專利名稱：一種激光鎖定成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及圖像處理技術(shù)，具體是指一種具有消除背景
光功能的激光鎖定成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
通常情況下，強(qiáng)背景光和成像目標(biāo)同處于成像系統(tǒng)的視場(chǎng)時(shí)，目標(biāo)圖像將湮沒在強(qiáng)背景光或復(fù)雜背景中而無法辨別，使成像系統(tǒng)失去對(duì)目標(biāo)的成像能力?，F(xiàn)有的CCD圖像傳感器，在強(qiáng)的背景光下，將因?yàn)轱柡投コ上衲芰Α?在工業(yè)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)環(huán)境往往不可避免有強(qiáng)光源干擾。例如鋼水和其它金屬液面的檢測(cè)，由于高溫和火光非常強(qiáng)，目前尚缺乏有效的成像檢測(cè)手段。連鑄生產(chǎn)是鋼材生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)，對(duì)鋼材品質(zhì)有重要影響。在鋼水連鑄生產(chǎn)過程中，氧化劑和鋼水中的雜質(zhì)混合形成液體鋼渣，其比重較輕，浮于鋼水上部。在鋼水澆鑄后期，鋼渣逐漸流入中間包，影響鋼材品質(zhì)，降低鋼板壽命。因此需要檢測(cè)鋼水的液面。在汽車電子眼檢測(cè)中，陽光和其他環(huán)境光將使電子眼失去檢測(cè)能力。機(jī)器人視覺中，希望機(jī)器人能夠識(shí)別例如火災(zāi)復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)。由于太陽強(qiáng)光直射，面向太陽的人眼和CCD圖像傳感器難以識(shí)別背向太陽的目標(biāo)。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，已有越來越多的汽車加裝了一種叫做紅外夜視成像輔助駕駛系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)能夠使駕駛員增強(qiáng)夜間能見度，確保駕車安全，同時(shí)在夜間會(huì)車過程中，由于迎面來車的強(qiáng)光干擾使司機(jī)出現(xiàn)炫目，往往會(huì)導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。
跟蹤瞄準(zhǔn)是戰(zhàn)場(chǎng)格斗中的重要環(huán)節(jié)。在步槍、火炮、裝甲車、坦克、戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈等武器裝備中，光學(xué)瞄準(zhǔn)總是不可缺少的。但在戰(zhàn)場(chǎng)火光硝煙狀態(tài)下，光學(xué)瞄準(zhǔn)并不是總是有效的。例如低空高射武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)目視瞄準(zhǔn)采用從分劃板上讀取提前量或用活動(dòng)格柵測(cè)量目標(biāo)速度，瞄準(zhǔn)手通過觀察目標(biāo)在分劃板上的圖像，調(diào)整俯仰和方位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跟蹤瞄準(zhǔn)。顯然，在瞄準(zhǔn)環(huán)節(jié)中，人眼必須能看清目標(biāo)圖像。這樣的目視跟蹤瞄準(zhǔn)的精度差，瞄準(zhǔn)與否依賴于射手，且人眼遇到強(qiáng)光干擾時(shí)，將失去瞄準(zhǔn)能力。利用CCD圖像傳感器獲取目標(biāo)圖像，可以獲取目標(biāo)的細(xì)節(jié)，大大提高跟瞄的有效性。但當(dāng)環(huán)境光太強(qiáng)時(shí)，CCD探測(cè)器陣列由于飽和而無法觀察目標(biāo)。跟瞄的有效性取決于圖像的有效獲取。我國(guó)的新型主戰(zhàn)99坦克，使用了激光瞄準(zhǔn)同時(shí)壓制敵方的光學(xué)瞄準(zhǔn)。但當(dāng)遭到對(duì)方用同樣波長(zhǎng)的激光瞄準(zhǔn)時(shí)，也同樣可能失去瞄準(zhǔn)能力。 這些廣泛的應(yīng)用需要一種強(qiáng)背景光下獲取目標(biāo)圖像的技術(shù)，使得從看不見的環(huán)境中看清目標(biāo)圖像。 美國(guó)新澤西技術(shù)學(xué)院物理系2000年提出了鎖定成像系統(tǒng)的方案，采用多周期集成焦平面鎖定成像(MIFPA)。該方案的系統(tǒng)如圖l所示。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的調(diào)制信號(hào)調(diào)制光源，光源照射到需要成像的目標(biāo)，目標(biāo)散射的微弱光信號(hào)進(jìn)入CCD焦平面探測(cè)器陣列上。經(jīng)過多幅圖像的多周期積分與乘法相關(guān)運(yùn)算，最后得到一幅新的圖像。這個(gè)多周期積分與乘法相關(guān)運(yùn)算過程就是鎖相放大器中弱信號(hào)檢測(cè)過程。