专利名称：昼夜远距离监视仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在各种照度下工作的远距离监视仪器，更具体地说除在正常照度下工作外，可在极低照度下，甚至0LUX照度下全天候工作，可昼间可观察、识别1-10公里的人员、船舶、车辆等目标，夜间可观察、识别1-6公里的人员、船舶、车辆等目标，带激光照明的远距离监视仪器，主要属于微光夜视技术领域。
背景技术：
微光夜视产品本是一种很成熟的产品，是从上世纪70年代发展起来地一种技术。在国内市场上，微光夜视产品，包括带激光照明的夜视产品，最远识别人员的有效距离在2公里，其最低识别照度为0.01LUX，海面识别船只的有效距离为5公里，但必须在晴朗的夜空下才能实现。无锡559厂是我国微光夜视行业的主导厂商，曾经研制对空观测6公里的微光夜视产品，但在目标6公里处无法识别1米一下的小目标，目标跟踪方面效果也很不理想。目前的远距离微光夜视产品，在较低的照度下无法识别6公里以外的2米以下大小的目标，也没有带自动昼夜切换功能、目标跟踪及图像缩放、自动调焦、大气扰动校正等功能。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种在无雾气的情况下，昼间可识别1-10公里范围内的人员目标，夜间在0LUX照度下，识别1-4公里范围内的人员目标，在6公里处0.001LUX照度下识别人员的昼夜远距离监视仪器。这种仪器通过计算机可实现人机共同完成的目标跟踪，目标缩、放功能；由于在较低照度下采用了像增强模式工作，提供了昼夜模式的自动转换及自动激光补偿照明功能；同时还提供了使图像清晰的图像自动处理功能。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案昼夜远距离监视仪主要由软件系统和硬件系统组成，由硬件系统获取光学图像信息，并以视频信号输出，软件系统一方面对接受到的视频信号进行处理，使视频图像信号更为清晰，另一方面对硬件系统进行控制；软件系统包括控制模块、图像接受处理模块、大气扰动校正模块等，硬件系统包括反光镜、激光照明装置、昼间成像系统、夜间成像系统等。
基本原理如下昼夜远距离监视仪是以反光镜作为接受图像的镜头，实现远距离目标图像的获取。在一般照度下，反光镜获取的图像在CCD摄像机上成像，并以视频信号输出，可获得清晰视频图像。在较低的照度下，通过反光镜获取图像信息，CCD相机无法在此照度下输出清晰图像时，则自动切换到倍增强模式下工作，即由镜头在第三代微光倍增强器上成像，再通过成像系统在CCD相机上成像，实现视频信号输出，获得清晰视频图像。若视场的照度低于微光倍增强器的工作照度，则开启安装在监视仪上的大功率远距离激光照明装置，对视场进行照明，达到微光倍增强器的工作照度，从而通过CCD相机输出清晰的图像信号。
硬件系统如下硬件系统的反光镜2置于系统前端，获取光能，采用大口径定焦反光镜，并带有安装CCD摄像机的反光镜CCD接口18；昼夜切换系统在昼夜成像系统能够响应的照度下，实施昼夜模式切换，使其与反光镜CCD接口18有效耦合，由步进电机4、联轴器5、精密丝杠9、丝母17、支架6、直线导轨7、直线轴承12和昼夜切换平台8组成，步进电机与紧密丝杠9联结，驱动紧密丝杠9，带动丝母17，丝母17与昼夜切换平台6紧固相连，使昼夜切换平台8沿直线导轨滑动7，在昼夜切换装置两端装有限位开关，以确定昼夜切换装置运动到位；夜间成像系统由夜间变焦成像装置16、像增强器15、光学成像装置14和夜间CCD摄像机13组成，整个夜间成像系统安装于昼夜切换平台6之上，夜间变焦成像装置16所成实像与像增强器15输入端的成像靶面耦合，成像于像增强器15输入靶面，光学成像装置14置于像增强器15输出端，接受像增强器输出图像，同时光学成像装置14与夜间CCD摄像机13靶面耦合，使光学成像装置14接受到的图像成像于夜间CCD摄像机13。