基于扫描振镜的光电成像跟踪系统

摘要

基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，主要包括望远镜系统、光路缩束系统、扫描振镜及其信号发生器、CCD面阵探测器、耠合透镜和数据处理机等主要组成部分，其特点在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个高速光学扫描振镜。本发明使目前的光电成像跟踪系统具备在白天强背景下对弱目标信号进行目标探测、跟踪的能力，大幅提高跟踪系统的工作效率。

权利要求

1.基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，包括望远镜系统、光路缩束系统、面阵光电探测器CCD、耠合透镜和数据处理机，其特征在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个高速切换并按时产生视场偏转角的扫描振镜和控制扫描振镜工作的信号发生器，当扫描振镜将按照信号发生器输入的信号工作不产生偏转时，此时目标光和背景光同时经过视场光阑在CCD上成像，从而CCD采集到一帧信号加背景的图像；然后扫描振镜在信号发生器输入信号的驱动下进行高速偏转，偏转完成后扫描振镜进入产生了视场偏转角状态，利用目标光和背景光的视场差异，使目标光偏出视场光阑的限制范围，只让背景光通过视场光阑在CCD上成像，从而CCD采集到一帧纯背景信号，利用前一帧图像减去后一帧图像即可完成背景光的消除功能；

所述的扫描振镜的工作频率和工作方式均由信号发生器的函数波形来决定，它有三个不同的工作状态，状态1为扫描振镜处于某一静止状态，此时光路正常对准，信号光顺利经过振镜的反射后经过视场光阑和微透镜阵列后进入CCD，同时，背景光也进入CCD，CCD处于工作状态；状态2为扫描振镜处于高速扫描运动状态，此时CCD机械快门关闭，不接收信号；状态3为扫描振镜处于另一静止状态，此时光路因为有了扫描振镜的一个偏转角θ，而使得小视场的目标光不能透过视场光阑从而不能在CCD上成像，但是背景光视场足够大而不受视场光阑影响，照常成像在CCD上，CCD处于工作状态。

2.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的扫描振镜的视场偏转角θ为2°～4°。

3.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的视场光阑为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑。

4.根据权利要求3所述的基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的中心通光孔径精密程度相等，厚度为0.8～1.2mm，中心通光圆孔的直径为1-2mm。

5.根据权利要求1所述基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，其特征在于：所述的望远镜系统包括主镜、次镜和反射镜，主要完成对目标信号的收集并通过次镜缩束再反射后输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种跟踪系统，特别是一种基于扫描振镜的光电成像跟踪系统。主要应用于目标探测、捕获、跟踪等领域，实现强背景下弱目标信号的捕获、跟踪以及精确定位技术。

