本發明涉及一種紅外融合視覺探測系統,尤其涉及一種基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測系統。
背景技術：
紅外熱像技術是利用紅外探測器將不可見的紅外輻射轉換成可見圖像的一種技術。其發展初期常采用紅外單元傳感器結合光機掃描裝置獲取目標紅外圖像。上世紀八十年代開始，國際上開始研究并應用紅外焦平面陣列(IRFPA)作為熱像儀中的傳感器，包括制冷型及非制冷型IRFPA，及量子阱(QWIP)、量子點(QDIP)等基于量子效應的新型探測器等。國際上第三代IRFPA已在成像面積、像元規模及多色成像等方面取得進展，如美國Teledyne公司為NASA 2011年投入使用的韋伯太空望遠鏡提供了高達4096×4096像元的碲鎘汞IRFPA；另外1024×1024像元的QWIP中長波IRFPA及四色IRFPA也已研制成功。
雖然高分辨IRFPA提高了熱圖像的分辨率，但常規紅外熱像方法只能獲取目標局部成像平面熱像圖，其提供的信息有限。目前航空航天、國防軍事、工業各部門對能提供目標精確信息的熱像技術的需求迫切。由于實際目標大都包括部分光學厚表面或部分處于光學厚材料構成的外界障礙的包圍之中，對目標的紅外立體探測成為巨大的難題，急需目標紅外體熱像的測量方法與手段。
針對該問題，本發明提出一種紅外融合視覺方法，將自由空間光纖束層析(Optical Fiber Bundle Tomography in Free Space，簡稱OFBT)與多目視覺(Multi-view Vision，簡稱MV)信息融合。以實現待測目標立體熱成像并可計算發射率、透射率、溫度等物理參數的三維分布。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測系統。以MV重構目標表面光學厚區域黑體通帶輻射強度分布，并將MV重構的目標表面不同區域邊界點坐標及其對應的通帶黑體輻射強度作為OFBT約束條件，高精度反演目標光學薄區域內部各點對應的通帶黑體輻射強度場分布，從而實現待測目標立體熱成像并計算出其空間三維熱物理量分布。
本發明的技術方案是這樣來實現的，基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測的硬件系統主要由測試平臺、光纖束層析子系統、紅外視覺子系統、千兆交換機、計算機組成；
其中光纖束層析子系統包含有n個OFB(即Optical fiber bundle，光纖束)，n為大于等于4的整數，即從第一個OFB、第二個OFB、第三個OFB一直到第n個OFB；n個三角架、n個空間濾波器；n個通帶濾光片；n個長波器件陣列及其對應的模擬放大器和數字信號處理電路；
每個OFB由p根均勻分布的光纖傳感單元組成，p為大于等于10的整數的平方。每根光纖傳感單元由傳感頭、輸入耦合器、傳感光纖、輸出耦合器、長波單元器件組成。屬于一個OFB的p根光纖傳感單元中的共計p個長波單元器件按順序排列組成一個長波器件陣列。光纖傳感單元的傳感頭的外徑與空間濾波器的定位孔的內徑相當，屬于一個OFB的根光纖傳感單元中的共計個傳感頭作為一組，按順序裝進空間濾波器的定位孔中并固定，傳感頭中心開有準直孔，允許光線沿直線進入傳感頭；空間濾波器前裝配同尺寸的通帶濾光片，對進入OFB所有光纖傳感單元的光進行通帶濾光；每個OFB都固定在三角架的云臺上，其位置可方便調節；傳感光纖通過輸入耦合器與傳感頭連接，通過輸出耦合器與長波單元器件相連；長波器件陣列的傳感信號可經模擬放大器進行放大，再經數字信號處理電路進行處理，處理結果通過處理端RJ45網絡接口向外傳送；
