专利名称：一种基于psd位置探测器的光电混合相关器的制作方法
技术领域：
本发明属于信息光学领域，将PSD位置探测器应用于匹配滤波相关器中，实现了电子学的灵活性与光学的高速性的有机结合，主要应用于视频稳像和目标识别与跟踪等实时光信息处理领域。与传统的CCD/CM0S等平面阵列探测器采集相关峰信息相比，光电转换速率明显提高，从而实现系统的高速性。
背景技术：
光学相关器(OpticalCorrelator)最早由 A.Vander Lugt 提出("Signaldetection by complex spatial filtering, IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145(1964))。光学相关器利用光学方法实现目标图像与参考图像的相关运算，从而实现图像的识别与跟踪。光学相关器具有高速度和并行处理特点，适合于处理二维图像信息，可精确快速识别具有复杂背景的图像目标，在超高速海量图像识别方面具有较大的优势。光学相关器利用光学傅立叶变换来进行二维图像的相关运算，从而实现了图像位移的测量，具有大带宽、高速度、低功耗和并行处理等优势，因而在世界上得到了广泛研究。空间匹配滤波相关器(Vander Lugt Correlator, VLC)是最早的具有代表性的光学模式识别系统。1964年，Vander Lugt提出了使用离轴全息方法制作空间匹配滤波器，构成空间匹配滤波相关器，通过光学相关运算识别目标("Signal detection by complexspatial filtering, 〃 IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145 (1964))。这标志着空间匹配滤波相关器的诞生。空间匹配滤波相关器对图像的识别是在空间滤波的基础上实现的，其方法是在4f系统的频谱平面上放置一个匹配滤波器，在频率域中对输入信号进行相位补偿，从而在输出平面上产生相关光斑。空间匹配滤波相关器进行图像识别与跟踪的原理如
图1(a)所示。设参考图像为r(x, y)，目标图像为t (χ+ Δ x, y+ Δ y) 0先对r(x，y)进行傅立叶变换，得到R(u，v)，再取其复共轭，得到匹配滤波器R* (u, V),嵌入式计算机实时计算目标图像频谱T (u, v)exp{2i π [u Δ χ+ν Δ y]}，T (u, ν)为t(x，y)的傅里叶变换。嵌入式处理器将匹配滤波器和目标频谱点乘，得到识别所需的相关项，η (U，V) =R* (U，V) T (U，V) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(I)然后取模，将其输入至振幅型空间光调制器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]} (2)利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆变换，输出相关结果
= rix^y') * 8(x' + Δι,/ + hy)(3)其中为卷积，“ Θ ”为相关。从上式可以看出，输出结果中只有目标图像和模板图像之间的相关项，只要模板图像中有与目标图像相同的图像，就会在相应点出现明亮的光斑(称为相关峰)，从而能够进行识别，同时可利用相关峰的位移反解出目标的位移，从而实现跟踪。然而传统的光学相关器通常选择CM0S/CCD等平面阵列探测器作为相关运算结果的探测器，较低的光电转换速率成为制约其进一步发展的瓶颈，不能满足高速识别与跟踪的要求。PSD (Position Sensitive Device)是一种光电测距器件，它的几何分辨率很高，并且PSD还具有频谱响应宽、响应速度快、信号处理非常简单、便于与微机接口等优点，在精密尺寸测量、三维空间位置、机器人定位系统、工业检测和监控、高能物理实验等领域，具有独到之处和广泛的应用价值。将PSD引入到光学相关处理器，取代传统的CMOS/CCD等平面阵列探测器。由于在利用光学相关处理器进行目标的识别与跟踪的过程中只需要提取相关峰的亮度和位置信息，无需记录相关结果的所有信息，因此采用PSD完全能够满足需求，同时能大大提高光电转换速度。
发明内容
1.本发明目的和总体特点基于PSD位置探测器的光电混合相关器建立在匹配滤波相关器的基础上，主要是用于目标识别与跟踪、航空 对接、跟踪制导等诸多领域。通过前述可知，制约光学相关器高速性的关键因素在于光电转换速率，包括探测器采集相关峰信息的速度以及空间光调制器的利用效率。本发明提出用PSD探测器取代传统的CM0S/CCD等平面阵列探测器来采集相关峰的信息，大大提高了系统的光电转换速率，克服了制约光学相关器高速性发展的一大瓶颈，具有很强的实用性。同时，由于PSD位置探测器较CM0S/CCD等平面阵列探测器低廉，因此可降低系统的成本。2.本发明的原理本发明基本思想:本发明建立在匹配滤波的基础上，结合电子学的灵活性与光学的高速性对传统的匹配滤波相关器进行改进，并用PSD采集相关峰信息，根据光学相关变换后目标图像和模板图像的相关峰位置信息提取目标位置信息。然而PSD无法记录传统匹配滤波过程中的频谱图像，因此设计出一种基于PSD位置探测器的光电混合处理器，能够对目标图像进行高速识别与跟踪。参考附图2，其基本原理为:首先利用计算机依据模板图像提前制作好二值匹配滤波器:即先对参考图像r (X，y)进行傅立叶变换，得到R(u，ν)，再取其复共轭，得到匹配滤波器R*(u，ν)。然后嵌入式计算机实时计算目标图像频谱T (U，ν) exp {2i [u Δ χ+ν Δ y]}, T (u, ν)为t(x，y)的傅里叶变换。嵌入式计算机将匹配滤波器和目标频谱点乘，得到识别所需的相关项:η (U，ν) =R* (u, v) T (u, v) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(4)然后取模，将其输入至振幅型空间光调制器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(5)当有激光照射在空间光调制器上时，可利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆变换，在透镜的后焦面输出相关结果0 (Λ: = T (xr, )f r) 0 f (l'1, y；) * δ (,￥' + Δ. , y1 + Δ),) (6)
