專利名稱：基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種跟蹤系統(tǒng)，特別是一種基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，主要應用于目標探測、捕獲、跟蹤等領(lǐng)域，實現(xiàn)強背景下弱目標信號的捕獲、跟蹤以及精確定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
關(guān)于目標的探測和跟蹤課題，一直以來都是國內(nèi)外研究的重點和熱點，很多學者和工程技術(shù)人員也一直致力于發(fā)展更加精確、高速的目標跟蹤系統(tǒng)。
對目標的探測、跟蹤，按跟蹤的方式主要分為兩大類，一類是僅利用目標的輻射強度作為跟蹤信息的主動探測設(shè)備(比如雷達)，另一類就是利用光電轉(zhuǎn)換器件(如CCD)進行目標光電成像的跟蹤系統(tǒng)，它集合圖像處理、自動控制及信息科學有機結(jié)合和交叉的技術(shù)，利用圖像視覺信息進行目標跟蹤，可利用的信息量非常豐富；光電成像跟蹤系統(tǒng)相對非成像跟蹤系統(tǒng)具有很明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在(1)屬被動式設(shè)備探測裝置，電視和紅外成像跟蹤采用無源工作方式，通過探測器成像來獲取景物信息，不會受到電子干擾。而絕大多數(shù)雷達屬主動探測設(shè)備，容易遭到電子干擾，事實證明要保持絕對“電子寂靜”，唯一可選的是象光電成像跟蹤系統(tǒng)這樣的被動式探測裝置。
(2)可全方位探測，跟蹤精度高。電視和紅外探測不受探測角度限制，不象雷達探測存在死角，對于低高度角的目標跟蹤非常有效。
(3)圖像直觀可見，分辨率高。
(4)紅外探測器和微光電視的運用使成像跟蹤系統(tǒng)可全天候工作。
(5)相對于微波雷達等非成像跟蹤設(shè)備，電視和紅外成像跟蹤器性價比較高。
目前的大部分光電成像跟蹤系統(tǒng)(其光路原理如圖1所示)的后續(xù)跟蹤算法采用質(zhì)心跟蹤或形心跟蹤算法，需要對所采集的圖像進行圖像分割以去掉背景提取出目標信號，再對單純的目標信號圖像進行質(zhì)心計算或形心計算，輸出目標的準確方位信息。但是，在強背景且背景不均勻條件下(比如白天工作)，目標信號能量相對于背景信號能量很小時，再采用傳統(tǒng)的圖像分割算法將很難合理的分割出目標信號的圖像，也就很難再得到合理、準確的目標質(zhì)心或形心位置，因此將很容易出現(xiàn)目標檢測上的困難和跟蹤上的丟失目標等問題。
目前大部分的光電成像跟蹤系統(tǒng)在強背景(或白天工作)都存在一個如何合理、快捷的消除強背景影響的問題；并且對于大視場光電跟蹤設(shè)備而言，光學系統(tǒng)的漸暈效應影響較大，將會導致背景信號在成像靶面上的不均勻性，而傳統(tǒng)的單一閾值圖像分割算法對不均勻背景的處理效果卻極其有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服的傳統(tǒng)的光電成像跟蹤系統(tǒng)不能在強背景、背景不均勻條件下正常工作取得良好跟蹤效果的缺點，提供一種具備強背景、背景不均勻條件下目標光電成像探測、跟蹤能力的光電跟蹤系統(tǒng)的基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，它能夠在強背景、背景不均勻(比如白天工作)條件下，實現(xiàn)對目標信號的探測和穩(wěn)定跟蹤，大幅提高目前光電成像跟蹤系統(tǒng)的工作效率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括望遠鏡系統(tǒng)、組合光路縮束系統(tǒng)、分光棱鏡、兩個CCD探測器、兩個耦合透鏡、數(shù)據(jù)處理機，入射光束通過望遠鏡系統(tǒng)接收反射后進入組合光路縮束系統(tǒng)，光路縮束系統(tǒng)共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設(shè)置一個具有視場偏轉(zhuǎn)角θ的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個視場光闌，分別依次進入兩個出瞳匹配和兩個耦合透鏡后，成像在兩個CCD探測器上，由數(shù)據(jù)處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景光的目標信號，再進行質(zhì)心計算輸出方位信息，最終完成強背景下弱目標信號的探測跟蹤功能。