紅外視覺子系統包括有m個紅外視覺模組，m為大于等于4的整數；測試平臺上有m個平動導軌和一個旋轉導軌；m個紅外視覺模組安裝在這m個平動導軌上，可沿平動導軌作一維平動及繞旋轉導軌旋轉，到預期空間及角度位置后可固定；紅外視覺模組主要包含紅外變焦鏡頭和紅外面陣，紅外面陣控制與驅動電路上有傳感端RJ45網絡接口，紅外圖像數據可通過該接口向外傳送；
千兆交換機將計算機、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統組成千兆局域網，所有處理端RJ45網絡接口以及傳感端RJ45網絡接口及計算機的網絡接口都通過雙絞線與千兆交換機的網絡接口相連。計算機通過該千兆局域網對光纖束層析子系統與紅外視覺子系統進行控制，并獲取光纖束層析子系統的處理結果及與紅外視覺子系統輸出的紅外圖像數據，從而實現計算機、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統之間的千兆級高速數據傳輸。
基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測方法其步驟為：
(1)采用黑體爐進行OFB通帶輻射標定
每個OFB中一根光纖傳感單元探測一根紅外輻射線，傳感光纖采用紅外光纖(空芯熱紅外元件可低損耗傳輸8～14μm熱紅外輻射)經輸出耦合器耦合長波單元器件實現通帶光纖束層析數據采集，把所受輻射轉化為模擬電壓,經放大及A/D變換后成為數字量。
n個OFB的共計n乘以p根光纖傳感單元的每個長波單元器件位置所對應的通帶黑體輻射強度It,j與數字量的關系都必須進行預先標定，It為通帶黑體輻射強度，j為待標定的長波單元器件所屬光纖傳感單元的序號，采用的方法為：
選擇光纖束層析探測波長范圍8～14μm，調節黑體爐溫度至某一溫度T，根據普朗克黑體輻射公式計算溫度T對應的通帶黑體輻射強度It(即黑體溫度T下的輻射曲線在8～14μm范圍的面積)。離黑體爐輻射腔距離L處，固定放置一待標定的光纖傳感單元，使其傳感頭端面對準并垂直于輻射腔中心，測得光纖傳感單元輸出數字量為D。記錄上述的一組參數值(L,It,D)。調節黑體爐溫度T，記錄另一組參數值(L,It,D),完成整個黑體爐溫度范圍的標定后，改變L，重復以上步驟，可實現不同距離下，不同通帶黑體輻射強度下，光纖傳感單元輸出數字量的標定。由于每根光纖傳感單元的長波單元器件存在個體差異，因此需要對每根光纖傳感單元進行標定,減小系統誤差。最終完成n個OFB的共計n乘以p根光纖傳感單元在不同探測距離L對應的通帶黑體輻射強度It,j與輸出數字量D的關系It,j＝f1(L,D,j)，建立OFB通帶輻射數據庫。
(2)采用黑體爐進行紅外視覺通帶輻射標定
為了實現光纖束層析及紅外多目視覺信息融合，即提供光纖束層析重建的邊界約束條件，必須解決通帶紅外圖像(8～14μm)灰度與通帶黑體輻射強度的轉換問題，即進行紅外視覺通帶輻射標定。
m個紅外視覺模組中的每個紅外面陣輸出的紅外圖像組成像素點灰度值G與通帶黑體輻射強度It,i的關系都必須進行預先標定，It為通帶黑體輻射強度，i為待標定的紅外視覺模組的序號，標定方法與步驟(1)類似：