該技術(shù)方案的缺點(diǎn)是沒有采用激光作為光源，因此背景光或環(huán)境光中光強(qiáng)變化頻率接近于調(diào)制信號(hào)頻率的光是無法濾除的。調(diào)制信號(hào)頻率必須遠(yuǎn)小于CCD圖像傳感器的幀頻，所以即使環(huán)境光的緩慢變化也會(huì)干擾圖 像。因此該方案只能用于實(shí)驗(yàn)室樣品圖像的檢測(cè)。 為了檢測(cè)材料內(nèi)部的損傷或缺陷，哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007年提出了一種鎖相紅外 檢測(cè)方法，其原理框圖如圖2所示。紅外光源照明需要檢測(cè)的目標(biāo)，目標(biāo)物體吸收紅外光源 發(fā)熱，使用熱像儀獲取目標(biāo)圖像。正弦信號(hào)發(fā)生器調(diào)制紅外光源，目標(biāo)熱像灰度因此受到調(diào) 制。同樣通過多幅圖像的多周期積分與乘法相關(guān)運(yùn)算，最后得到一幅新的圖像。該技術(shù)方 案主要用于對(duì)不透明固體物質(zhì)表面有無缺陷進(jìn)行檢測(cè)，采用強(qiáng)度受到控制的紅外光對(duì)目標(biāo) 物體進(jìn)行照射，由于目標(biāo)物體是不透明的固體物質(zhì)，一部分入射的能量會(huì)被該物體吸收而 轉(zhuǎn)化為熱能，并在物質(zhì)中產(chǎn)生一周期變化的局部熱流，形成周期的溫度分布。熱能以熱波形 式在物體中傳播，該傳播與物體的熱學(xué)性質(zhì)及熱源的調(diào)制頻率有關(guān)。當(dāng)遇到樣品中有缺陷 時(shí)，由于熱不均勻性，熱波將被散射或發(fā)射，熱波返回樣品表面時(shí)，改變了樣品表面的溫度 分布。用紅外熱像儀記錄下樣品表面溫度變化過程，與信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，對(duì)視頻序列圖 像進(jìn)行處理，通過對(duì)熱傳導(dǎo)反問題進(jìn)行求解，采用適當(dāng)?shù)姆囱菟惴?，可以?duì)樣品一個(gè)或多個(gè) 熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而對(duì)樣品缺陷進(jìn)行分析。該技術(shù)方案使用的是熱波作為信號(hào)源傳給 熱像儀，只能通過熱圖像來分析物體表面的缺陷，不能得到物體的可見光圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種激光鎖定成像方法及裝置，具有強(qiáng)背景光抑制功能，能夠?qū)⒀蜎] 于強(qiáng)背景光中的目標(biāo)圖像提取出來。 本發(fā)明采用正弦信號(hào)調(diào)制激光照射目標(biāo)區(qū)域，通過光學(xué)濾波濾除目標(biāo)視場(chǎng)部分背 景光，再通過微弱信號(hào)檢測(cè)的鑒相處理，將激光照明區(qū)域(目標(biāo)視場(chǎng))的目標(biāo)圖像從強(qiáng)背景 光中提取出來。具體方案如下 —種激光鎖定成像方法，如圖3所示，包括以下步驟 步驟1 :采用周期性的調(diào)制信號(hào)(如正弦信號(hào))對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，所得調(diào)制激光 經(jīng)光學(xué)透鏡發(fā)散后照射目標(biāo)視場(chǎng)。 步驟2 :采用光譜范圍覆蓋且超過調(diào)制激光光譜范圍的光學(xué)濾波片對(duì)目標(biāo)視場(chǎng)的 目標(biāo)散射激光和背景光進(jìn)行光學(xué)濾波處理。 步驟3 :經(jīng)光學(xué)濾波處理后的目標(biāo)散射激光和背景光由CCD焦平面陣列勻速采集， 獲得一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像。 步驟4 :對(duì)步驟3所獲一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像進(jìn)行鑒相處理。設(shè)在步驟1中 所述周期性調(diào)制信號(hào)的一個(gè)或整數(shù)個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，步驟3中所述CCD焦平面陣列采集到的 目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的數(shù)量為N，具體過程如下 步驟4-1 :將N幅傳感圖像中的任意一幅傳感圖像的所有象素點(diǎn)的灰度值與采集 該傳感圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的周期性調(diào)制信號(hào)相乘； 步驟4-2 :將全部經(jīng)步驟4-1處理后的N幅傳感圖像疊加在一起，就得到一幅最終
去除了背景光的目標(biāo)圖像。 本發(fā)明工作原理如下 設(shè)一幅步驟3所獲得的目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像為G，傳感圖像G中包含了目標(biāo)視場(chǎng)背 景光、CCD焦平面陣列的暗電流和目標(biāo)視場(chǎng)散射激光的信息。設(shè)G = Ge+G"其中GB為目標(biāo)視場(chǎng)背景光灰度和CCD焦平面陣列的暗電流灰度之和，^為目標(biāo)視場(chǎng)散射激光灰度值。