本發(fā)明的原理在強背景或背景不均勻條件下，進入跟蹤光電成像系統(tǒng)的光信號包括強的背景光和弱的目標光，利用它們之間最本質(zhì)的區(qū)別“視場差異很大”來完成消除天光背景影響的功能。一般來說，常用光電成像跟蹤系統(tǒng)能夠探測和跟蹤目標的視場FOV1(field of view)很小，大約在8′(1°＝60′)左右，但是嚴重影響目標跟蹤探測的背景信號的視場FOV2卻遠遠大于目標光視場，一般背景信號來源于大氣中無限擴展的天光、大氣散射、氣溶膠散射等，其視場不如目標信號視場那樣集中，同時，背景信號變化的頻率也不如目標信號變化的頻率高。因此，本發(fā)明根據(jù)目標信號和背景信號“視場和變化頻率相差巨大”的特點，以“視場偏移”為基本工作原理，提出“基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)”，其原理如光路圖2所示，從望遠鏡接收到的總信號(包括目標信號和強背景信號)經(jīng)過一系列光反射鏡改變光路方向后進入組合光路縮束系統(tǒng)，由分光棱鏡直接透過的第一束光信號直接進入第一個耦合透鏡，因此第一個CCD探測到的為弱目標和強背景的混合信號；由分光棱鏡反射的第二束光信號經(jīng)過第二個視場光闌后進入第二個耦合透鏡，然后由第二個CCD探測器進行探測，由于視場光闌的限制，目標光視場FOV1很小，與CCD的探測視場FOV0相當，大約為幾分，但是背景光信號的視場FOV2很大，即使是在光電成像跟蹤系統(tǒng)內(nèi)，F(xiàn)OV2也要比FOV1大的多，基于這個原理，使第二個視場光闌在正常光路對準的條件下，給分光棱鏡加一個很小的偏轉(zhuǎn)角θ，即可以很容易的使目標光偏出11′視場之外而不被第二個CCD探測到，而背景光由于視場大不會受極小視場偏移的影響而照樣在第二個CCD探測器上成像，這樣該CCD探測器11′探測到的就是單純的背景光信號，由數(shù)據(jù)處理機進行圖像處理就可以得到消除了背景天光的目標信號，再進行質(zhì)心計算，根據(jù)計算得到的目標的位置，輸出具體方位信息，再驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)即可完成對目標的準確探測、跟蹤功能。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點在于本發(fā)明由于采用分光棱鏡，給分光棱鏡加一個很小的偏轉(zhuǎn)角θ，使傳統(tǒng)的光電成像跟蹤系統(tǒng)無法在強背景非均勻背景條件下穩(wěn)定工作的狀況得到改善，使現(xiàn)在的光電成像跟蹤系統(tǒng)的工作效率得到大幅度的提高。另外，本發(fā)明在制作上基本可以沿用傳統(tǒng)的技術(shù)，因此不需要額外的技術(shù)成本，方便實用。


圖1為傳統(tǒng)光電成像跟蹤系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提出的基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明光路、器件分解結(jié)構(gòu)說明示意圖；圖4為本發(fā)明仿真的目標和背景混合信號圖像；圖5為本發(fā)明仿真的背景信號圖像；圖6為本發(fā)明仿真進行視場偏移處理后得到的信號圖像。
具體實施例方式
如圖1所示，傳統(tǒng)的光電成像跟蹤系統(tǒng)主要包括望遠鏡、光路縮束系統(tǒng)、面陣光電探測器CCD和數(shù)據(jù)處理機等主要部分組成，它利用CCD對入射的目標光在光敏面上能量的分布情況進行質(zhì)心位置計算；CCD主要是根據(jù)下面的公式(1)計算光斑的位置(xi，yi)，探測目標的位置信息xi=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm,yi=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm---(1)]]>式中，m＝1～M，n＝1～N為子孔徑映射到CCD11光敏靶面上對應的像素區(qū)域，Inm是CCD光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個像素的x坐標和y坐標。