背景技术

关于目标的探测和跟踪课题，一直以来都是国内外研究的重点和热点，很多学者和工程技术人员也一直致力于发展更加精确、高速的目标跟踪系统。
对目标的探测、跟踪，按跟踪的方式主要分为两大类，一类是仅利用目标的辐射强度作为跟踪信息的主动探测设备(比如雷达)，另一类就是利用光电转换器件(如CCD)进行目标光电成像的跟踪系统，它集合图像处理、自动控制及信息科学有机结合和交叉的技术，利用图像视觉信息进行目标跟踪，可利用的信息量非常丰富；光电成像跟踪系统相对非成像跟踪系统具有很明显的优越性，主要表现在：
(1)属被动式设备探测装置，电视和红外成像跟踪采用无源工作方式，通过探测器成像来获取景物信息，不会受到电子干扰。而绝大多数雷达属主动探测设备，容易遭到电子干扰，事实证明要保持绝对“电子寂静”，唯一可选的是象光电成像跟踪系统这样的被动式探测装置。
(2)可全方位探测，跟踪精度高。电视和红外探测不受探测角度限制，不象雷达探测存在死角，对于低高度角的目标跟踪非常有效。
(3)图像直观可见，分辨率高。
(4)红外探测器和微光电视的运用使成像跟踪系统可全天候工作。
(5)相对于微波雷达等非成像跟踪设备，电视和红外成像跟踪器性价比较高。
目前的大部分光电成像跟踪系统(其光路原理如图1所示)的后续跟踪算法采用质心跟踪或形心跟踪算法，需要对所采集的图像进行图像分割以去掉背景提取出目标信号，再对单纯的目标信号图像进行质心计算或形心计算，输出目标的准确方位信息。但是，在强背景且背景不均匀条件下(比如白天工作)，目标信号能量相对于背景信号能量很小时，再采用传统的图像分割算法将很难合理的分割出目标信号的图像，也就很难再得到合理、准确的目标质心或形心位置，因此将很容易出现目标检测上的困难和跟踪上的丢失目标等问题。
目前大部分的光电成像跟踪系统在强背景(或白天工作)都存在一个如何合理、快捷的消除强背景影响的问题；并且，对于大视场(在分的量级上)光电跟踪设备而言，光学系统的渐晕效应影响较大，将会导致背景信号在成像靶面上中心强边缘弱的不均匀性，而传统的单一阈值图像分割算法对不均匀背景的处理效果却极其有限。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服的传统的光电成像跟踪系统不能在强背景、背景不均匀条件下正常工作取得良好跟踪效果的缺点，提供一种具备强背景、背景不均匀条件下目标光电成像探测、跟踪能力的光电跟踪系统基于扫描振镜的光电成像跟踪系统，它能够在强背景、背景不均匀(比如白天工作)条件下，实现对目标信号的探测和稳定跟踪，大幅提高目前光电成像跟踪系统的工作效率。
本发明的技术解决方案：基于扫描振镜的光电成像跟踪系统主要包括望远镜系统、光路缩束系统、扫描振镜及其信号发生器、光电探测器CCD、耠合透镜和数据处理机，其特点在于：在所述的光路缩束系统的入瞳匹配透镜和出瞳匹配透镜之间、缩束焦点之前设置一个可以高速切换并按时产生一定视场偏转角θ(偏转角的θ大小需要根据实际系统参数确定，对目前常用的光电成像跟踪系统其典型值一般在2°到4°)的扫描振镜。通过高速光学扫描振镜在不同工作状态间的高速切换和随后的图像处理工作来实现对强背景、非均匀背景的消除功能。
本发明的原理：在强背景或背景不均匀条件下，进入光电成像跟踪系统的光信号包括强的背景光和弱的目标光，利用它们之间最本质的区别“视场差异很大”来完成消除天光背景影响的功能。一般来说，常用光电成像跟踪系统能够探测和跟踪目标的视场FOV1(field of view)很小，大约在8′(1°＝60′)左右，但是严重影响目标跟踪探测的背景信号的视场FOV2却远远大于目标光视场，一般背景信号来源于大气中无限扩展的天光、大气散射、气溶胶散射等，其视场不如目标信号视场那样集中，同时，背景信号变化的频率也不如目标信号变化的频率高。因此，本发明根据目标信号和背景信号“视场和变化频率相差巨大”的特点，以“视场偏移”为基本工作原理，提出“基于扫描振镜的光电成像跟踪系统”。
其原理如光路图2所示，从望远镜接收到的总信号(包括目标信号和强背景信号)经过一系列光反射镜改变光路方向后进入光路缩束系统。高速光学扫描振镜将按照信号发生器输入的信号工作，在状态1时振镜不产生偏转，使目标光和背景光同时经过视场光阑在CCD上成像，从而CCD采集到一帧信号加背景的图像；然后扫描振镜在输入信号的驱动下进行高速偏转，此为状态2；然后偏转完成后进入状态3，产生了一个指定的视场偏转角度，利用目标光和背景光的视场差异，使目标光偏出视场光阑的限制范围，只让背景光顺利通过视场光阑在CCD上成像，从而CCD采集到一帧纯背景信号，利用前一帧图像减去后一帧图像即可完成背景光的消除功能。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明使传统的光电成像跟踪系统无法在强背景非均匀背景条件下稳定工作的状况得到改善，使现在的光电成像跟踪系统的工作效率得到大幅度的提高。另外，本发明提出的设备结构在制作上很多可以沿用传统的技术，不需要过多额外的技术成本，方便实用。