昼间成像系统由昼间变焦成像装置11、昼间CCD摄像机10组成，整个昼间成像系统安装于昼夜切换平台6之上，昼间变焦成像装置11所成实像与昼间CCD摄像机10成像靶面耦合，成像于昼间CCD摄像机10靶面；激光照明装置由4个激光投射器1组成，均布于反光镜2周围。
软件系统包括以下内容获取昼间CCD摄像机10或夜间CCD摄像机13输出的视频信号，转化成数字信号，实时显示到屏幕上，图像采集速度为24帧/秒，可单帧采集和存储成文件于硬盘上，也可实时采集的速度录制成连续图像，以文件形式存储在硬盘上。
分析图像视场照度，根据事先设置好的昼间CCD摄像机10或夜间CCD摄像机13对照度响应情况，进行自动或手动昼夜系统切换，在夜间CCD摄像机13工作时，根据夜间CCD摄像机13对视场照度响应情况，自动或手动启动激光照明系统。
阶段性分析大气扰动情况，需校正时，自动对获取图像进行实时大气扰动校正。
通过驱动昼间变焦成像装置11和夜间变焦成像装置16，变换系统焦距，实现放大、缩小通过在实时显示的图像上点击移动目标，驱动云台转动实现人机共同完成的实时跟踪目标。
实时识别图像的清晰度，通过反复驱动反光镜2的调焦装置，不断比较反光镜2的调焦前后的图像清晰度，获得目标视场最清晰的图像。
由于采用了上述技术方案，获得了这样的有益效果在激光的有效照射明显的有效视场范围内(1-4公里)，实现了0LUX的监视，在激光照射衰减有效视场范围内(4-6公里)在反光镜、像增强器的合理设计的基础上，可在0.001LUX照度下识别目标。该系统结构合理、简单，光路中光能损失少，整体效率较高。整个仪器采用计算机控制，自动化、智能化程度较高。由于在计算机中对获取的图像进行了处理，同时采用了自动对焦技术，图像清晰。
图1是发明的硬件结构示意图的主视图。
图2是发明的硬件结构示意图的侧视图。
有关结构名称见图中说明。
1、激光投射器 2、反光镜 3、底板 4、步进电机5、联轴结 6、支架 7、直线导轨 8、昼夜切换平台9、精密丝杠10昼间CCD摄像机 11、昼间变焦成像装置 12、直线轴承13、夜间CCD摄像机 14、光学成像装置 15、像增强器 16、夜间变焦成像装置17、丝母 18、反光镜CCD接口 19、前面板20、外壳21、防雨棚
具体实施例方式结合图1和图2硬件系统对硬件系统进行说明反光镜2置于系统前端，获取光能，采用大口径定焦反光镜，可接受360nm至940nm波长以内的从可见光直至近红外波段的光波，从而获得比可见光更多的光波，同时也与像增强器15、夜间CCD摄像机13、昼间CCD摄像机10响应的能够响应的光波波段相匹配，并带有安装CCD摄像机的反光镜CCD接口18。
昼夜切换系统在昼夜成像系统能够响应的照度下，实施昼夜模式切换，使其与反光镜CCD接口18有效耦合，该处的动态耦合各方向距离误差不超过1毫米，达到尽量避免光能损失的目的，由步进电机4、联轴器5、精密丝杠9、丝母17、支架6、直线导轨7、直线轴承12和昼夜切换平台8组成，步进电机4与紧密丝杠9联结，驱动紧密丝杠9，带动丝母17，丝母17与昼夜切换平台6紧固相连，使昼夜切换平台8沿直线导轨滑动7，在昼夜切换装置两端装有限位开关，以确定昼夜切换装置运动到位。
