Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SPECTRAL CHARACTERISTIC DETECTION IDENTIFICATION METHOD FOR MULTI-WAVE-BAND MOVING OBJECTS AND DEVICE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/091286
Kind Code:
A1
Abstract:
A spectral characteristic detection identification method for multi-wave-band moving objects comprises the following steps: determining interested objects in a field of view through the scanning of a sub-field of view and the objects correlation, calculating the speed of each interested object, tracing the interested objects and measuring the spectrum of the interested objects in the field of view in three modalities of convention, fast response and concentration according to the speed, and lastly performing the on-line compensating correction and the object spectrum characteristic identification for the object spectrum. A device for achieving the method is further provided. The device comprises a two-dimensional stepping scanning and tracing rotary mirror(2), a spectroscope(3), a long wave infrared lens assembly(4), a long wave infrared imaging unit(5), a near/short/medium wave infrared lens assembly(6), a multi-wave-band spectrum measurement unit(7), and a calculation/control unit(8). The device can be used for multi-wave-band and multi-dimensional intelligent detecting identification for multi-time/space variable objects, and is short in response time, high in cost performance and capable of improving the efficiency of spectral characteristic detecting identification for the time/space variable objects.

Inventors:
ZHANG TIANXU (CN)
FANG ZHENG (CN)
LIU XIANGYAN (CN)
ZHANG WEI (CN)
FU PING (CN)
BIAN XIAOYONG (CN)
LI HAO (CN)
LI GAOFEI (CN)
YANG WEIDONG (CN)
Application Number:
CN2012/070094
Publication Date:
June 27, 2013
Filing Date:
January 06, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UNIV HUAZHONG SCIENCE TECH (CN)
ZHANG TIANXU (CN)
FANG ZHENG (CN)
LIU XIANGYAN (CN)
ZHANG WEI (CN)
FU PING (CN)
BIAN XIAOYONG (CN)
LI HAO (CN)
LI GAOFEI (CN)
YANG WEIDONG (CN)
International Classes:
G01J3/28; G01N21/35
Domestic Patent References:
WO2011137512A12011-11-10
Foreign References:
US6781127B12004-08-24
US5841139A1998-11-24
EP0757243A11997-02-05
CN101303291A2008-11-12
CN101866054A2010-10-20
CN101158746A2008-04-09
Attorney, Agent or Firm:
HUST PATENT AGENCY CENTER (CN)
华中科技大学专利中心 (CN)
Download PDF:
Claims:
1、 -种多波段动目标光谱特征探测识别方法, 具体为:

( 1 )将全视场划分为多个子视场, 逐一扫描提取各子视场中的疑似

(2 )对相邻子视场的疑似目标进行坐标关联以确定全视场内存在的 感兴趣目标, 所述感兴趣目标当前坐标位置记为 Tn ' (xkn ,ykn) , « = 1, 2, 3……,N, N为感兴趣目标个数;

(xkn - xOn)f

k

(3 )计算各感兴趣目标的速. 表示目标从起

始点 (x0„,j 0„)运动到坐标 (x^,j^)的帧数, /为长波红外图像的帧频;

(4) 计算所有感兴趣目标的平均速度, 依据平均速度进行判断, 若 感兴趣目标为静止或慢速运动类型, 则选择常规模态; 若感兴趣目标为 快速运动类型, 则选择快响应模态; 若感兴趣目标为时变类型, 则选择 专注模态;

所述常规模态具体为: 对各感兴趣目标依据从左到右、 从上往下的 顺序逐一进行跟踪及测谱:

所述快响应模态具体为: 对各感兴趣目标按照优先准则进行排序, 依序逐一进行跟踪及测谱;

所述优先准则为- 优先级从高到低依次为: i 处在光轴中心指向范围的边界附近, 正向边界外运动的目标; ϋ 处于光轴指向范围的内部, 正向边界移动的目标; iii 向光轴指向范围内侧移动的目标;

iv 在视场内静止不动的目标;