調節黑體爐溫度至某一溫度T，根據普朗克黑體輻射公式計算溫度T對應的通帶黑體輻射強度It(即黑體溫度T下的輻射曲線在8～14μm范圍的面積)。離黑體爐輻射腔距離L處，固定放置一待標定的紅外視覺模組，調節紅外視覺模組的紅外變焦鏡頭，使其準確聚焦到黑體爐輻射腔。讀取該紅外視覺模組的紅外面陣輸出的紅外圖像中黑體爐輻射腔部分的平均灰度值G，記錄上述的一組參數值(L,It,G)。調節黑體爐溫度T，記錄另一組參數值(L,It,G),完成整個黑體爐溫度范圍的標定后，改變L，重復以上步驟，可實現不同距離下，不同通帶黑體輻射強度下，紅外視覺模組輸出的紅外圖像組成像素點灰度值G的標定。由于每個紅外視覺模組的紅外面陣存在個體差異，因此對所有的紅外面陣進行標定,可減小系統誤差。最終完成m個紅外視覺模組中的共計m個紅外面陣在不同探測距離L下，輸出的紅外圖像(8～14μm)組成像素點灰度值G與通帶黑體輻射強度It,i的關系It,i＝f2(L,G,i)，建立多目紅外視覺通帶輻射數據庫。
(3)MV及OFBT數據采集
將待測目標放置于測試平臺上，在球形空間(相等球半徑R)的不同經緯方向角的位置上,由三角架云臺上的安裝板,固定放置n個OFB。同時，m個紅外視覺模組安裝在m個平動導軌8上，沿平動導軌作一維平動及繞旋轉導軌旋轉，直到各平動導軌之間的夾角相等，且m個紅外視覺模組離球形空間球心距離都等于R后可固定，將所有紅外視覺模組的紅外變焦鏡頭的焦點調至R；
每個OFB的傳感頭為平行準直孔結構，該結構既保證直線信號采集又滿足實時性要求。屬于一個OFB的p根光纖傳感單元中的共計p個傳感頭作為一組，按順序裝進空間濾波器的定位孔中并固定，傳感頭外徑與定位孔直徑相等，定位孔中心之間的水平與垂直距離相等，可滿足對待測目標進行測試的空間分辨率要求。
進行待測目標的融合視覺測試，千兆交換機將計算機、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統組成千兆局域網，計算機通過千兆局域網得到紅外視覺子系統輸出的有關待測目標不同角度下的m路紅外圖像數據，對每路紅外圖像的所有像素點灰度G，對照多目紅外視覺通帶輻射數據庫It,i＝f2(R,G,i)進行轉換，獲得m幅以黑體通帶輻射強度It表征的紅外輻射圖像。
同時，數字信號處理電路通過控制電子開關對所有n乘以p根光纖傳感單元的每個長波單元器件進行工作電源的控制，從而實現以電子快門方式瞬時啟動所有長波單元器件以采集待測目標進入各傳感頭的空間多點通帶輻射強度信號，同時各長波單元器件的輸出端接峰值保持電路，使采集到的空間多點通帶輻射強度信號轉換成電壓信號鎖存在峰值保持電路中。經過模擬放大器進行放大，再經數字信號處理電路進行處理，對所有數據進行模擬信號至數字信號的變換，得到數字量D，再對照OFB通帶輻射數據庫It,j＝f1(R,D,j)，獲得待測目標空間多點的通帶輻射強度原始數據It。
(4)融合數據處理
對計算機中的m幅以黑體通帶輻射強度It表征的紅外輻射圖像，采用Harris算子進行不同區域的角點檢測，基于紅外通帶光學薄及光學厚區域不同的圖像空域及頻域特征(如灰度、直方圖、紋理、幅頻分布等)進行區域分割，基于極線約束的圖像匹配算法對m幅進行紅外輻射圖像特征角點匹配，重構待測目標的表面形貌，以及表面不同區域邊界三維坐標及通帶黑體輻射強度值。根據重構的待測目標的表面不同區域邊界，對待測目標進行空間分割，即分為紅外通帶光學薄及光學厚區域，對于光學厚區域，直接采用重構的待測目標的表面形貌，即完成紅外多目視覺的工作；對于光學薄區域，進入下述的光纖束層析空間三維重建：