設(shè)步驟1中使用的照射激光是正弦調(diào)制的激光，所以傳感圖像為G中目標(biāo)視場(chǎng)散 射激光灰度值^也是正弦變化的，即= GL0(l+msin(wt+(J))) (1) 其中GM和小為常數(shù)，m為調(diào)制度，"為正弦調(diào)制信號(hào)角頻率，t為采樣時(shí)刻。
設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)sin (" t)和傳感圖像G的乘積為GM，則
GM oc (Gs + G丄o (1 + w sin(of +州)x sin(W)
(2) =(GS +(7￡())5111一) +會(huì)(^。》2(003(^)-。03(2紐+ -)) 通常情況下，目標(biāo)視場(chǎng)背景光的灰度變化是非正弦變換的。在一個(gè)正弦調(diào)制周期 內(nèi)，將所有采集到的傳感圖像和步驟1中使用的正弦調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鎖定相乘后再疊加后，
(2)式中的(GB+GL。)sin("t)禾P^C^。wcos(2紐+ ^)均可以相互抵消，只有反映目標(biāo)視場(chǎng)散
射激光灰度信號(hào)的|<^。附cos(W得以保留，從而將目標(biāo)視場(chǎng)背景光的灰度濾除。 上述過程沒有包括激光濾波的作用，如果加上步驟2的激光濾波的效果，本發(fā)明 提供的激光鎖定成像具有更加強(qiáng)大抑制背景光的能力。 本發(fā)明同時(shí)提供一種激光鎖定成像裝置，如圖3所示，包括一個(gè)周期性調(diào)制信號(hào) 產(chǎn)生器(如正弦信號(hào)產(chǎn)生器)、一個(gè)半導(dǎo)體激光器、一個(gè)光學(xué)發(fā)散透鏡、一個(gè)光學(xué)濾波片、 一個(gè)CCD焦平面陣列、一個(gè)視頻處理電路和一個(gè)顯示屏；周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的周 期性調(diào)制信號(hào)用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光，使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生周期性調(diào)制激光， 周期性調(diào)制激光經(jīng)光學(xué)發(fā)散透鏡發(fā)散后照射目標(biāo)視場(chǎng)；目標(biāo)視場(chǎng)的目標(biāo)散射激光和背景光 進(jìn)行光學(xué)濾波片濾波后，由CCD焦平面陣列勻速采集，獲得一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像；將 周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的周期性調(diào)制信號(hào)和CCD焦平面陣列勻速采集到的目標(biāo)視場(chǎng) 的傳感圖像存儲(chǔ)于視頻處理電路中的存儲(chǔ)器，由視頻處理電路完成目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的 鑒相處理即在一個(gè)或整數(shù)個(gè)周期性調(diào)制信號(hào)的調(diào)制周期內(nèi)，將CCD焦平面陣列采集到的 目標(biāo)視場(chǎng)的每一幅傳感圖像與采集該傳感圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的周期性調(diào)制信號(hào)相乘，然后再疊 加成一幅最終去除了背景光的目標(biāo)圖像；目標(biāo)圖像最后通過顯示器顯示出來。
需要說明的是 1、本發(fā)明沒有將目標(biāo)視場(chǎng)的散射激光和背景光直接采集于CCD焦平面陣列，而是 先通過光學(xué)濾波處理再采集，其目的在于先將目標(biāo)視場(chǎng)的背景光做一個(gè)"能量衰減"的濾波 處理，以防止背景光過強(qiáng)所造成的CCD焦平面陣列傳感飽和而無法成像。由于調(diào)制激光的 光譜很窄，而背景光光譜通常較寬，所以可以采用光譜范圍覆蓋且適當(dāng)超過調(diào)制激光光譜 范圍的光學(xué)濾波片來透過目標(biāo)視場(chǎng)的散射激光而濾除部分背景光。 2、本發(fā)明在對(duì)目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的鑒相處理時(shí)，通過將一個(gè)或數(shù)個(gè)調(diào)制周期內(nèi) 的傳感圖像鑒相處理成一幅目標(biāo)圖像。