同一优先级的目标排序时遵循原则: 运动速度快的目标优先测量, 超出跟踪范围的目标放弃测量;

所述专注模态具体为: 持续对某感兴趣目标进行跟踪及测谱;

(5 ) 对测谱得到的目标光谱作补偿矫正;

(6) 将补偿矫正后的目标光谱与光谱指纹库进行匹配实现识别。。

2、 实现权利要求 1所述方法的装置, 包括二维步进扫描跟踪转镜

(2)、 分光镜 (3 )、 长波红外镜头组 (4)、 长波红外成像单元 (5)、 近 / 短 /中波红外镜头组(6)、多波段光谱测量单元(7)和运算 \控制单元(8);

所述二维步进扫描跟踪转镜 (2) 将目标红外光反射后至所述分光 镜 (3 ), 所述分光镜 (3 ) 将所述红外光中的长波红外光透射至所述长波 红外镜头组 (4), 所述长波红外镜头组 (4) 对所述长波红外光聚焦, 聚 焦后入射所述长波红外成像单元 (5 ) 成像; 所述分光镜 (3 ) 将所述红 外光中的近、 短、 中波红外光反射至所述近 /短 /中波红外镜头组 (6), 所 述近 \短\中波红外镜头组 (6) 对所述近、 短、 中波红外光聚焦, 聚焦后 经光纤入射所述多波段光谱测量单元 (7) 测谱; 所述长波红外成像单元

(5 ) 的成像结果和所述多波段光谱测量单元 (7) 的测谱数据传送给运 算\控制单元 (8);

所述运算\控制单元(8), 控制二维步进扫描跟踪转镜 2扫描全视场提 取各子视场中的疑似目标;

对相邻子视场的疑似目标进行坐标关联以确定全视场内存在的感兴 趣目标, 其当前坐标位置记为2;' ^, ), « = 1,2,3…… ,N , N为感兴趣目

(xkn - xOn )f

k

计算各感兴趣目标的速】 表示目标从起始点

(χ0„, 0„)运动到坐标 (x , „)的帧数, /为长波红外图像的帧频;

计算所有感兴趣目标的平均速度, 依据平均速度进行判断, 若感兴 趣目标为静止或慢速运动类型, 则选择常规模态; 若感兴趣目标为快速 运动类型, 则选择快响应模态; 若感兴趣目标为时变类型, 则选择专注 模态;

依据选择的模态控制二维步进扫描跟踪转镜(2)和多波段光谱测量 单元 (7) 进行跟踪和测谱;

对测谱数据作补偿矫正后与光谱指纹库进行匹配实现识别; 所述常规模态具体为: 对各感兴趣目标依据从左到右、 从上往下的 顺序逐一进行跟踪及测谱:

所述快响应模态具体为: 对各感兴趣目标按照优先准则进行排序, 依序逐一进行跟踪及测谱;

所述优先准则为- 优先级从高到低依次为:

处在光轴中心指向范围的边界附近, 正向边界外运动的目

ϋ 处于光轴指向范围的内部, 正向边界移动的目标; iv 在视场内静止不动的目标;

同一优先级的目标排序时遵循原则: 运动速度快的目标优先 测量, 超出跟踪范围的目标放弃测量;

所述专注模态具体为: 持续对某感兴趣目标进行跟踪及测谱。

3、 根据权利要求 2所述的装置, 其特征在于, 将所述装置置于壳体 ( 12) 内, 所述壳体 (12) 上开有红外透射窗口 (1 ), 目标红外光透过 所述红外透射窗口 (1 ) 入射所述二维步进扫描跟踪转镜 (2)。

