，得到第二成像图像。然后接着将快速反射镜移动到扫描前的初始位置，继续重复得到第一成像图像的扫描操作，直到第n条扫描带，能够将整个目标场景全部扫描完毕。
43.在一个实施例中，图4为本技术实施例提供的工作时序图。如图4所示，图中体现了基于快速反射镜和扫描反射镜的广域监视成像系统中扫描反射镜、快速反射镜和视轴的时间位置关系，以及曝光触发信号与时间的关系。从图中可以看出，随着时间的推移，扫描反射镜一直对目标场景区域进行扫描工作，即凝视和步进，然后快速反射镜在一次凝视和步进完成后，即在t1和t2后，在后续的时间内，继续重复相同的凝视和步进。视轴随着每一次步进的完成，继续重新确定，并且曝光信号在每一次凝视中，进行曝光操作。
44.步骤104、将第一成像图像与第二成像图像进行拼接，得到目标光学成像图像。
45.具体地，首先确定第一成像图像中的相邻边缘图像以及第二成像图像中的相邻边缘图像。根据预设范围，对第一成像图像与第二成像图像进行图像边缘切割，得到初始边缘切割图像。将初始边缘切割图像进行坐标映射，得到边缘切割场景坐标。根据边缘切割场景坐标，对冗余的初始边缘切割图像进行全局非极大值抑制，得到抑制检测结果。根据抑制检测结果，确定出图像边缘范围，得到相邻边缘图像。
46.进一步地，对相邻边缘图像进行特征识别度辨别，得到线条重合度特征。将线条重合度特征中大于第一预设阈值的区域范围进行剔除，得到显著线条重合度特征。根据显著线条重合度特征，对相邻边缘图像进行灰度特征建模，得到灰度特征显著图。对灰度特征显著图以及显著线条重合度特征进行融合处理，得到相邻边缘图像的线条特征图。对线条特征图进行识别，得到线条重叠度。若线条重叠度大于第二预设阈值，则对第一成像图像以及第二成像图像进行耦合，得到目标光学成像图像。
47.作为一种可行的实施方式，将第一成像图像中以及第二成像图像中预设范围内的部分进行分割，将图像的边缘图分割出来。其中，预设范围是第一成像图像和第二成像图像的相接边附近的部分图像范围。然后对分割出来的边缘图进行坐标映射，再利用全局非极大值抑制，得到抑制检测结果，根据抑制检测结果确定出相邻边缘图像，然后对相邻边缘图像进行特征识别度辨别，根据两个图像中线条的特征，实现两张图片的对齐，通过线条特征图，得到线条的重叠度，然后根据线条重叠度的大小，确定出满足条件的线条重叠度，然后根据这些满足条件的线条重叠度，实现对第一成像图像以及第二成像图像的耦合处理，最终得到目标光学成像图像。以此类推，将目标区域重复扫描得到的所有成像图像进行合并，直到将所有目标区域成像完成，通过图像拼接获得整个目标区域的广域高分辨光学成像图像。
48.另外，本技术实施例还提供了一种广域监视成像设备，如图6所示，广域监视成像设备具体600包括：
49.至少一个处理器601，以及，与至少一个处理器601通信连接的存储器602。其中，存储器602存储有能够被至少一个处理器601执行的指令，以使至少一个处理器601能够执行：
50.通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第一目标区域反射光线；
51.将第一目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到第一成像图像；
52.在得到第一成像图像后，通过扫描反射镜以及快速反射镜，对目标场景进行扫描，得到第二目标区域反射光线；将第二目标区域反射光线反射到面阵探测器中，并通过预设脉冲，对面阵探测器进行曝光，得到第二成像图像；
53.将第一成像图像与第二成像图像进行拼接，得到目标光学成像图像。
54.本技术提出了一种广域监视成像方法及设备，通过扫描反射镜与快速反射镜，以及进行成像图像合成，能够更好的实现对广域的扫描以及目标凝视监视的追踪，并得到高精度和高准确的光学成像图像。采用轻量化设计的扫描反射镜结合反射式光学系统，可以更好的进行光学成像，大幅度减少了成像系统的体积和重量，提高了扫描的效率。扫描反射镜作为一级稳定跟踪机构，有效的隔离了外界扰动，实现了对目标的粗跟踪，并且将快速反射镜，继续对目标进行精准跟踪，作为二级稳定跟踪机构，实现对目标的精跟踪，进一步提高了视轴的稳定性以及跟踪目标的精准度，减少了扫描像移带来的扰动，有更好的补偿扰动效果。在视轴高稳定性以及高精度的追踪下，能够更好生成高分辨率的光学成像图像。
55.本技术中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
56.上述对本技术特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
57.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术的实施例可以有各种更改和变化。凡在本技术实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。