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激光锁定成像获取强背景光下的目标图像 target image acquisitio

归档日期:07-13       文本归类:激光导引头      文章编辑:爱尚语录

  激光锁定成像获取强背景光下的目标图像 target image acquisition in strong background light using laser lock-in imaging.pdf

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  第40卷 第12期 激光与红外 V01.40.No.12 2010年12月 LASER& INFRARED December,2010 文章编号:i001-5078(2010)12-1293-05 ·激光应用技术· 激光锁定成像获取强背景光下的目标图像 苏 柯,余学才,朱良销,王世阳,陈 涛 (电子科技大学光电信息学院,四川成都610054) 摘 要:提出了一种从强背景光下获取目标图像的激光锁定成像技术。锁定激光成像采用调 制激光照明所感兴趣的目标区域,CCD图像传感器同步获取图像,在CCD图像传感器前用光 学滤波器和衰减器降低进入CCD的强背景光以避免图像传感器饱和,运用图像鉴相技术对图 像进行处理。实验表明,激光锁定成像技术能够从强背景下获取目标图像。 关键词:激光检测;目标获取;锁定成像;强背景光 中图分类号:TP391.4 文献标识码:A ‘ in laser acquisitionstrongbackgroundlightusing Target‘geacquisition‘strongbackgroundlight lock-in imaging SU Tao Ke,YUXue—cai,ZHU Liang—xiao,WANGShi-yang,CHEN of ofElectronicScienceand of (School 610054,China) OptoelectronicInformation,University TechnologyChina。Chengdu Abstract:A oflaserlock-in in to is modula- technique imagingstrongbackgroundlightgettargetimagepresented.A laserisusedtoilluminateinterestedareawherethereare aCCD sensoris ted target stronglights,andimage employed tOtake utilizesan filtertoreduce intotheCCDto images synchronically.Thetechnique optical lightintensityentering avoid saturationand similarto discriminationinweak image performsimageprocessingphase signal.Theexperimental resultsshowthatthelaserlock—in is of from imagingcapablegettingimageclearlyverypowerfulbackgroundlights. This hasa of fromindustrial toaeronauticsurveillances. techniquevarietyapplications monitoring words:laser Key detection;targetrecognition;lock·inimaging;strongbackgroundlight l 引 言 的形态学方法旧j、混沌理论∞1、夜视红外成像技 当强背景光和所感兴趣的目标一同处于成像系 术【4。和激光主动成像技术等。激光主动成像技术 统的视场时,目标图像将湮没在强背景光或复杂背 使用激光作为照明光源,具有不受目标温度对比度 景中,使成像系统失去对目标的成像能力,目标图像 影响,识别能力强,成像x,-ttl.