其中为卷积，“ ”为相关。最终相关结果的光斑由PSD接收并进行后续处理，从而实现目标的高速识别和跟踪。PSD位置探测器的工作原理如下:说明书图4为二维PSD的工作结构图，PSD基于横向光电效应工作，其结构由P型半导体和N型半导体形成面状PN结，表面P层为光敏接受面，形成以面状分布电阻。在光敏面的两对对边上的几何中心点位置引出四个收集光电流的电机。当入射光束落在光敏面上形成光斑，并在光斑中心位置O产生与入射光能量成正比的光生电荷，同时在PSD公共引出端加一反向电压使光电流Itl在光敏面电阻层上以面电流形式扩散并被四个电极收集，电流分别为I1, I2, I3, I4首先讨论水平方向上，设1，2两电极间距离为2L。如果入射光点位于A点，则电极O的电流Itl等于电极I的电流I1和电极2的电流I2之和，即:Ici=IJI2电极1，2输出的光电流I1和I2与A点至电极1，2的距离成反比，即
则:
权利要求
1.一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，包括准直激光束(I)，探测器(2)，外部存储器(3)，反射镜(4)，嵌入式处理器(5)，空间光调制器(6)，傅里叶透镜(7)，PSD位置探测器(8)，其特征在于，用光学方法计算目标图像和模版图像的相关峰图像，采用PSD位置探测器计算其位置和强度，具体实现流程为: 首先利用嵌入式处理器(5)提前选取要识别的模板图像作为参考图像，然后求该图像的频谱，最后进行二值化并将其存入外部存储器(3)中，制作完滤波器，光电混合匹配滤波相关器工作后，嵌入式处理器(5 )将外部存储器(3 )中的匹配滤波器读入自身内存，在进行识别与跟踪时，首先探测器(2)采集目标图像，嵌入式处理器(5)对其进行预处理后求其频谱，对频谱相位进行二值化，然后嵌入式处理器从自身内存中读出匹配滤波器，与二值化后的频谱点乘后送入空间光调制器(6)，准直激光束(I)经反射镜(4)入射到空间光调制器(6)，对空间光调制器(6)中点乘后的频谱进行调制，调制后的频谱通过傅里叶透镜(7)进行傅立叶逆变换，在傅立叶透镜的焦平面得到相关结果，由PSD位置探测器(8)接收信号，并通过运放(9)对信号进行放大，然后通过A/D转换器(10)将模拟信号转换成数字信号输入到嵌入式处理器(5)中进行处理，最终计算得到相关峰的位置结果，同时也能探测出相关峰的强度； 具体运算过程为: 首先利用计算机依据模板图像提前制作好二值匹配滤波器:即先对参考图像rOj)进行傅立叶变换，得到机故V),再取其复共轭，得到匹配滤波器,(％ tO ; 然后嵌入式计算机实时计算目标图像频谱
2.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，所述PSD位置探测器基于横向光电效应工作，其结构由P型半导体和N型半导体形成面状PN结，表面P层为光敏接受面，形成以面状分布电阻，在光敏面的两对对边上的几何中心点位置引出四个收集光电流的电机。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，所述PSD位置探测器工作过程为: 当入射光束落在光敏面上形成光斑，并在光斑中心位置O产生与入射光能量成正比的光生电荷，同时在PSD公共引出端加一反向电压使光电流在光敏面电阻层上以面电流形式扩散并被四个电极收集，电流分别为Ip 12、13、14，水平方向上，设1，2两电极间距离为2L，如果入射光点位于A点，则电极O的电流10等于电极I的电流I1和电极2的电流I2之和，即:10 = I1 + I2 电极1，2输出的光电流I1和〖2与A点至电极1，2的距离成反比，即
4.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，准直激光束(2)为固体激光器、光纤激光器、气体激光器或半导体激光器，通过扩束准直系统得到的准直激光束。
5.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，傅里叶透镜(7)为胶合透镜或衍射光学元件。
6.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，空间光调制器(6)为反射式相位型空间光调制器或振幅型空间光调制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，其特征在于，探测器(2)为CCD 或CMOS图像传感器。
全文摘要
本发明涉及一种基于PSD位置探测器的光电混合相关器，首次将PSD位置探测器引入到匹配滤波相关器中，用PSD采集相关峰信息，根据光学相关变换后目标图像和模板图像的相关峰位置信息提取目标位置信息。大大提高了光电转换效率，同时也实现了电子学的灵活性与光学的高速性的有机结合。利用电子学方法事先做好匹配滤波器，将目标图像和模版图像输入到空间光调制器中，通过傅立叶变换透镜进行光学傅立叶变换，由PSD位置探测器采集相关运算结果。本发明可应用于视频的高速稳像以及目标的高速识别与跟踪等方面。
文档编号G06E3/00GK103105887SQ20131004359
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者唐武盛, 隋京高, 张小亚, 陈怡休, 贾辉, 李修建, 程攀攀 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学