目標(biāo)圖像的清晰度隨著鑒相處理的調(diào)制周期數(shù)的增 加而增加；但對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，鑒相處理的調(diào)制周期數(shù)不能太大；另外，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 而言，要求提高正弦信號(hào)的調(diào)制頻率，同時(shí)提高CCD焦平面的采樣頻率(這可通過采用高速CCD成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn))。 本發(fā)明實(shí)質(zhì)是通過周期性調(diào)制激光照射目標(biāo)視場(chǎng)，同時(shí)采用光學(xué)濾波和對(duì)CCD焦 平面?zhèn)鞲袌D像的鑒相處理技術(shù)，從而獲得清晰的目標(biāo)圖像，具有強(qiáng)大的背景光抑制能力。本 發(fā)明可應(yīng)用于下述領(lǐng)域(l)用于交通監(jiān)測(cè)中以解決現(xiàn)有電子眼在強(qiáng)光下將失去監(jiān)測(cè)能力 的問題。(2)用于工業(yè)監(jiān)測(cè)，如冶金行業(yè)中金屬液面的有效監(jiān)測(cè)。(3)用于武器裝備中的 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。當(dāng)步槍、火炮、裝甲車、坦克、戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈等武器裝備在戰(zhàn) 場(chǎng)火光硝煙狀態(tài)下，光學(xué)瞄準(zhǔn)并不是總是有效的。應(yīng)用該項(xiàng)發(fā)明，在強(qiáng)背景光下獲取目標(biāo)圖 像，從而提高瞄準(zhǔn)的可靠性，提高對(duì)敵方目標(biāo)的打擊能力。(4)用于夜視裝備解決夜視問題。


圖1為現(xiàn)有的一種鎖定成像原理框圖。 圖2為現(xiàn)有的一種鎖相紅外檢檢測(cè)方法原理圖。 圖3為本發(fā)明提供的一種激光鎖定成像方法及裝置原理圖。
具體實(shí)施例方式
具體技術(shù)方案如圖3所示，正弦信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)用于調(diào)制半導(dǎo)體激 光器產(chǎn)生的激光，使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生正弦信號(hào)調(diào)制激光，正弦信號(hào)調(diào)制激光經(jīng)光學(xué)發(fā)散 透鏡發(fā)散后照射目標(biāo)視場(chǎng)；目標(biāo)視場(chǎng)的目標(biāo)散射激光和背景光進(jìn)行光學(xué)濾波片濾波后，由 CCD焦平面陣列勻速采集，獲得一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像；將正弦信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的正 弦信號(hào)和CCD焦平面陣列勻速采集到的目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像存儲(chǔ)于視頻處理電路中的存 儲(chǔ)器，由視頻處理電路完成目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的鑒相處理即在一個(gè)或整數(shù)個(gè)正弦調(diào)制 周期內(nèi)，將CCD焦平面陣列采集到的目標(biāo)視場(chǎng)的每一幅傳感圖像與采集該傳感圖像對(duì)應(yīng)時(shí) 刻的正弦信號(hào)相乘，然后再疊加成一幅最終去除了背景光的目標(biāo)圖像；目標(biāo)圖像最后通過 顯示器顯示出來。 其中，半導(dǎo)體激光產(chǎn)生的激光功率為50mW、波長(zhǎng)為650nm士3nm。光學(xué)濾波片光譜 范圍為650nm士5nm。 CCD焦平面陣列采集的傳感圖像大小1374X976像素，像素尺寸為 5. 2umX5. 2um，幀頻為24f/s。 采用上述激光鎖定成像方法及裝置對(duì)太陽光背景和火光背景下的坦克模型進(jìn)行 了實(shí)際成像驗(yàn)證?；鸸獗尘皩?shí)驗(yàn)時(shí)，將坦克模型置于火光和CCD圖像傳感器之間。太陽光 背景實(shí)驗(yàn)時(shí)，將目標(biāo)置于太陽和CCD圖像傳感器之間。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明提供的激光鎖定成 像方法及裝置對(duì)背景光的抑制效果非常明顯，目標(biāo)視場(chǎng)中的坦克模型清晰可辨。
權(quán)利要求