4、 根据权利要求 3所述的装置, 其特征在于, 所述壳体 (12) 上还 设有触控显示屏( 10)、壳体内部环境监视器和系统运行状态显示灯( 11 )。

5、 根据权利要求 2或 3所述的装置, 其特征在于, 所述多波段光谱 测量单元 (7) 为双探测器的傅里叶红外光谱测量单元。

Description:
一种多波段动目标光谱特征探测识别方法和装 置 技术领域

本发明涉及一种多波段动目标光谱特征探测识 别方法和装置, 用于 时 /空变对象目标光谱特征探测识别, 可应用于遥感、 测控、 光谱分析等 领域。

背景技术

所有温度高于绝对零度的物体都能产生红外辐 射, 温度越高, 辐射 出的能量就越大, 而且物质的光谱特性曲线是唯一的。 把物质红外光谱 信息和物体红外成像信息结合起来进行目标识 别, 可以增大探测目标的 种类、 提高目标识别能力。 因此, 国内外都非常重视研发相关光谱成像 设备。

目前常用的图谱合一设备为多光谱扫描仪和傅 立叶变换红外成像光 谱仪。 多光谱扫描仪一般安装在飞行器上, 其扫描转镜旋转, 使接收的 瞬时视场作垂直于飞行方向的运动, 从而实现扫描。 由于飞行器的前向 运动, 多光谱扫描仪即完成二维扫描, 地物景象被逐点扫过, 并逐点分 波段测量, 从而获得多光谱的遥感图像信息。 较适用于静止目标的非实 时探测, 对于运动目标难以适用。 傅立叶变换红外成像光谱仪能够提供 丰富的二维空间信息及第三维的光谱数据, 即二维空间成像的每一点都 可以提取光谱信息。 这种设备图、 谱探测共一个传感器, 信号处理信息 量非常大, 无法同时实现高空间分辨率和高时间分辨率, 且价格昂贵, 用户难以接受。

在许多实际应用中, 静止的地物和天空背景的光谱并不需要实时获 取, 而需要利用光谱特性对场景中运动目标或时变 对象 (局部区域) 进 行自动实时地探测识别, 如飞行中飞机、 海上的船舶、 行驶中的车辆、 火灾、 爆炸等。

对于上述多个运动目标和时变对象的自动检测 与光谱识别, 目前常 用的光谱成像设备存在以下缺点: 1、不适于场景中局部区域的光谱测量; 2、 不能实现多个运动目标的自动跟踪测谱; 3、 不能进行目标光谱的在 线处理与识别; 4、 速度慢且价格昂贵。

发明内容

为克服上述缺点, 本发明提出了一种多波段动目标光谱特征快速 探 测识别方法, 并提供了实现该方法的装置。 该发明不仅具有多光谱扫描 仪和傅立叶变换红外成像光谱仪的图谱一体化 的特点, 而且可以对场景 中的多个运动目标和时变对象进行自动检测、 跟踪、 测谱与识别。

一种多波段动目标光谱特征探测识别方法, 具体为-

(1)将全视场划分为多个子视场, 逐一扫描提取各子视场中的 疑似目标;

(2) 对相邻子视场的疑似目标进行坐标关联以确定 全视场内存 在的感兴趣目标, 其当前坐标位置记为 Γ„'(χ , j^„), « = 1,2,3 ······ ,N, N为

(xk n -xO n )f

k

(3)计算各感兴趣目标的速 , 表示目标

起始点 (x0„, 0„)运动到坐标 (x , „)的帧数, /为长波红外图像的帧频;

(4)计算所有感兴趣目标的平均速度, 依据平均速度进行判断, 若感兴趣目标为静止或慢速运动类型, 则选择常规模态; 若感兴趣目标 为快速运动类型, 则选择快响应模态; 若感兴趣目标为时变类型, 则选 择专注模态;

所述常规模态具体为: 对各感兴趣目标依据从左到右、 从上往下 的顺序逐一进行跟踪及测谱:

所述快响应模态具体为: 对各感兴趣目标按照优先准则进行排 序, 依序逐一进行跟踪及测谱;

所述优先准则为- 优先级从高到低依次为:

i 处在光轴中心指向范围的边界附近, 正向边界外运动的目 标;

ϋ 处于光轴指向范围的内部, 正向边界移动的目标;

iii 向光轴指向范围内侧移动的目标;

iv 在视场内静止不动的目标;