然而，在實際的工程系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)誤差尤其是CCD光電探測器自身不可避免的噪聲帶來誤差的原因，CCD所探測到的Inm實際上并不全是目標信號的能量，還包括背景雜光和CCD器件的暗電平等噪聲能量，即有Inm＝Snm+Bnm(2)其中Snm為光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的信號能量，Bnm為光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的背景噪聲能量；因此有xi=Σm=1MΣn=1NxnmSnm+Σm=1MΣn=1NxnmBnmΣm=1MΣn=1NSnm+Σm=1MΣn=1NBnm=sbr1+sbrxS+11+sbrxB]]>(3)yi=Σm=1MΣn=1NynmSnm+Σm=1MΣn=1NynmBnmΣm=1MΣn=1NSnm+Σm=1MΣn=1NBnm=sbr1+sbryS+11+sbryB]]>上述(3)式中的sbr定義為信號光能量和非信號光能量(包括雜光背景和CCD器件電平和讀出噪聲等背景能量的總和)的比值；從上述(3)式可以很明顯的看出，實際CCD所探測到的質(zhì)心位置是有效目標信號質(zhì)心與背景(包括雜光背景和CCD器件電平和讀出噪聲等總背景)質(zhì)心的加權(quán)平均值，權(quán)重由目標信號光與背景能量之比sbr決定，這就決定了傳統(tǒng)光電成像跟蹤系統(tǒng)存在的原理性約束sbr不能太小或背景能量不能太大，如果sbr太小背景能量太大，則由(4)式計算得到的質(zhì)心位置必然不再準確，因此，傳統(tǒng)光電成像跟蹤系統(tǒng)必然不再具備對強背景下弱目標信號進行精確探測、跟蹤的能力。
如圖2所示，本發(fā)明主要由望遠鏡、組合光路縮束系統(tǒng)、帶一定視場偏轉(zhuǎn)角的分光棱鏡、兩個耦合透鏡、兩個CCD探測器和數(shù)據(jù)處理機組成，組合光路縮束系統(tǒng)共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設(shè)置一個具有視場偏轉(zhuǎn)角θ的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個結(jié)構(gòu)大小一樣的視場光闌，分別依次進入兩個出瞳匹配和兩個透鏡后，成像在兩個CCD探測器上，由數(shù)據(jù)處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景光的目標信號，再進行質(zhì)心或形心計算輸出方位信息。
如圖3所示，分光棱鏡7的視場偏轉(zhuǎn)角θ需要根據(jù)實際工程系統(tǒng)的各項參數(shù)確定，以目前常用的捕獲跟蹤系統(tǒng)為參考，其角度范圍一般在2°到4°；兩個CCD均為面陣光電探測器11和11’結(jié)構(gòu)相同，性能參數(shù)盡量一致；兩個出瞳匹配透鏡9和9’結(jié)構(gòu)性能盡量相同；兩個視場光闌8和8’為具有厚度、中心有精密通光圓孔的高精密視場光闌，并且兩視場光闌結(jié)構(gòu)相同，其中心通光孔徑保證精密相等，厚度為0.8～1.2mm，中心通光圓孔的直徑為1-2mm；兩個耦合透鏡結(jié)構(gòu)相同，性能參數(shù)盡量一致。兩個CCD、兩個出瞳匹配透鏡、視場光闌和耦合透鏡結(jié)構(gòu)性能盡量相同等均是為了達到減小系統(tǒng)誤差這個目的，因為本發(fā)明的核心在于在傳統(tǒng)光路中分出一路光從而在基本不影響原探測能力的前提下探測出所需要剔除的背景能量分布，因此，保證本發(fā)明結(jié)構(gòu)中一些關(guān)鍵部件的性能結(jié)構(gòu)參數(shù)的一致性有很重要的意義。
本發(fā)明的主要功能是在強天光(擴展背景)下進行弱目標信號的目標檢測和跟蹤，它的具體工作過程如下首先，弱目標信號和強擴展天光背景信號的混合信號一起進入本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的第一個部件望遠鏡系統(tǒng)，望遠鏡系統(tǒng)包括主鏡1、次鏡2及反射鏡3、4、5組成，主要完成對目標信號的收集并通過次鏡縮束后輸出和反射?；旌闲盘柦?jīng)望遠鏡系統(tǒng)經(jīng)過縮束后進入組合光路縮束系統(tǒng)之入瞳匹配透鏡6；其次，在入瞳匹配透鏡6接收到入射總信號(包括目標信號和強背景信號)后，如果按照傳統(tǒng)的光電成像跟蹤系統(tǒng)，入射總信號將依次通過如圖3所示的視場光闌8和出瞳匹配透鏡9并最后被耦合透鏡10耦合后進入面陣光電探測器CD11進行位置探測，這樣情況下，如果有強背景的影響，根據(jù)本發(fā)明具體實施方式