夜间成像系统由夜间变焦成像装置16、像增强器15、光学成像装置14和夜间CCD摄像机13组成，整个夜间成像系统安装于昼夜切换平台6之上，夜间变焦成像装置16所成实像与像增强器15输入端的成像靶面耦合，成像于像增强器15输入靶面，光学成像装置14置于像增强器15输出端，接受像增强器输出图像，同时光学成像装置14与夜间CCD摄像机13靶面耦合，使光学成像装置14接受到的图像成像于夜间CCD摄像机13。
昼间成像系统由昼间变焦成像装置11、昼间CCD摄像机10组成，整个昼间成像系统安装子昼夜切换平台6之上，昼间变焦成像装置11所成实像与昼间CCD摄像机10成像靶面耦合，成像于昼间CCD摄像机10靶面。
激光照明装置由4个激光投射器1组成，均布于反光镜2周围。这里激光投射器的发散角与反光镜视角相同，激光照明系统的4个激光投射器1布置时，通过调节4个激光投射器的方位、姿态，使其射出的光斑在有效观测距离处完全重合，其重合的中心与反光镜2光轴同心。从而做到在不调节激光器的情况下光斑基本覆盖成像系统任意变焦后的视场，在再大有效距离处覆盖整个视场。
激光投射器激光波长选择与像增强器15输入光波波长响应情况有关，应选择像增强器15量子效率较高的近红外波长的激光波长投射器，如波长808nm、850nm的激光投射器。激光投射器功率选择在20W左右，若监视区域无人身安全要求可选择较大功率激光投射器。
在制作过程中，夜间变焦成像装置16和昼间变焦成像装置11变焦信号线并联，实现同时变焦，以便在进行昼夜转换时保持视场的同一性。
硬件制作过程中，夜间变焦成像装置16和昼间变焦成像装置11及光学成像系统宜采用成熟的变焦镜头，以加强系统的可靠性，同时可降低成本，缩短加工工期。选择镜头时必须保证各个光学接口的有效耦合，使光能损失降低到最小。
硬件制作过程中选择、制作的镜片的光学镜头、镜片可接受360nm至940nm波长以内的从可见光直至近红外波段的光波，从而获得比可见光更多的光波，同时也与像增强器15、夜间CCD摄像机13、昼间CCD摄像机10响应的能够响应的光波波段相匹配。
昼夜CCD相机尽量选择低照度的工业监控相机，昼间CCD摄像机10可选择彩色相机，夜间CCD摄像机13由于采集像增强器15的无色彩图像，应选择黑白摄像机。
控制部分包括对云台的控制、对夜间变焦成像装置16、昼间变焦成像装置11的控制和对昼夜切换系统中步进电机的控制，本仪器的控制均采用计算机控制，其实施方法为各个被控制装置的控制线连接到解码器，解码器与计算机通过RS-485串口方式进行通信，向被控制装置发出指令。
由于该仪器在户外使用，在结构设计时要进行防雨、防冰雹设计。同时要根据CCD相机、像增强器的工作温度在仪器合适的位置设置半导体制冷加热系统及相应的自动测温启停装置。
软件系统包括以下内容
获取昼间CCD摄像机10或夜间CCD摄像机13输出的视频信号，转化成数字信号，实时显示到屏幕上，采集速度为30帧/秒，可单帧采集和存储成文件于硬盘上，也可实时采集的速度录制成连续图像，以文件形式存储在硬盘上。以上功能通过对图像录像采集卡编程来实现，连续图像的录制存储是图像录像采集卡通过DMA通道向硬盘存储数据。
分析图像视场照度，根据事先设置好的昼间CCD摄像机10或夜间CCD摄像机13对照度响应情况，进行自动或手动昼夜系统切换，在夜间CCD摄像机13工作时，根据夜间CCD摄像机13对视场照度响应情况，自动或手动启动激光照明系统。该处对视场照度的评价通过计算图像的灰度平均值来评价，这个灰度标准与像增强器的性能、CCD相机的照度响应能力有关，需要通过肉眼的感观测定，确定灰度—照度评价标准。
阶段性分析大气扰动情况，需校正时，自动对获取图像进行实时大气扰动校正。采用大气扰动算法来评价校正。一般来说，观察5公里以上目标要用到大气扰动校正算法。
通过驱动昼间变焦成像装置11和夜间变焦成像装置16，变换系统焦距，实现放大、缩小目标或视场。