同一优先级的目标排序时遵循原则: 运动速度快的目标优先 测量, 超出跟踪范围的目标放弃测量;

所述专注模态具体为: 持续对某感兴趣目标进行跟踪及测谱;

( 5 ) 对测谱得到的目标光谱作补偿矫正;

( 6 )将补偿矫正后的目标光谱与光谱指纹库进行 配实现识别。。 实现所述方法的装置, 包括二维步进扫描跟踪转镜、 分光镜、 长波 红外镜头组、 长波红外成像单元、 近 /短 /中波红外镜头组、 多波段光谱测 量单元和运算 \控制单元; 所述二维步进扫描跟踪转镜将目标红外光反射 后至所述分光镜, 所 述分光镜将所述红外光中的长波红外光透射至 所述长波红外镜头组, 所 述长波红外镜头组对所述长波红外光聚焦, 聚焦后入射所述长波红外成 像单元成像; 所述分光镜将所述红外光中的近、 短、 中波红外光反射至 所述近 /短 /中波红外镜头组, 所述近 \短\中波红外镜头组对所述近、 短、 中波红外光聚焦, 聚焦后入射所述多波段光谱测量单元测谱; 所述长波 红外成像单元的成像结果和所述多波段光谱测 量单元的测谱数据传送给 运算 \控制单元;

所述运算\控制单元,控制二维步进扫描跟踪 镜 2扫描全视场提取各 子视场中的疑似目标;

对相邻子视场的疑似目标进行坐标关联以确定 全视场内存在的感兴 趣目标, 其当前坐标位置记为!;' ^^,^), « = 1, 2, 3…… , N , N为感兴趣目

(xk n - xO n )f

k

计算各感兴趣目标的速】 , 表示目标从起始点

(χ0„, 0„)运动到坐标 (x , „)的帧数, /为长波红外图像的帧频;

计算所有感兴趣目标的平均速度, 依据平均速度进行判断, 若感兴 趣目标为静止或慢速运动类型, 则选择常规模态; 若感兴趣目标为快速 运动类型, 则选择快响应模态; 若感兴趣目标为时变类型, 则选择专注 依据选择的模态控制二维步进扫描跟踪转镜和 多波段光谱测量单元 进行跟踪和测谱; 对测谱数据作补偿矫正后与光谱指纹库进行匹 配实现识别; 所述常规模态具体为: 对各感兴趣目标依据从左到右、 从上往下的 顺序逐一进行跟踪及测谱:

所述快响应模态具体为: 对各感兴趣目标按照优先准则进行排序, 依序逐一进行跟踪及测谱;

所述优先准则为- 优先级从高到低依次为:

i 处在光轴中心指向范围的边界附近, 正向边界外运动的目 标;

ϋ 处于光轴指向范围的内部, 正向边界移动的目标;

iii 向光轴指向范围内侧移动的目标;

iv 在视场内静止不动的目标;

同一优先级的目标排序时遵循原则: 运动速度快的目标优先 测量, 超出跟踪范围的目标放弃测量;

所述专注模态具体为: 持续对某感兴趣目标进行跟踪及测谱。

进一步地, 将所述装置置于壳体内, 所述壳体上开有红外透射窗口, 目标红外光透过所述红外透射窗口入射所述二 维步进扫描跟踪转镜。

进一步地, 所述壳体上还设有触控显示屏、 壳体内部环境监视器和 系统运行状态显示灯。

进一步地, 所述多波段光谱测量单元为双探测器的傅里叶 红外光谱 本发明装置具有以下优点: ( 1 ) 可以自动测量近 /短 /中波红外波段多个目标的光谱;

(2) 能够实现全光路多波段目标光谱的在线数字补 偿矫正处理;

(3 ) 能够实现基于谱特征的目标识别;

(4) 近 /短 /中波红外镜头组和近 /短 /中波红外多波段光谱测量单元采 ZBLAN光纤 (束)导光的柔性连接方式, 提高了系统的可靠性和安装 活性;