把由紅外多目視覺重構的表面不同區域邊界三維坐標及通帶黑體輻射強度值作為約束，對步驟(2)中數字信號處理電路處理獲得的待測目標空間多點的通帶輻射強度原始數據進行劃分，對光學厚區域的輻射強度數據舍棄，采用光學薄區域的通帶輻射強度原始數據進行光纖束發射光學層析的反演計算。通過層析計算，可得到待測目標光學薄區域內部空間各點的通帶輻射強度，從而與光學厚區域中，由紅外多目視覺重構的待測目標1的表面形貌及其通帶輻射強度相融合，完成整個待測目標(包括光學薄區域及光學厚區域)空間三維通帶輻射強度It分布的重建，以此為基礎可反演待測目標(包括光學薄區域及光學厚區域)空間三維溫度、壓強、粒子數密度等物理量的分布，其三維分布結果實時在計算機上顯示，完成整個融合視覺探測。
本發明的有益效果是，克服單一OFBT及MV目標三維熱像檢測的局限，采用MV重建目標三維紅外表面形貌，區分光學薄與光學厚區域，并得到OFBT邊界約束條件；OFBT重建光學薄區域內部分布；兩者的信息融合解決復雜對象的三維熱像檢測的難題。
附圖說明
圖1為本發明的原理圖，圖中：1——待測目標；2——球形空間；3——三角架；4——空間濾波器；5——定位孔；6——第一個OFB；7——通帶濾光片；8——平動導軌；9——第二個OFB；10——第三個OFB；11——旋轉導軌；12——紅外面陣；13——傳感端RJ45網絡接口；14——紅外變焦鏡頭；15——第n個OFB；16——測試平臺；17——準直孔；18——傳感頭；19——傳感光纖；20——輸入耦合器；21——長波器件陣列；22——模擬放大器；23——數字信號處理電路；24——處理端RJ45網絡接口；25——雙絞線；26——千兆交換機；27——計算機；28——紅外視覺模組；29——輸出耦合器；30——長波單元器件。
注：OFB即Optical fiber bundle，光纖束；RJ45即Registered Jack 45數據傳輸接口；n為OFB的總個數。
具體實施方式
基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測的硬件系統結構如圖1所示,硬件系統主要由測試平臺16、光纖束層析子系統、紅外視覺子系統、千兆交換機26、計算機27組成；
其中光纖束層析子系統包含有n個OFB，即從第一個OFB 6、第二個OFB9、第三個OFB 10一直到第n個OFB 15(本實施例中，n取4)；n個三角架3、n個空間濾波器4；n個通帶濾光片7；n個長波器件陣列21及其對應的模擬放大器22和數字信號處理電路23；
每個OFB由p根均勻分布的光纖傳感單元組成。每根光纖傳感單元由傳感頭18、輸入耦合器20、傳感光纖19、輸出耦合器29、長波單元器件30組成。屬于一個OFB的p根光纖傳感單元中的共計p個長波單元器件30按順序排列組成一個長波器件陣列21。光纖傳感單元的傳感頭18的外徑與空間濾波器4的定位孔5的內徑相當，屬于一個OFB的p根光纖傳感單元中的共計p個傳感頭18作為一組，按順序裝進空間濾波器4的定位孔5中并固定，傳感頭18中心開有準直孔17，允許光線沿直線進入傳感頭18；空間濾波器4前裝配同尺寸的通帶濾光片7(本實施例其通帶為8～14μm)，對進入OFB所有光纖傳感單元的光進行通帶濾光；每個OFB都固定在三角架3的云臺上，其位置可方便調節；傳感光纖19通過輸入耦合器20與傳感頭18連接，通過輸出耦合器29與長波單元器件30相連；長波器件陣列21的傳感信號可經模擬放大器22進行放大，再經數字信號處理電路23進行處理，處理結果通過處理端RJ45網絡接口24向外傳送；