度高和对天气条件要求 难以获取。例如在光电对抗中,成像系统受到敌方 低等优点”J。 激光辐照时,CCD图像传感器会被致盲甚至被破 在强背景光下,处于图像传感器视场中强光源 坏。在卫星与空间碎片图像监测中,当图像传感器 处发出的部分强光是直射进入图像传感器,而进入 面对太阳光时,在强太阳光背景下图像传感器会饱 图像传感器的目标图像是某个照明光源经过目标散 和而失去获取卫星、空间碎片等目标图像的能力。 射后的光形成的图像。二者的差别一般远大于图像 强背景光下微弱图像信号的获取是图像信号处 传感器的动态范围。常用的CCD或CMOS图像传 理相关领域的研究热点,是目标图像跟踪与瞄准的 关键技术,在从军事到民用、机器人视觉、工业监测 基金项目:I司家。863”项F1(No.2010AM206)资助 作者简介:苏扣J(1986一),女,顾l:,乇要从‘jt吲像处理,光学 等领域有着广泛的应用前景。强光下微弱目标图像 的获取方法目前主要有基于小波变换¨。、神经网路 收稿日期:2010-06-29;修订日期:2010-09-08 万方数据 1294 激光与红外 第40卷 感器动态范围是60dB左右∞J,而强背景光和目标 显示等部分组成。对于激光照明主动成像,如果视 散射光的差别可达130dB。在这样大的差别下, 场内有很强背景光源,发出的强光会直射进入图像 图像传感器会出现大面积饱和。为了使进入CCD 传感器,经调制后的照明激光经过目标散射后进入 图像传感器强背景光在饱和阈值以下,需要大幅 图像传感器。为了避免图像传感器饱和,在强直射 度降低曝光时间、减小光圈或加足够光学衰减。 光光源下,CCD前面加光学滤波和足够的光学衰减 由此进入CCD图像传感器的目标图像极微弱,远 减弱进入图像传感器中的光强。 远低于图像传感器的最小照度,使得基于图像处 系统工作时,计算机发出,rIL脉冲,调制半导 理的微弱图像处理方法,例如小波变换、神经网路 体激光器,同时触发图像传感器同步采集图像。半 的形态学方法、混沌理论等都将失效。激光主动 导体激光器经过光学准直照明强背景光源所在区 成像技术“。使用激光作为照明光源,通过光学滤 域。在调制周期前半周(,ITllL电平为正),激光器发 波抑制强背景光,只让目标的散射激光进入图像 光,取若干帧图像;在调制周期后半周(1TrL电平为 传感器。但当进入图像传感器的强背景光仍然大 0),激光器不发光,取与前半周相同帧数的图像。 于目标散射激光时,仍然不能获得清晰的图像。 将前半周若干帧图像同一像素点的灰度累加,减去 需要特别指出的是,一般图像传感器由于视场很 后半周若干帧图像同一像素点灰度累加,就得到一 大,进入图像传感器的光有相当一部分是非傍轴 帧新的图像。这帧新的图像是消除了背景光的图 光线,使光学滤波的效果变差,一部分波长与激光 像,称为激光锁定成像。这个图像累加并相减的过 稍微不同的背景光仍然满足光学滤波片的透过条 程实际上就是弱信号检测中的鉴相过程,这个过程 件而进入图像传感器。 可以在不止一个调制周期的多个调制周期内进行, 本文提出的激光锁定成像技术,同时使用光学 多个调制周期的时间相当于鉴相中的积分时间。在 技术和弱信号检测技术一鉴相技术相结合的方式, 正弦调制下,信号与参考信号的乘积与正弦信号的 实现强背景光下的目标图像清晰提取,且具有一定 幅度和相位有关;在方波脉冲调制下,信号与参考信 的通用性,可以用于多种场合。 号的乘积就是正半周信号取正值,负半周信号取负 2系统原理框图 值,低通滤波过程就是一个信号积分过程。在图像 强背景光下的激光锁定目标图像获取系统如图 中,信号是离散的,所有帧图像相同像素点灰度累加 l所示,由激光器、CCD图像采集和计算机图像处理相当于一个积分过程。 图1系统方案框图 Block of scheme Fig.1 diagram system 3 图像灰度鉴相过程 变化的信号,相应的灰度信号也是正弦变化的,而背 为了说明原理,其中调制信号是通过DA卡发 景光对应的灰度信号是变化不确定的。在调制频率 出的一个数字正弦信号。激光受到调制后,目标散 的一个周期内取若干幅图像,和存贮于内存的正弦 射进入CCD焦平面阵列的光强是确定频率的正弦 信号进行鉴相,相关运算,将背景光的灰度滤除,只 万方数据 2010 1295 激光与红外No.12 苏柯等激光锁定成像获取强背景光下的目标图像 保留激光灰度信号。