(5)多波段光谱测量单元采用斯特林制冷方式, 使整个装置使用更安

(6)壳体上装有触控式显示屏用于用户交互和 图形显示, 系统集成度 附图说明

图 1为多波段动目标光谱特征快速探测识别方法 程图; 图 2为全视场扫描方案示意图;

图 3为目标运动方向分解示意图;

图 4为近 /短 /中波红外光谱的全光路补偿矫正处理流程图 图 5为多波段动目标谱特征探测识别装置结构示 图; 图 6为二维步进扫描跟踪转镜结构示意图;

图 7为二维步进扫描跟踪转镜扫描范围示意图;

图 8为快速响应模态下多运动目标捕获、 跟踪与光谱测量实例; 图 9为某飞行目标的红外图像、 测量光谱及处理结果; 图 10为机场高压钠灯的红外图像、 测量光谱及处理结果; 图 11为酒精在不同燃烧阶段的测量光谱处理结果

具体实施方式 以下结合附图和实例对本发明进行进一步说明 。

图 1为多波段动目标光谱特征探测识别方法流程 , 本发明按如下 步骤进行:

(I) 确定各目标的位置和运动速度。

(II) 将全视场划分为多个子视场, 逐一扫描提取各子视场中的疑 似目标。 子视场的划分可任选 3x3、 2x3、 4x4等等, 本实例选用 3x3。 按 照图 2中 1~9的顺序对全视场进行扫描, 在 1~9每个子视场中, 获取 k帧图 像信息, 依据这 k帧图像提取该子视场的疑似目标。

(12) 进行相邻子视场的疑似目标坐标关联, 确定整个扫描视场中 存在的感兴趣目标个数为 N, 坐标位置分别记为 Γ„ ' (xk n ,yk„),

« = 1,2,3…… ,Ν。

(13) 计算各感兴趣目标的表观运动速度。

目标在三维空间中的运动可以分解为沿如图 3所示的 x, y, z三个正 交方向的运动, 其中, z轴与视场中心轴重合, 目标沿 z轴方向的运动不 改变其在视场中的坐标; x, y轴分别与 z轴正交, 目标沿 x, y轴方向的运 动会改变其在视场中的坐标。 目标在视场中表观运动速度的具体计算方 法为: 将目标运动速度分解为水平和俯仰两个方向分 别计算。 设长波红 外成像单元获取长波红外图像的帧频为 /, 则目标 Γ„从坐标从起始点 (χ0„, 0„)运动到坐标 (χ , „)的帧数 ,由此可以计算出期间目标 Γ„运动的 , 单位为 pixels ! s

(2 )得到视场中感兴趣目标的表观速度后,针对 止或慢速运动(如 行人、 植被等) 的多目标选择常规模态, 针对快速运动 (如飞行目标、 汽车等) 的多目标选择快响应模态, 针对时变目标 (如爆炸、 火灾等) 选择专注模态对目标进行测谱识别。

当系统处于常规模态下, 则按从上到下、 从左到右的顺序对感兴趣 目标进行光谱测量与识别; 当系统处于快速响应模态下, 则按照遵循一 定优先准则的顺序对感兴趣目标进行光谱测量 与识别; 当系统处于专注 模态下, 则先设定测谱时间或测谱数目, 然后手动或自动跟踪锁定视场 中的目标, 再获取目标图像和光谱数据, 可实现在较长时段内获取时变 对象 (如火灾、 爆炸等) 的表征其特征变化的光谱和图像数据。

常规模态和快速响应模态都是自动跟踪锁定视 场中心扫描范围内的 所有感兴趣目标并进行光谱测量和识别, 其区别在于视场中目标谱的测 量顺序不同: 常规模态是先将感兴趣目标按照从上到下、 从左到右的顺 序排序然后测谱识别; 快速响应模态是将视场中的所有目标按照一定 的 优先级别排序然后测谱识别。