一種激光鎖定成像方法，包括以下步驟步驟1采用周期性的調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，所得調(diào)制激光經(jīng)光學(xué)透鏡發(fā)散后照射目標(biāo)視場(chǎng)；步驟2采用光譜范圍覆蓋且超過調(diào)制激光光譜范圍的光學(xué)濾波片對(duì)目標(biāo)視場(chǎng)的目標(biāo)散射激光和背景光進(jìn)行光學(xué)濾波處理；步驟3經(jīng)光學(xué)濾波處理后的目標(biāo)散射激光和背景光由CCD焦平面陣列勻速采集，獲得一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像；步驟4對(duì)步驟3所獲一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像進(jìn)行鑒相處理；設(shè)在步驟1中所述周期性調(diào)制信號(hào)的一個(gè)或整數(shù)個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，步驟3中所述CCD焦平面陣列采集到的目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的數(shù)量為N，具體過程如下步驟4-1將N幅傳感圖像中的任意一幅傳感圖像的所有象素點(diǎn)的灰度值與采集該傳感圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的周期性調(diào)制信號(hào)相乘；步驟4-2將全部經(jīng)步驟4-1處理后的N幅傳感圖像疊加在一起，就得到一幅最終去除了背景光的目標(biāo)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鎖定成像方法，其特征在于，步驟1中所述周期性的調(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)。
3. —種激光鎖定成像裝置，包括一個(gè)周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器、一個(gè)半導(dǎo)體激光器、一個(gè)光學(xué)發(fā)散透鏡、一個(gè)光學(xué)濾波片、一個(gè)CCD焦平面陣列、一個(gè)視頻處理電路和一個(gè)顯示屏；周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的周期性調(diào)制信號(hào)用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光，使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生周期性調(diào)制激光，周期性調(diào)制激光經(jīng)光學(xué)發(fā)散透鏡發(fā)散后照射目標(biāo)視場(chǎng)；目標(biāo)視場(chǎng)的目標(biāo)散射激光和背景光進(jìn)行光學(xué)濾波片濾波后，由CCD焦平面陣列勻速采集，獲得一系列目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像；將周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的周期性調(diào)制信號(hào)和CCD焦平面陣列勻速采集到的目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像存儲(chǔ)于視頻處理電路中的存儲(chǔ)器，由視頻處理電路完成目標(biāo)視場(chǎng)的傳感圖像的鑒相處理即在一個(gè)或整數(shù)個(gè)周期性調(diào)制信號(hào)的調(diào)制周期內(nèi)，將CCD焦平面陣列采集到的目標(biāo)視場(chǎng)的每一幅傳感圖像與采集該傳感圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的周期性調(diào)制信號(hào)相乘，然后再疊加成一幅最終去除了背景光的目標(biāo)圖像；目標(biāo)圖像最后通過顯示器顯示出來。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光鎖定成像裝置，其特征在于，所述周期性調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器為正弦信號(hào)產(chǎn)生器。
全文摘要
一種激光鎖定成像方法及裝置，屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及圖像處理技術(shù)。本發(fā)明采用周期性調(diào)制激光照射目標(biāo)區(qū)域，通過光學(xué)濾波濾除目標(biāo)視場(chǎng)部分背景光，再通過微弱信號(hào)檢測(cè)的鑒相處理，將目標(biāo)視場(chǎng)的目標(biāo)圖像從強(qiáng)背景光中提取出來。本發(fā)明可從強(qiáng)背景光中提取出清晰的目標(biāo)圖像，具有強(qiáng)大的背景光抑制能力。本發(fā)明可應(yīng)用于交通監(jiān)測(cè)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、武器裝備中的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和夜視裝備中。
文檔編號(hào)G01S17/89GK101770032SQ201010028098
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者余學(xué)才 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)