中3式的推導結(jié)果，將不能合理、精確的得到目標位置，因此本發(fā)明提出在組合光路的中心縮束焦點之前放置一個帶有一定視場偏轉(zhuǎn)角的分光棱鏡7，通過7的存在分一束光出去，再經(jīng)過視場光闌8′和出瞳匹配透鏡9′并最后被耦合透鏡10′耦合后進入面陣光電探測器CCD11′進行背景信號的探測。
在本發(fā)明中讓分光棱鏡的分光比(透射光能量比反射光能量)為P1∶P2，其中分光比例所占P1部分進入視場光闌8，由于視場光闌8事先已經(jīng)進行了光路對準，因此，目標信號和背景信號都在視場光闌8的視場光闌限制下進入出瞳匹配透鏡9后再經(jīng)耦合進入面陣探測器11，這樣，在CCD探測器11上接收到的即為目標信號與背景信號和的總信號的聚焦光斑如圖4所示。根據(jù)圖4所示采集的圖像可以很明顯的看出，目標信號基本上與背景信號混合在一起。
其中分光比例所占P2部分進入視場光闌8′，由于視場光闌8′事先已經(jīng)在光路對準的條件下偏轉(zhuǎn)了一個合適的角度θ(θ的大小需要根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)決定，在目前常用的光電成像跟蹤系統(tǒng)中其典型值一般在2°到4°)，因此，目標信號則在視場光闌8′的視場限制下被擋在了探測器11′的成像視場之外，而背景信號由于其視場遠大于探測器11′的視場而基本上不受視場偏轉(zhuǎn)角θ的影響而照常成像在探測器11′上，這樣，探測器11′就合理的完成了對背景信號的探測任務，如圖5所示；最后，在前兩步工作的基礎(chǔ)上，顯然，在CCD探測器11上得到目標信號和背景信號的混合信號的成像圖，在CCD探測器11′上得到了單純的背景信號的成像圖，對這兩幅圖像做一個對應像素相減的圖像處理，即可得到消除了背景影響的單純信號圖像如圖6所示，從圖6和圖4的對比可以看出，本發(fā)明基本上完成了從強背景下提取出弱目標信號的功能，得到了比較清晰的信號圖像如圖6所示。
根據(jù)圖6得到的信號圖像，利用前述具體實施方式
中公式(1)的推導，就可以很順利的計算得到成像靶面上目標信號的具體位置信息。
根據(jù)在像面上得到的目標信號的位置信息，再聯(lián)合望遠鏡系統(tǒng)所對天區(qū)的方位信息，則可以很簡單的得到目標在實際天區(qū)中的具體方位信息，根據(jù)當前的具體方位信息判斷目標的運動方向再驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)繼續(xù)對準目標的方向，即完成對目標的檢測、跟蹤任務。
本發(fā)明以上所述的具體實施過程是針對分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比為P1∶P2＝1∶1的情況下進行的原理性闡述；實際工作中，分光棱鏡2的透射光能量P1和反射光能量P2的比值P1/P2也可以不為1，并且一般情況下其比值大于1；當P1/P2比值大于1時，可以通過對CCD11′的工作(數(shù)據(jù)采樣)頻率進行調(diào)制，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明提出的視場偏移減背景功能；假定P1/P2比值為R且R≠1時，對CCD11′的數(shù)據(jù)采樣頻率進行調(diào)制，使CCD11和CCD11′的數(shù)據(jù)采樣頻率不一致而分別為H1和H2，并且假定CCD的數(shù)據(jù)采樣頻率與自身的曝光時間T有關(guān)系H*T＝constant(常數(shù))(4)保證調(diào)制后兩CCD的數(shù)據(jù)采樣頻率與分光棱鏡的分光比例有如下關(guān)系H1H2=P1P2=R---(5)]]>根據(jù)(5)式，可以在分光棱鏡透射光能量P1和反射光能量P2不相等時，通過調(diào)制CCD11和CCD11′的數(shù)據(jù)采樣頻率，同樣可以實現(xiàn)視場偏移減背景處理的功能，完成本發(fā)明提出的基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)在強背景下對弱目標進行探測跟蹤的功能。