决速响应模态下对视场中的目标排序时遵循的 优先级从高到低如 处在光轴中心指向范围的边界附近, 正向边界外运动的目标; ii. 处于光轴指向范围的内部, 正向边界移动的目标;

iii. 向光轴指向范围内侧移动的目标; iv. 在视场内静止不动的目标 (表观速度为 0);

对处于上述同一优先级的目标排序时遵循以下 两个原则- i. 运动速度快的目标优先测量;

ϋ. 超出转镜跟踪能力的目标, 放弃测量;

将视场中的感兴趣目标排好序后, 即可按顺序逐一对其进行测谱识 别。 对某一目标进行测谱识别的步骤如下-

( 1 ) 根据全图检测时求得的感兴趣目标的速度信息 预测其当前位 置;

= vj + x0 ,其中 ,为目标从 (Α,Λ)运动到 ( , )经过的

时间。

(2)判断此目标是否在视场中心扫描范围(如图 2所示的中间矩形 区域) 内。 如在视场中心扫描范围内, 继续下面的步骤; 如不在, 则返 回步骤 (1 ) 进行下一目标的探测识别;

( 3 )根据当前目标位置距离视场中心的距离和当 目标表观速度判 断转镜是否能跟踪上此目标。 如可以跟踪上, 继续下面的步骤; 如判断 跟不上, 则返回步骤 (1 ) 进行下一感兴趣目标的探测识别;

(4)控制二维扫描反射转镜指向此目标的预测坐 标位置, 然后对当 前视场中心附近的区域进行局部检测, 检测到该目标后进行局部跟踪;

(5 )采集目标光谱: 当二维步进扫描跟踪转镜锁定目标并将其置于 视场中心后, 即可采集目标光谱。 近 /短 /中波红外多波段光谱测量单元是 采用双探测器 (InSb和 Silicon Diode ) 的傅里叶红外光谱测量单元, 可以实现近红外、 短波红外和中波红外波段的目标光谱测量; (6 ) 目标谱线数据在线补偿矫正处理;

近红外 /短 /中长波红外目标谱数据的补偿矫正数字处理 程图如图 4所示。先用包含背景的目标区光谱减去背景 谱, 再按全光路衰减矫正 公式(1 )对不含背景的感兴趣时 -空变对象目标区光谱进行矫正, 即将每 水、波〉 长对应的谱能强度 (须大于光谱探测器系统误差产生的噪声谱) 除 以全光路对此波长光信号的总传输率

其中, /μ)为减去背景谱后的目标谱能强度, r( i)为全光路衰减矫 正后的目标谱能强度, r toi )为全光路总的光谱透过率, T A U)为大气总 的光谱透过率, 为近 /短 /中 /长波红外透射窗口透过率, μ)为近 /短 / 中 /长波红外反射镜的反射率, ^μ)为分光镜对近 /短 /中波红外光的反射 率, Γ 2 μ)为长度为 L(m)的光纤的光谱传输率, /„ ( L)为光谱测量单元系 统误差产生的噪声谱。

( 7 ) 目标识别: 将补偿矫正处理后的目标光谱与典型目标谱 (线) 指纹库中的光谱进行比对, 视相似性最强的为识别结果。

(8 )添加或更新目标谱特征数据, 或根据识别结果做出相应决策与 处理;

重复以上步骤, 直至视场中的所有目标都被探测识别完。

专注模态主要用于在较长时段内获取时变对象 (如火灾、 爆炸等) 的表征其特征变化的光谱和图像数据, 其步骤如下- ( 1 ) 设定测谱时间或测谱数目; (2 ) 然后手动或自动长时间跟踪锁定视场中的目标 ;

(3 ) 获取目标图像和光谱数据;

重复步骤 (2) (3 ) 直至达到预先设置的采集时间或者采集谱数。 如图 5为多波段动光谱特征快速探测识别装置结构 意图,本装置主 要包括: 红外透视窗口 1, 二维步进扫描跟踪转镜 2 (由近 /短 /中 /长波红外 反射镜 22和步进扫描跟踪转台 21组成), 分光镜 3, 长波红外镜头组 4, 长 波红外成像单元 5, 近 /短 /中波红外镜头组 6, 近 /短 /中波红外多波段光谱 测量单元 7, 运算 \控制单元 8。