附图说明

图1为传统光电成像跟踪系统光路结构示意图；
图2为本发明的光路结构示意图；
图3为本发明的光路、器件分解结构说明示意图；
图4为本发明提出的高频扫描振镜的理想工作时输入函数波形；
图5为本发明提出的高频扫描振镜的实际工作时输入函数波形；
图6为本发明仿真的目标和背景混合信号图像；
图7为本发明仿真的背景信号图像；
图8为本发明仿真进行视场偏移处理后得到的信号图像。

具体实施方式

如图1所示，传统的光电成像跟踪系统主要包括望远镜系统、光路缩束系统、面阵光电探测器CCD和数据处理机等主要部分组成，它利用CCD对入射的目标光在光敏面上能量的分布情况进行质心位置计算；
CCD主要是根据下面的公式(1)计算光斑的位置(xi，yi)，探测目标的位置信息：
$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{nm}}}---\left(1\right)$
式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD11光敏靶面上对应的像素区域，Inm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，xnm，ynm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。
然而，在实际的工程系统中，由于系统误差尤其是CCD光电探测器自身不可避免的噪声带来误差的原因，CCD所探测到的Inm实际上并不全是目标信号的能量，还包括背景杂光和CCD器件的暗电平等噪声能量，即有：
Inm＝Snm+Bnm                                (2)
其中Snm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号能量，Bnm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的背景噪声能量；
因此有：
$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{x}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{x}_B---\left(3\right)$
$y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{y}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{y}_B$
上述(3)式中的sbr定义为信号光能量和非信号光能量(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等背景能量的总和)的比值；
从上述(3)式可以很明显的看出，实际CCD所探测到的质心位置是有效目标信号质心与背景(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等总背景)质心的加权平均值，权重由目标信号光与背景能量之比sbr决定，这就决定了传统光电成像跟踪系统存在的原理性约束：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，则由(4)式计算得到的质心位置必然不再准确，因此，传统光电成像跟踪系统必然不再具备对强背景下弱目标信号进行精确探测、跟踪的能力。
如图2所示，本发明主要包括望远镜系统、光路缩束系统、扫描振镜7及其信号发生器12、光电探测器CCD11、耠合透镜10和数据处理机13组成，其中光路缩束系统由入瞳匹配透镜6和、视场光阑8和出瞳匹配透镜9组成，望远镜系统包括主镜1、次镜2和反射镜3、4、5，主要完成对目标信号的收集并通过次镜缩束后输出和反射。在光路缩束系统中两匹配透镜中心焦点前放置一个可以按时序高速偏转并产生一个制定视场偏转角θ的光学扫描振镜。扫描振镜有三个比较明显的工作状态。