權(quán)利要求
1.基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括望遠鏡系統(tǒng)、組合光路縮束系統(tǒng)、分光棱鏡、兩個CCD探測器、兩個耦合透鏡、數(shù)據(jù)處理機，入射光束通過望遠鏡系統(tǒng)接收反射后進入組合光路縮束系統(tǒng)，光路縮束系統(tǒng)共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設(shè)置一個具有視場偏轉(zhuǎn)角θ的分光棱鏡，使從入瞳匹配透鏡出來的光路沿兩個不同的方向通過兩個視場光闌，分別依次進入兩個出瞳匹配和兩個耦合透鏡后，成像在兩個CCD探測器上，由數(shù)據(jù)處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號處理就可以得到消除了背景光的目標信號，再進行質(zhì)心計算輸出方位信息，最終完成強背景下弱目標信號的探測跟蹤功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的望遠鏡系統(tǒng)包括主鏡、次鏡和反射鏡，主要完成對目標信號的收集并通過次鏡縮束再反射后輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分光棱鏡的捕獲跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的分光棱鏡的視場偏轉(zhuǎn)角為2°～4°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比為P1∶P2＝1時，兩路CCD信號直接相減。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的分光棱鏡的透射光能量P1和反射光能量P2的比P1∶P2≠1時，改變一路CCD的工作頻率，從而改變曝光時間以達到其采集的背景光能量和另一路CCD采集的背景光能量相同的目的，然后再實現(xiàn)兩幀圖像相減。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的兩個微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)和工作性能參數(shù)保持一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的兩個CCD均為面陣光電探測器，且結(jié)構(gòu)相同，性能參數(shù)一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的視場光闌為具有厚度、中心有精密通光圓孔的高精密視場光闌，并且兩視場光闌結(jié)構(gòu)相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的視場偏移的哈特曼波前傳感器，其特征在于所述的中心通光孔徑保證精密相等，厚度為0.8～1.2mm，中心通光圓孔的直徑為1-2mm。
全文摘要
基于分光棱鏡的光電成像跟蹤系統(tǒng)，主要包括望遠鏡、組合光路縮束系統(tǒng)、分光棱鏡、兩個CCD面陣探測器、數(shù)據(jù)處理機等主要組成部分，組合光路縮束系統(tǒng)共用一個入瞳匹配透鏡并使入射光束分別通過兩個獨立的出瞳匹配透鏡分成兩束光縮束后輸出，其特點在于在入瞳透匹配透鏡和兩個出瞳匹配透鏡之間、縮束焦點之前設(shè)置一個具有一定視場偏轉(zhuǎn)角的分光棱鏡，使目標背景混合信號和純背景信號分別在兩個光電探測器上成像，由數(shù)據(jù)處理機分別對兩個CCD探測器上探測到的圖像信號進行處理就可以得到消除了背景的目標信號，根據(jù)探測到的目標信號利用質(zhì)心算法得到被跟蹤(捕獲)目標的具體方位信息。本發(fā)明使目前的光電成像跟蹤系統(tǒng)具備在白天強背景下對弱目標信號進行目標探測、跟蹤的能力，大幅提高跟蹤系統(tǒng)的工作效率。
文檔編號G01S17/00GK1815259SQ20061001146
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者李超宏, 鮮浩, 饒長輝 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所