距離選通自主成像自適應(yīng)mcp增益調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及距離選通自主成像領(lǐng)域，尤其涉及一種距離選通自主成像中自適應(yīng) MCP增益調(diào)節(jié)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來以獲取目標空間信息為目的的距離選通激光成像技術(shù)在夜視、水下成像、 空間成像、生物醫(yī)學(xué)成像以及三維成像等領(lǐng)域發(fā)展迅速。欲有效抑制環(huán)境雜散光后向散射 的干擾，距離選通自主成像技術(shù)通常選用ns級脈沖激光作為照明光源，和具有ns級選通功 能的選通成像器件收集回波信號，并且在目標回波信號到達成像器件時，選通門打開，其他 時間關(guān)閉。目前國內(nèi)外用于距離成像技術(shù)的選通成像器件主要有ICXD和ICM0S，即在CCD和 CMOS圖像傳感器前加裝選通選通型像增強器。選通型像增強器不僅僅是作為選通門實現(xiàn)ns 級選通作用，更重要的是可以對弱光信號放大。選通型像增強器主要由光陰極、微通道板 (MicroChannel Plate，MCP)和熒光屏組成。其中，選通型像增強器對弱光信號的放大作用 主要是通過MCP對經(jīng)由光陰極轉(zhuǎn)換而來的電信號倍增實現(xiàn)的，MCP增益越大，對弱光信號的 放大作用越強。在實際應(yīng)用中，一方面MCP增益會直接影響距離選通自主成像系統(tǒng)的成像信 噪比和對比度，從而影響后續(xù)信息獲取的準確性和難易程度，另一方面相同的MCP增益下， 環(huán)境改變時容易引入強光，從而損壞熒光屏乃至整個ICXD或ICM0S器件。傳統(tǒng)的MCP增益調(diào) 節(jié)方法是人眼根據(jù)ICCD或ICM0S圖像亮度手動地進行調(diào)節(jié)，這種方法存在較大的不足:首先 實時性較差：當人眼看到強光的入侵到手動降低MCP增益，可能需要數(shù)秒甚至數(shù)分鐘的時 間，這個時間足以導(dǎo)致熒光屏的損壞;其次，手動調(diào)節(jié)MCP增益主觀性大，精度差，難以調(diào)節(jié) 至適合的MCP增益以方便后期的圖像提取及目標識別；最后，在距離選通自主成像系統(tǒng)工作 過程中，無法手動調(diào)節(jié)MCP增益，固定的MCP增益限制了距離選通自主成像系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng) 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對傳統(tǒng)手動調(diào)節(jié)MCP增益方法存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的是提出一種 自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)的方法，以實現(xiàn)距離選通自主成像系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)地調(diào) 節(jié)MCP增益，以達到保護成像器件和增強系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的目的。
[0004] 為達到以上目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0005] -種距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)的方法，該方法首先對圖像進行灰度 標定，獲取適合后期目標提取及識別的低灰度閾值Gi和高灰度閾值G 2,以及與之對應(yīng)的低像 素數(shù)閾值仏和高像素數(shù)閾值N2;工作過程中，對ICCD或I CMOS采集到的圖像進行灰度直方圖 分析，得到基于灰度直方圖的分布特征；隨后，根據(jù)灰度直方圖分布特征，統(tǒng)計灰度值小于 低灰度閾值&的像素個數(shù)m和灰度值大于高灰度閾值G 2的像素個數(shù)n2。若112大于高像素數(shù)閾 值N2，則在當前圖像MCP增益的基礎(chǔ)上減小MCP增益，減小量為σ;否則，若m小于低像素數(shù)閾 值Ni，則在當前圖像MCP增益的基礎(chǔ)上增大MCP增益，增大量為σ;否則，MCP增益維持當前值 不變。完成當前幀后，進入下一幀，并重復(fù)以上過程，在環(huán)境不發(fā)生明顯變化時，圖像會在毫 秒量級的時間內(nèi)穩(wěn)定在小于灰度閾值61的像素數(shù)小于像素數(shù)閾值Λ、大于灰度閾值62的像 素數(shù)大于像素數(shù)閾值他的狀態(tài)。
[0006] 上述方案中，所述灰度標定是指，通過調(diào)節(jié)MCP增益獲取不同平均灰度的目標圖 像，通過分析不同平均灰度的目標圖像，獲得適合后期目標提取和識別的圖像平均灰度范 圍以及目標所占的平均像素數(shù)范圍。標定過程中，目標、目標場景、目標距離以及系統(tǒng)參數(shù) 的選取都是根據(jù)實際的需求選取的，并且在標定過程中保持一致;手動調(diào)節(jié)MCP增益從低到 高等步長增大，獲取平均灰度值從低到高的目標圖像。后期利用目標分割和識別算法對獲 取的不同灰度級的圖片進行處理，從而得到適合目標分割和識別的目標平均灰度范圍(&， G2)，以及所占像素數(shù)范圍(1犯）。其中，Gi定義為低灰度閾值，G2定義為高灰度閾值，Λ定義 為低像素數(shù)閾值，Ν2定義為高像素數(shù)閾值。
[0007] 上述方案中，所述灰度直方圖分析是對灰度圖像進行統(tǒng)計分析的一種方法，用于 統(tǒng)計整幅圖像中不同灰度值所占的像素數(shù)?；叶戎狈綀D分析具體包括:逐像素遍歷整幅圖 像，統(tǒng)計各個灰度值所占的像素個數(shù)，然后在橫坐標上從左到右按照灰度值從小到大的次 序依次標示出各個灰度值，縱坐標對應(yīng)為像素數(shù)。
[0008] 上述方案中，所述對灰度值小于&的像素個數(shù)m的統(tǒng)計，是通過統(tǒng)計在灰度直方圖 中灰度值&左側(cè)的灰度級的像素數(shù)的總和得到的;對灰度值大于G 2的像素個數(shù)n2的統(tǒng)計，是 通過統(tǒng)計在灰度直方圖中灰度值G2右側(cè)的灰度級的像素數(shù)的總和得到的。