从而使只有激光照明的区域的 多的情况下获取图像,所以当背景光十分强大时, 灰度信号得以保留,背景光(包括探测器暗电流)被 在加足够强的光学衰减情况下,图像鉴相仍能够 完全滤除。图像鉴相处理流程图如图2所示。 将激光图像提取出来,所以整个系统有很强的背 景光抑制能力。 敦喜轰弦ln磊i忑五五磊五忑 4激光锁定成像实验 下一个像素点 实验采用两种不同强背景光场景,分别在是在 乘法器c_ky):s(m)×cmb,y) 晴天太阳下和夜间汽车灯照明下进行。 mW 实验一采用波长为650am、激光功率为40 灰虚值归^化 的半导体单色激光器照明坦克模型。实验在太阳光 灰度值累加: 直射背景下进行。太阳光直射到坦克模型上,CCD C(m)=C(m)+G(m+1) 面向太阳光。PC机上的DA卡是隔离通用12位 灰殷值J『1‘一化 下一个坐标(z,y) D/A板,输出为0—10V或一10V一+lOV,可通过 编程设定,实验中输出数字正弦信号峰峰值为4V, 对半导体激光器进行调制。半导体输出功率随调制 最终图像 电压线性变化。图像传感器采用高清晰度灰度图像 图2图像罄相沉程图 的黑白CCD感光芯片,共140万个像素,采用逐行 flowch/Lrlof Fig.2 imagephase 扫描,lObit.ADC输出。图像采样与激光器调制信 设CCD所采集的连续图像在一个调制周期内 号要求同步。在调制信号的一个周期内,CCD相机 取,v帧图像,第m帧图像的(戈,Y)点的灰度表示函 l 数为: 每隔÷1T个相位采集一帧灰度图像,在连续1个周 。 G(m)=G。(m)+G£(m) (1) 期内进行采样实际共采集14幅灰度图像。 式中,G。(m)为目标所散射的背景光的图像灰度 图3为图像传感器采集到的强日光照射下的原 (包括探测器的暗电流);G。(m)为目标所散射的激 始图像。包含了坦克图像和背景图像,坦克目标图像 光的图像灰度,由于正弦调制激光: 被湮没在强背景光中。使用经过调制的激光对目标 (2) GL(m)=G加(1+srsin((£,△fm+咖)) 区域进行照射,对数字图像信号进行鉴相积分计算 式中,G∞,咖为常数;孝为调制度;∞为调制角频率; 来提取目标图像。图4(a)为对调制信号1个周期 △f为两幅图像之间的时间差。 内采集14幅图像进行鉴相运算的处理结果。可以 经过乘法运算后: 看出,坦克图像比较清晰,说明在强日光将坦克目标 G肼(m)=(G占(m)+G∞(1+手sin(wmAt+咖))) 区域图像信号掩盖的情况下,利用此方案对目标区域 ×sin(wmAt)=(G口(m)+G∞)sin(wmAt)+ 内物体的识别和提取是可行的。由于积分时间只有 1 1 (3) 一个周期,使得所提取的激光图像灰度信号强度不 ÷G∞孝cos(咖)+{fG_[0cos(2wmAt+咖) 』-』o 大。通过增加积分时间,可以有效提高目标区域激光 G。(m)是满变化,经过积分后: 图像信号强度,积分时间越长,激光锁定成像图像越 『v 1 (4) GM=∑.G肘(m)=÷G加喈cos4, 清晰。如图4(a)一图4(d)所示,从图中可以看出, m=l ‘ 在单周期内采集图像帧数一定的情况下,增加积分时 经过以上算法处理背景灰度G。(m)几乎被完 间,目标图像灰度信号增强,图像显示更为清晰。 全滤除,仅剩下目标散射激光灰度信号,从而有效 提取出图像中复杂背景下的目标物体。图2中灰 度归一化是为了防止在图像求和过程中灰度等级 超过最大256。需要说明的是,除了图像鉴相有很 强背景光抑制能力之外,光学滤波也有一定的背 景光滤除能力。背景光在进入CCD图像传感器之 前,先用中性吸收片吸收衰减,然后再经过窄带光 图3强H光照射下坦克目标刳像 oftankunder Fig.3targetimage strongsudigIlt 学滤波。由于图像鉴相能够从比背景光灰度小得 万方数据 1296 激光与红外 第40卷 (a)1个周期 (b)2个周期 (c)4个周期 (d)8个周期 time time time time integral (d)S (a)Icycleintegral (b)2cyclesintegral (e)4cycles cyclesintegral 图4不同积分时间所得到的目标图像 indifferent time Fig.4targetimage integral 实验二是在夜间汽车远光灯强光照射下的激光 饱和有所缓解,但汽车及其周围仍是一片黑暗。