所有部件安装在封闭壳体 12内部, 目标 13入射光(近 /短 /中 /长波红外 光) 透过壳体上的红外透视窗口 1入射到近 /短冲 /长波红外反射镜 22, 入 射光中的长波红外光透过该分光镜, 经由长波红外镜头组 4到长波红外成 像单元 5成像; 入射光中的近 /短 /中波红光被该分光镜 3反射, 并经透射近 /短 /中波红外光的镜头组 6将三波段的红外光汇聚到相应焦平面的中心 再经由耦合到该中心的光纤 (束) 9传输到近 /短 /中波红外多波段光谱测 量单元 7。 运算 \控制单元 8主要负责接收长波红外图像、 光谱数据并进行 实时数据处理和分析, 控制二维步进扫描跟踪转镜 2的运动。

壳体上的红外透视窗口 1采用多光谱 CVD ZnS材料, 在近红外、 短 波红外、 中波红外及长波红外几个波段都具有很高的透 过率。 二维步进 扫描跟踪转镜 2 由近 /短 /中 /长波红外反射镜 22和步进扫描跟踪转台 21 组成, 如图 6所示。 步进扫描跟踪转台 21可以带动反射镜 22实现偏转 和倾斜两个维度的运动,两个维度的运动范围 均为 。如图 7所示, 其中图 7a为二维步进扫描跟踪转镜倾斜扫描范围, 图 7b为二维步进扫 描跟踪转镜的偏转扫描范围。

下面给出一个装置实例:

0取值为 5,长波红外成像单元 5的成像视场张角为 5.12° X 3.48° , 长波红外镜头组 4可以手动调焦以改变视场大小。 二维步进扫描跟踪转 镜 2的转动范围为 ±0。 (水平) X ± (俯仰), 根据扫描转镜的位置可以 将整个视场分为如图 2所示的编号为 1~9的 9个子视场, 相邻两个子视 场有重叠区域。

二维步进扫描跟踪转镜的反射镜 22在近、 短、 中、 长波红外波段都 有较高的的反射率; 分光镜 3在近 /短 /中波红外几个波段有很高的反射率 而在长波红外波段则有较高的透过率。 近 /短 /中波红外镜头组 6和近 /短 / 中波红外多波段光谱测量单元 7采用 0.5m长的 ZBLAN光纤(束)柔性连接; 多波段光谱测量单元 7为双探测器 (InSb和 Silicon Diode) 的傅里叶红 外光谱测量单元, 采用斯特林制冷方式, 可以测量近 /短 /中波红外波段 的目标光谱。

系统内所有用电部件和单元由壳体上的电源接 口 (220V/3A)统一供 电。 为保证系统内部干燥的工作环境, 系统内部有干燥桶, 通过壳体上 的干燥剂口定期更换干燥剂。 壳体上装有触控式显示屏 10用于用户操作 和图形显示。壳体上装有系统内部环境监视器 和系统运行状态显示灯 11, 显示系统内部的温度湿度及系统的当前运行状 态。

本发明装置全光路对红外辐射的衰减主要有: 大气衰减、 近短中长 波红外透射窗口衰减、 二维扫描反射转镜衰减、 分光镜衰减和光纤衰减。

图 8 以一实例说明了快速响应模态下多运动目标捕 获、 跟踪与光谱 测量的整个过程。 图中显示了光轴中心依次对准各个感兴趣目标 的过程。 图中的粗实线框为视场中心移动的边界, 光轴中心可以对准此区域中的 任意一个位置处的目标。