[0009] 上述方案中，所述增大或減小MCP增益，是通過調(diào)節(jié)MCP增益調(diào)節(jié)電壓值來實現(xiàn)的。 工作中，MCP增益隨著加載在MCP上的高壓的增大而增大，而加載在MCP上的高壓又和MCP增 益調(diào)節(jié)電壓具有線性(線性遞增或線性遞減）的對應(yīng)的關(guān)系。MCP增益調(diào)節(jié)電壓可以由單片 機的D/A口輸出提供。實際工作中，信息處理模塊將數(shù)字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓值通過串口 傳送給單片機，單片機通過內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號，即MCP增益調(diào)節(jié)電壓 并輸出給選通型像增強器，即可實現(xiàn)對MCP增益的調(diào)節(jié)。
[0010] 上述方案中，所述的MCP增益值的改變量〇是在單片機輸出的MCP增益調(diào)節(jié)電壓改 變量為最小值時取得的。若單片機D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為Ν，參考電壓為V REF，則單片機輸出的 MCP增益調(diào)節(jié)電壓的最小改變量△ V為：
[0011]
(1)
[0012] 根據(jù)MCP增益調(diào)節(jié)電壓和MCP增益倍數(shù)之間的單調(diào)性對應(yīng)曲線關(guān)系，即可得出在任 何位置MCP增益倍數(shù)的最小改變量。當MCP增益調(diào)節(jié)電壓和MCP增益之間單調(diào)線性對應(yīng)時，若 單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，MCP的最大增益倍數(shù)為Μ，則當單片機輸出的MCP增益調(diào) 節(jié)電壓改變量取最小值時，MCP增益倍數(shù)的改變量σ也最小，取值為：
[0013]
(2)
[0014] 上述方案中，所述的MCP增益值的改變量σ取值越小，則精度越高，但調(diào)節(jié)至合適的 MCP值的速度越慢，反之亦然。本發(fā)明中MCP增益值的改變量σ取為最小值，這是由于本發(fā)明 提出的自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法處理單幅圖像的平均時間在亞毫米量級，即使MCP增益值的 改變量σ取為最小，也可在毫米量級的時間內(nèi)調(diào)節(jié)至合適的MCP值并在環(huán)境不發(fā)生變化時穩(wěn) 定圖像，滿足實際需求，同時保證了以最高的調(diào)節(jié)精度調(diào)節(jié)。
[0015] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 1.利用本發(fā)明，由于通過采用串口通信來調(diào)節(jié)MCP增益，速度快，在環(huán)境中出現(xiàn)強 光時可在數(shù)毫秒內(nèi)迅速降低MCP增益，相對于傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)，不僅有效地保護了成像器 件，并且在強光下依然可正常工作，達到了強光抑制的作用；
[0017] 2.利用本發(fā)明，由于可對MCP增益進行定量的調(diào)節(jié)，相對于傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)，精度 大，準確性高，較易獲得適合后期圖像提取和目標識別的MCP增益。
[0018] 3.利用本發(fā)明，在距離選通自主成像系統(tǒng)中，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境特點自適應(yīng)的調(diào)節(jié) MCP增益，大大增強了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0019] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中：
[0020] 圖1是距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
[0021]圖2是自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)流程圖。
[0022] 附圖標記說明：
[0023] 1是圖像傳感器，2是選通型選通型像增強器，3是單片機，4是信息處理模塊，5是自 適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明提供的距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益方法是基于圖像傳感器1、選通型 像增強器2、單片機3、信息處理模塊4和自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5所構(gòu)成的系統(tǒng)實現(xiàn)的，如 圖1所示。其中，選通型像增強器2不僅是作為選通門實現(xiàn)ns級選通作用，更重要的是可以對 微弱的目標回波光信號放大，其中選通型像增強器2對弱光信號的放大倍數(shù)（即MCP增益倍 數(shù))和單片機3輸入到選通型像增強器2的MCP增益調(diào)節(jié)電壓具有單調(diào)性的對應(yīng)關(guān)系;放大了 的目標回波光信號被圖像傳感器1收集成像，并由圖像傳感器1上傳圖像至信息處理模塊4; 自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5將自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法由C++語言基于OpenCV計算機視覺庫 編程實現(xiàn)，并被嵌入到信息處理模塊4中；自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5對圖像分析后，產(chǎn)生數(shù) 字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓，并通過串口傳送至單片機3的數(shù)字I/O 口；單片機3通過內(nèi)部的D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓并輸出給選通型像增強器2。
[0025] 以下部分將對自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法進行詳細說明。首先通過灰度標定獲得適 合后期目標提取和識別的圖像平均灰度范圍以及目標所占的平均像素數(shù)范圍。標定過程 中，目標、目標場景、目標距離以及系統(tǒng)參數(shù)的選取都是根據(jù)實際的需求選取的，并且在標 定過程中保持一致;手動調(diào)節(jié)MCP增益從低到高等步長增大，獲取平均灰度值從低到高的目 標圖像。