紅外視覺子系統包括有m個紅外視覺模組28；測試平臺16上有m個平動導軌8和一個旋轉導軌11；m個紅外視覺模組28安裝在這m個平動導軌8上，可沿平動導軌8作一維平動及繞旋轉導軌11旋轉，到預期空間及角度位置后可固定；紅外視覺模組28主要包含紅外變焦鏡頭14和紅外面陣12，紅外面陣12控制與驅動電路上有傳感端RJ45網絡接口13，紅外圖像數據可通過該接口向外傳送；
千兆交換機26將計算機27、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統組成千兆局域網，所有處理端RJ45網絡接口24以及傳感端RJ45網絡接口13及計算機27的網絡接口都通過雙絞線25與千兆交換機26的網絡接口相連。計算機27通過該千兆局域網對光纖束層析子系統與紅外視覺子系統進行控制，并獲取光纖束層析子系統的處理結果及與紅外視覺子系統輸出的紅外圖像數據，從而實現計算機27、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統之間的千兆級高速數據傳輸。
基于光纖束層析及紅外多目視覺的融合視覺探測方法其步驟為：
(1)采用黑體爐進行OFB通帶輻射標定
每個OFB中一根光纖傳感單元探測一根紅外輻射線，傳感光纖19采用紅外光纖(空芯熱紅外元件可低損耗傳輸8～14μm熱紅外輻射)經輸出耦合器29耦合長波單元器件30(本實施例采用國產OTP538U單元器件,其光譜響應范圍為8～14μm)實現通帶光纖束層析數據采集，把所受輻射轉化為模擬電壓,經放大及A/D變換后成為數字量。
n個OFB的共計n乘以p根光纖傳感單元的每個長波單元器件30位置所對應的通帶黑體輻射強度It,j與數字量的關系都必須進行預先標定，It為通帶黑體輻射強度，j為待標定的長波單元器件30所屬光纖傳感單元的序號(本實施例中，n取4，p取900，j的范圍為1至3600)，采用的方法為：
選擇光纖束層析探測波長范圍8～14μm，調節黑體爐溫度至某一溫度T，根據普朗克黑體輻射公式計算溫度T對應的通帶黑體輻射強度It(即黑體溫度T下的輻射曲線在8～14μm范圍的面積)。離黑體爐輻射腔距離L處，固定放置一待標定的光纖傳感單元，使其傳感頭18端面對準并垂直于輻射腔中心，測得光纖傳感單元輸出數字量為D。記錄上述的一組參數值(L,It,D)。調節黑體爐溫度T，記錄另一組參數值(L,It,D),完成整個黑體爐溫度范圍的標定后，改變L，重復以上步驟，可實現不同距離下，不同通帶黑體輻射強度下，光纖傳感單元輸出數字量的標定。由于每根光纖傳感單元的長波單元器件30存在個體差異，因此需要對每根光纖傳感單元進行標定,減小系統誤差。最終完成n個OFB的共計n乘以p根光纖傳感單元在不同探測距離L對應的通帶黑體輻射強度It,j與輸出數字量D的關系It,j＝f1(L,D,j)，建立OFB通帶輻射數據庫。
(2)采用黑體爐進行紅外視覺通帶輻射標定
為了實現光纖束層析及紅外多目視覺信息融合，即提供光纖束層析重建的邊界約束條件，必須解決通帶紅外圖像(8～14μm)灰度與通帶黑體輻射強度的轉換問題，即進行紅外視覺通帶輻射標定。
m個紅外視覺模組28中的每個紅外面陣12(本實施例采用氧化釩非制冷紅外焦平面陣列，其工作波長范圍為8～14μm)輸出的紅外圖像組成像素點灰度值G與通帶黑體輻射強度It,i的關系都必須進行預先標定，It為通帶黑體輻射強度，i為待標定的紅外視覺模組28的序號(本實施例中，m取4，i的范圍為1至4)，標定方法與步驟(1)類似：