全视场扫描, 感兴趣目标坐标关联与表观运动速度计算。 按照图 2 所示的全视场扫描方案, 在 1~9每个子视场都获取 k帧红外图像, 将第 0帧 与第 k帧中各个目标的像素坐标记录为 Γ„ ( O B ,j0 B )^P7; (xk n ,yk n ),进行感兴 趣目标的坐标关联, 确定整个扫描视场中存在的目标个数为 TagNum=6, 坐标位置记为2;' ( ,3^) (n = l,2...6), 由于长波红外成像单元获取长波红 外图像的帧频为 25Hz, 所以目标《从坐标 Γ„ (x0„,j0„)运动到坐标

τ η (x ,j^„)耗时 0.04fo, 由此可以计算出目标 r„运动的平均表观速度

, («=1,2...6)

按照快速响应模态的目标排序原则对视场中的 6个目标进行排序, 图 中, 目标 T Τ 2 、 Τ 3 处在边界附近并正向边界运动, 测量优先级高, 目标 Τ 4 向边界运动, 优先级其次, 目标 Τ 5 向全视场内运动, 优先级较低, 目标 Τ 6 表观运动速度为 0, 最后测量。 目标 T Τ 2 、 Τ 3 处于同一优先级, 由于 表观运动速度 T^T^T 所以测量顺序为 τ 1→ τ 2 →τ 3 。所有感兴趣目标的

接下来控制二维步进扫描跟踪转镜将光轴中心 逐一对准各个目标, 测量目标光谱。 记完成全视场扫描后的时刻为^, 此时光轴中心指向第 9 水子视场。首先控制转台将视场中心指向位置 Γ, 对目标 进行局部检 和跟踪, 如果目标中心与视场中心的距离能够在最近 15帧检测中有 12次 以上小于一定限制, 则认为目标跟踪稳定, 处于锁定状态, 此时启动非 成像光谱测量单元获取目标有效的光谱。

采集完目标 T\的光谱以后, 读取此时系统时间记为^ 在。至 2 这段 时间内, 目标 Τ 2 已经以 (ν 2 的速度运动到 2"位置, 预测 2"位置的坐标

2"的位置没有超出光轴中心指向的范围, 并且在光轴切换的过程中, 目 标丁 2 也不会运动出边界, 所以判定光轴中心能够跟踪目标 T 2 。 控制二维 步进扫描跟踪转镜指向目标 2"的位置, 对目标 Τ 2 进行局部检测和跟踪, 锁定目标 2后, 采集目标 Τ 2 的光谱。

采集完目标 Τ 2 的光谱以后, 读取此时系统时间并记为^ 在。至^这 段时间内, 目标 Τ 3 已经以 的速度运动到 3",位置, 预测 3, "位置 的坐标 (χ 3 ½ ):

x 3 = xk + (t -i 0 )x ν χ

y =yk +(t -t 0 )xv y 由于 3' "的超出了视场中心指向的范围,所以放弃测 目标 T 3 。预测目标

Τ 4 当前的坐标。 用同样的方法对目标 Τ 4 ~ Τ 6 进行测量。 获取整个扫描视 场中所有感兴趣目标的光谱。

图 9是某飞行目标的红外图像和实验测得的光谱 处理结果。 其中

(a) 为跟踪测谱时红外视频序列中的一帧, (b) 为包含背景的感兴趣目 标区光谱, (c) 为不含背景的感兴趣目标区光谱, (d) 是经过系统补偿 和矫正处理得到的目标光谱。

图 10是机场跑道高压钠灯的红外图像和实验测得 光谱及处理结 果。 其中 (a) 为跟踪测谱时红外视频序列中的一帧, (b) 为包含背景的 感兴趣目标区光谱, (c) 为不含背景的感兴趣目标区光谱, (d) 是经过 系统补偿和矫正处理得到的目标光谱。

图 11是系统在专注模态下测量的酒精在不同燃烧 段的光谱的处理 结果。 其中 (a) 是燃烧前测量光谱的处理结果, (b) 是酒精刚开始燃烧 时 (约 20s) 测量光谱的处理结果, (c) 是酒精燃烧中期 (约 42s) 测量 光谱的处理结果, (d) 是酒精燃烧熄灭后约 20s时测量光谱的处理结果。