状态1为扫描振镜7处于某一静止状态，此时光路正常对准，信号光顺利经过扫描振镜7的反射后经过视场光阑8再经出瞳匹配透镜9和耦合物镜10后进入探测器11，同时，背景光也进入CCD探测器11，CCD探测器11处于工作状态；状态2为扫描振镜2处于高速扫描运动状态，此时CCD机械快门关闭，不接收信号；状态3为扫描振镜2处于另一静止状态，此时光路因为有了扫描振镜的一个小角度θ的偏移，而使得小视场的目标光不能透过视场光阑8(视场光阑8的中心通光孔径大小需要根据实际系统参数确定，其典型值一般在1-2mm)从而不在CCD探测器11上成像，但是背景光视场足够大而不受视场光阑8影响，照常成像在CCD探测器11上，CCD探测器11处于工作状态。上述高频扫描振镜7的三个工作状态的控制完全通过信号发生器给它输入波形的控制来完成；图4是所需要理想的扫描振镜7的工作波形，即为方波信号工作模式，然而，实际上，扫描振镜在从一个状态1到状态3是需要时间的，即它不可能完全的立即产生一个偏角而到达状态3，因此，图5是实际需要输入的工作波形。显然0-t1为状态1，t1-t12为状态2，t12-t2为状态3。
因此，在本发明中，为了尽量减小系统误差的影响，对扫描振镜的性能要求比较高，即扫描振镜7按照所要求的波形工作，这对最终视场偏移减背景处理后的效果有很重要的意义。
如图3所示，本发明的主要功能是在强天光(扩展背景)下进行弱目标信号的目标检测和跟踪，它的具体工作步骤如下：
首先，弱目标信号和强扩展天光背景信号的混合信号一起进入本发明结构中的第一个部件望远镜系统，通过一系列光学元器件的反射、缩束后进入组合光路缩束系统之入瞳匹配透镜6；
其次，在入瞳匹配透镜6接收到入射总信号(包括目标信号和强背景信号)后，如果按照传统的光电成像跟踪系统，入射总信号将依次通过如图3所示的视场光阑8和出瞳匹配透镜9并最后被耦合透镜10耦合后进入面阵光电探测器CD11进行位置探测，这样情况下，如果有强背景并且背景还带有一定程度的非均匀性的影响，根据本发明具体实施方式中3式的推导结果，将不能合理、精确的得到目标位置，因此本发明提出在光路的中心缩束焦点之前放置一个可以按时序高速偏转的扫描振镜7，在状态1时，探测器11处于工作状态，同时采集得到一帧目标和背景的混合信号(如仿真图6所示)，然后，根据信号发生器输入的工作波形，控制扫描振镜7在状态1结束后马上进入状态2，立即以很高的工作频率(此工作频率要依据实际系统的需要而定，典型值一般在1KHZ左右)在很短的时间(一般在1ms左右)内做横向(或纵向，依据实际工作光路而言)扫描，逐渐的产生一个偏角θ，在状态2中，CCD探测器11处于关闭状态，即CCD探测器11不进行任何图像采集工作，这样直到状态2结束。在状态2结束后，扫描振镜7进入状态3，即扫描振镜7此时处于静止状态，相对状态1有一个已知的偏转角度θ，这时，由于扫描振镜7有了一个很小的偏角θ，目标光视场FOV1一般很小，并且满足FOV1＜θ的条件下，目标光将被视场光阑8的视场光阑被挡住，而不能进入出瞳匹配透镜9，因此也就不能在CCD探测器11的光敏面上成像；但是，背景光视场FOV2＞＞FOV1，因此，背景光将几乎不受视场偏移角度θ的影响，而照常顺利的经过出瞳匹配透镜9，接着进入耦合物镜10，然后进入CCD探测器11的光敏面；同时，CCD探测器11也进入工作状态，并开始在状态3的时间之内采集图像。如图7所示，为采集到的没有了目标光的图像，这样，CCD探测器11就完成了背景图像的采集工作。综合所述，即是在系统不同的工作状态，通过7的高速按时序的偏转，依次使信号背景混个信号和纯背景信号在面阵光电探测器CCDF11上成像。
最后，在前两步工作的基础上，在探测器11上依次得到了目标、背景的混合信号的成像图和单纯背景信号的成像图，对这两幅图像做一个对应像素相减的图像处理，即可得到消除了背景影响的单纯信号图像如图8所示，从图8和图6的对比可以看出，本发明基本上完成了从强背景下提取出弱目标信号的功能，得到了比较清晰的信号图像如图8所示；
根据图8得到的信号图像，利用前述具体实施方式中公式(1)的推导，可以很顺利的通过质心算法(或形心算法)计算得到成像靶面上目标信号的具体位置信息。
根据在像面上得到的目标信号的位置信息，再联合望远镜系统所对天区的方位信息，则可以很简单的得到目标在实际天区中的具体方位信息，根据当前的具体方位信息判断目标的运动方向再驱动望远镜系统继续对准目标的方向，即完成对目标的检测、跟踪任务。
本发明中的视场光阑为具有厚度、中心有精密通光圆孔的高精密视场光阑。所述的中心通光孔径精密程度相等，厚度为0.8～1.2mm，中心通光圆孔的直径为1-2mm。