图 锁定成像实验,实验在室外夜间街道环境下进行,采 5(d)是加上光学衰减后的图像,饱和进一步降低,图 w的近红外激光照明,系统工 用波长808llm、功率3 像还是一片黑暗。图5(e)一图5(g)是应用激光锁定 作时,计算机发出,rIL脉冲,调制半导体激光器,同时 成像技术在不同积分周期下获取的目标图像,由图 触发图像传感器同步采集图像。图5(a)是夜间实验5(e)一图5(g)可看出,积分周期为1个调制周期时, 环境,只有微弱路灯照明,图像一片漆黑;图5(b)是取两帧图像进行锁定成像运算,汽车轮廓隐约可见, 在30m远的汽车远光灯直射下CCD图像传感器由积分周期为2个调制周期时每个周期仍取两帧图像 于灯光太强出现大面积饱和图像;图5(C)是激光照进行运算,汽车及旁边的人隐约可见,4个周期时车 明后在图像传感器的面加上光学滤波后的图像,虽然 灯背景光完全被滤除,汽车及人清晰可见。 (a)汽车所在的仅I.日J (b)汽乍车灯和照明激光开启 (c)加卜光学滤波 (d)加上光学衰减片 环境图像 后的图像 后的图像 后的图像 environment underthecar after fill after (a)the (b)theimage lights(c)theimageInserting (d)theimage inserting night are ofacar andlaserturnon filter attenuation image optical optical (e)积分时『日J为1个调制周期(f)积分时间为2个调制周期的(g)积分时间为4个调制周期 的激光锁定成像 激光锁定成像 的激光锁定成像 laser laserlock—in (f)the]a/letlock—in lock—in (e)the image image (g)the image with4 time withinl time with2 time integral cycleintegral cyclesintegral cycles 图5夜问汽车照明灯下的激光锁定成像 thehlgerlock—in in andwithcar Fig.5 imagesnight lights 以上实验结果表明,激光锁定成像对目标物体 传感器进行图像采集,利用光学技术和图像鉴相技 的图像获取是可行的,随着鉴相积分目标图像逐渐 术提取激光照明的目标图像。实验成功地从太阳光 被凸显出来,强背景光被彻底消除,但是伴随着积分 背景和夜间汽车灯光背景下提取出被湮没的目标图 时间的增加,系统资源消耗有所增大,对系统的实时 像,证明激光锁定成像的确能从极强的背景光下获 性提出了更高的要求,因而在实际应用中要综合考 得目标图像,特别是夜间汽车灯光背景下获取汽车 虑目标图像清晰度和系统实时性来满足需要。 及其汽车旁边图像是极其困难的,原因是进入图像 5 结果与讨论 传感器的汽车灯光是经过灯罩准直后直射,而进入 本文提出一种获取强光背景下目标图像的激光 图像传感器的激光是与图像传感器处于相同位置的 锁定成像技术,实验验证了方案的可行性。实验采 激光发射照明汽车及其背景后散射回来的激光。所 用经过调制的激光对坦克目标区域进行照射,CCD 以车灯光到达图像传感器距离是激光从发射到接收 万方数据 2010 1297 激光与红外No.12 苏柯等激光锁定成像获取强背景光下的目标图像 的距离的一半,按照距离平方的衰减关系,进入图像 像的清晰度和分辨率,在军事、工业监测等领域将有 传感器的激光比进入图像传感器的车灯光小4倍; 着广泛的应用前景与实用价值。 汽车及其背景对激光的散射使仅有少量激光能够进 参考文献: 入图像传感器。因此即使在我们使用3W的激光 based Jian.Weakdetectiononwavelet 条件下,在30m的距离上进人图像传感器的车灯比 [1]Zhu signal analysis 激光仍然强很多。这种情况下激光锁定成像仍然能 [J].Communications (in 够获得清晰汽车及其周围的图像。 Chinese) 储健.基于小波变换分析的微弱信号检测研究[J].