通过在实时显示的图像上点击移动目标，驱动云台转动实现人机共同完成的实时跟踪目标。这个算法是计算所点击位置图像坐标值与图像中心的坐标差值，再通过计算变焦系统的反馈值及视角，获得目标距仪器的距离和视场的宽度、长度，这样可计算出所点击位置具图像中心的实际距离，X方向距离与目标距离之比就是云台完成跟踪水平旋转角度，而Y方向距离与目标距离之比就是云台完成跟踪的垂直旋转角度。
实时识别图像的清晰度，实时识别图像的清晰度，通过反复驱动反光镜2的调焦装置，不断比较反光镜2的调焦前后的图像清晰度，获得目标视场最清晰的图像。该处主要通过图像多焦点锐度算法来实现清晰度的评价，通过以较反光镜2小步长调焦后的获得各个图像，把图像上划分12个典型区域(横向4个区域，纵向3个区域)，计算各个区域的锐度值，并根据各个区域的锐度值的相关性分析，获得每个图像唯一的评价指标，这种相关性分析是通过加权平均来获得的，一般来说，图像中部锐度值最小，向外围锐度递增的情况，图像最清晰，比较一段调焦区域的锐度指标，最后把焦距定于图像锐度指标最小的位置，此时图像最清晰。
权利要求
1.一种在任意照度下远距离清晰成像的昼夜远距离监视仪，主要由软件系统和硬件系统组成，由硬件系统获取光学图像信息，并以视频信号输出，软件系统一方面对接受到的视频信号进行处理，使视频图像信号更为清晰，另一方面对硬件系统进行控制；软件系统包括控制模块、图像接受处理模块、大气扰动校正模块等，硬件系统包括反光镜、激光照明装置、昼间成像系统、夜间成像系统等。其特征在于硬件系统硬件系统的反光镜(2)置于系统前端，采用大口径定焦反光镜，并带有安装CCD摄像机的反光镜CCD接口(18)；昼夜切换系统由步进电机(4)、联轴器(5)、精密丝杠(9)、丝母(17)、支架(6)、直线导轨(7)、直线轴承(12)和昼夜切换平台(8)组成，步进电机(4)与紧密丝杠(9)联结，驱动精密丝杠(9)，带动丝母17，丝母(17)与昼夜切换平台(6)紧固相连，使昼夜切换平台(8)沿直线导轨(7)滑动，在昼夜切换装置两端装有限位开关，以确定昼夜切换装置运动到位；夜间成像系统由夜间变焦成像装置(16)、像增强器(15)、光学成像装置(14)和夜间CCD摄像机(13)组成，整个夜间成像系统安装于昼夜切换平台(6)之上，夜间变焦成像装置(16)所成实像与像增强器(15)输入端的成像靶面耦合，成像于像增强器(15)输入靶面，光学成像装置(14)置于像增强器(15)输出端，接受像增强器输出图像，同时光学成像装置(14)与夜间CCD摄像机(13)靶面耦合，使光学成像装置(14)接受到的图像成像于夜间CCD摄像机(13)。昼间成像系统由昼间变焦成像装置(11)、昼间CCD摄像机(10)组成，整个昼间成像系统安装于昼夜切换平台(6)之上，昼间变焦成像装置(11)所成实像与昼间CCD摄像机(10)成像靶面耦合，成像于昼间CCD摄像机(10)靶面；激光照明装置由4个激光投射器(1)组成，均布于反光镜2周围。软件系统获取昼间CCD摄像机(10)或夜间CCD摄像机(13)输出的视频信号，转化成数字信号，实时显示到屏幕上，图像采集速度为24帧/秒，可单帧采集和存储成文件于硬盘上，也可实时采集的速度录制成连续图像，以文件形式存储在硬盘上。分析图像视场照度，根据事先设置好的昼间CCD摄像机(10)或夜间CCD摄像机(13)对照度响应情况，进行自动或手动昼夜系统切换，在夜间CCD摄像机(13)工作时，根据夜间CCD摄像机(13)对视场照度响应情况，自动或手动启动激光照明系统。阶段性分析大气扰动情况，需校正时，自动对获取图像进行实时大气扰动校正。通过驱动昼间变焦成像装置(11)和夜间变焦成像装置(16)，变换系统焦距，实现放大缩小目标或视场。通过在实时显示的图像上点击移动目标，驱动云台转动实现人机共同完成的实时跟踪目标。实时识别图像的清晰度，通过反复驱动反光镜(2)的调焦装置，不断比较反光镜(2)的调焦前后的图像清晰度，获得目标视场最清晰的图像。
2.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于反光镜(2)可接受360nm至940nm波长以内的从可见光直至近红外波段的光波，用以匹配激光照明装置波段，并与夜间成像系统的像增强器(15)能够响应的波段相匹配。
3.根据权利要求2所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于反光镜(2)可接受360nm至940nm波长以内的从可见光直至近红外波段的光波，是通过在光学镜片上镀上响应该波段的镀膜来实现的。
4.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于由昼夜切换系统带动昼、夜成像系统，通过两端的限位开关确定昼夜切换系统停止的位置，分别保证昼间成像系统昼间变焦成像装置(11)、夜间变焦成像系统(16)与反光镜(2)的反光镜CCD接口(18)耦合成像。
5.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于激光照明系统的激光投射器(1)选择激光波长时，选择像增强器波长响应曲线中量子效率较高的近红外光波波长。
6.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于激光照明系统的激光投射器(1)的发散角与反光镜(2)的视角相同。
7.根据权利要求6所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于激光照明系统的4个激光投射器(1)布置时，通过调节4个激光投射器的方位、姿态，使其射出的光斑在有效观测距离处完全重合，其重合的中心与反光镜(2)光轴同心。
8.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于视场照度的确定是通过分析夜间CCD摄像机(13)或昼间CCD摄像机(10)获取的图像灰度平均值来确定的同时也以此灰度平均值为依据确定是否进行昼、夜切换及开、闭激光照明系统。
9.根据权利要求1所述的昼夜远距离监视仪，其特征在于实时识别图像清晰度是通过在图像上获取12个典型区域，计算各个区域的锐度值，并根据各个区域的锐度值的相关性分析，确定图像清晰程度。
全文摘要
本发明公开了一种利用CCD相机、图像增强器、大口径反光镜、激光投射器，实现在正常照度、低照度直至0LUX照度下远距离、全天候使用的自动化、智能化的监视仪器。主要由硬件系统和软件系统组成，其中硬件系统包括反光镜、昼夜切换系统、昼间成像系统、夜间成像系统、激光照明系统组成；软件部分由控制模块、图像处理模块、大气扰动校正模块、图像获取录制模块组成。本发明在正常照度下可识别10公里处的人员，可在1－4公里实现0LUX照度下识别人员，在6公里处0.00LUX照度下识别人员，并有目标缩放、人机共同完成目标跟踪、昼夜自动切换、图像采集、录制的功能。本发明可广泛应用于重要地区、交通路段昼夜全天候监视、边防、缉私、公安侦察、海上、空中及内河河道目标搜索、监视等领域。
文档编号H04N7/18GK1652574SQ20041015524
公开日2005年8月10日 申请日期2004年8月23日 优先权日2004年8月23日
发明者黄志奕, 米旺, 谢洪波 申请人:北京老村科技发展有限公司