通 激光锁定成像取多帧图像获得一帧图像,因此 信技术,2008,8(41):17一19. 降低了图像传感器帧频,这是锁定成像必须付出的 Cardillo。Maher inelut· [2]John Sidhmed.Targetrecognition 时间代价。进入图像传感器强背景光和激光差别越 teredscene mathematics using 大,为了获得清晰的图像,锁定成像需要取的帧数越 Recognition.1996,129:27—49. 大,帧频下降越大。因此为了获得25f/s视频图像, on [3]Chen a1.Summary Wei,MengChen,WangCheng,et 所需要的图像传感器的帧频至少要比25帧高两倍, weak methodsbasedonchaos sig,“detection theory 图像传感器的帧频越高,获取一帧激光锁定成像所 [c].Electronic MI’09.9“InternationalConference 取的帧数越多,激光锁定成像就越清晰。另外,照明 on,IssueDate:Aug, 激光的功率越高,获得一帧激光锁定成像所需要的 2009:16一19. a1.Research 帧数就越低。照明激光功率和图像传感器帧频的确 [4]DeshengXin,JianjiaZhang,XiaohuiMa,et 011 ofsemiconductorlaserinthe of 定与具体应用强光背景有关,与目标的运动速度有 application system nightvision[J].Prec.SPIE。2005,5628:78. 关,激光的功率还要考虑人眼安全因素。例如在太 Sun,Hui-ehao Li.Performance [5]Hua-yah Guo,Ying-chun 阳光背景下进行空间监测,一般不需要考虑激光的 of active range-gated analysis imagingsystem[J].Prec. 人眼安全问题,激光功率可以尽可能大一些;在夜间 SPIE,2009,7382:73822E. 汽车灯光环境下,激光器的功率和波长选择需要考 of [6]WangZhon#i。Zhaoqingjie.Technologyhighdynamic 虑人眼安全因素,图像传感器帧频就需要考虑汽车 image range reconstruction[J].OpticalTechnology,2006, 的运动速度,基本的原则是获取一帧激光锁定成像 8(SI):279—282.(inChinese) 时间内,目标的移动距离小于一个像素。对于固定 王忠立,赵清洁.高动态图像获取技术[J].光学技术. 目标(例如高炉和液体金属监测)的激光锁定成像, 2006。8(SI):279—282. ac- oflaser [7]ZhangXi,SunHnayan.Pedormanceanalysis 图像传感器的帧频可以选择低一些。如果用调Q tire detection based imaging system on“cateye”Effect 激光作照明光源,激光锁定成像预计有更好的效果。 Chi— 调Q激光的峰值功率比较高,脉冲宽度比较窄,因 nese) 此允许图像传感器时曝光间可以很短,进入图像传 张曦。孙华燕.基于“猫眼”效应的激光主动成像探测系 感器的背景光能量就比较小。但调Q激光器比半 统性能分析[J].激光与红外,2007.37(5):405—407. 导体激光器复杂,体积也比较大,而且目前使用广泛 Shuwei.ZhuHaibo.【a8eractive [8]ZhangShengchong。Tang 的波长1.06肛m调Q激光器,CCD或CMOS图像传 imagingtechnology[J].Electro-OpticTechnologyAppli- 感器的响应下降明显。 cation。2009.6(3):9一11.(inChinese) 激光锁定成像技术在进一步研究发展方向上可 张晟种,唐树威,朱海波.激光主动成像技术研究[J]. 与先进的图像处理技术相结合,进一步提高目标图 光电技术应用,2009.6(3):9一11. 万方数据

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