調節黑體爐溫度至某一溫度T，根據普朗克黑體輻射公式計算溫度T對應的通帶黑體輻射強度It(即黑體溫度T下的輻射曲線在8～14μm范圍的面積)。離黑體爐輻射腔距離L處，固定放置一待標定的紅外視覺模組28，調節紅外視覺模組28的紅外變焦鏡頭14，使其準確聚焦到黑體爐輻射腔。讀取該紅外視覺模組28的紅外面陣12輸出的紅外圖像中黑體爐輻射腔部分的平均灰度值G，記錄上述的一組參數值(L,It,G)。調節黑體爐溫度T，記錄另一組參數值(L,It,G),完成整個黑體爐溫度范圍的標定后，改變L，重復以上步驟，可實現不同距離下，不同通帶黑體輻射強度下，紅外視覺模組28輸出的紅外圖像組成像素點灰度值G的標定。由于每個紅外視覺模組28的紅外面陣12存在個體差異，因此對所有的紅外面陣12進行標定,可減小系統誤差。最終完成m個紅外視覺模組28中的共計m個紅外面陣12在不同探測距離L下，輸出的紅外圖像(8～14μm)組成像素點灰度值G與通帶黑體輻射強度It,i的關系It,i＝f2(L,G,i)，建立多目紅外視覺通帶輻射數據庫。
(3)MV及OFBT數據采集
將待測目標1放置于測試平臺16上，在球形空間2(相等球半徑R)的不同經緯方向角的位置上,由三角架3云臺上的安裝板,固定放置n個OFB。同時，m個紅外視覺模組28安裝在m個平動導軌8上，沿平動導軌8作一維平動及繞旋轉導軌11旋轉，直到各平動導軌8之間的夾角相等，且m個紅外視覺模組28離球形空間2球心距離都等于R后可固定，將所有紅外視覺模組28的紅外變焦鏡頭14的焦點調至R；
每個OFB的傳感頭18為平行準直孔結構，該結構既保證直線信號采集又滿足實時性要求。屬于一個OFB的p根光纖傳感單元中的共計p個傳感頭18作為一組，按順序裝進空間濾波器4的定位孔5中并固定，傳感頭18外徑與定位孔5直徑相等(本實施例中均為1mm)，定位孔5中心之間的水平與垂直距離相等(本實施例中該距離為2mm)，可滿足對待測目標1進行測試的空間分辨率要求。
進行待測目標1的融合視覺測試，千兆交換機26將計算機27、光纖束層析子系統與紅外視覺子系統組成千兆局域網，計算機27通過千兆局域網得到紅外視覺子系統輸出的有關待測目標1不同角度下的m路紅外圖像數據，對每路紅外圖像的所有像素點灰度G，對照多目紅外視覺通帶輻射數據庫It,i＝f2(R,G,i)進行轉換，獲得m幅以黑體通帶輻射強度It表征的紅外輻射圖像。
同時，數字信號處理電路23通過控制電子開關對所有n乘以p根光纖傳感單元的每個長波單元器件30進行工作電源的控制，從而實現以電子快門方式瞬時啟動所有長波單元器件30以采集待測目標1進入各傳感頭18的空間多點通帶輻射強度信號，同時各長波單元器件30的輸出端接峰值保持電路，使采集到的空間多點通帶輻射強度信號轉換成電壓信號鎖存在峰值保持電路中。經過模擬放大器22進行放大，再經數字信號處理電路23進行處理，對所有數據進行模擬信號至數字信號的變換，得到數字量D，再對照OFB通帶輻射數據庫It,j＝f1(R,D,j)，獲得待測目標1空間多點的通帶輻射強度原始數據It。
(4)融合數據處理
對計算機27中的m幅以黑體通帶輻射強度It表征的紅外輻射圖像，采用Harris算子進行不同區域的角點檢測，基于紅外通帶光學薄及光學厚區域不同的圖像空域及頻域特征(如灰度、直方圖、紋理、幅頻分布等)進行區域分割，基于極線約束的圖像匹配算法對m幅進行紅外輻射圖像特征角點匹配，重構待測目標1的表面形貌，以及表面不同區域邊界三維坐標及通帶黑體輻射強度值。根據重構的待測目標1的表面不同區域邊界，對待測目標1進行空間分割，即分為紅外通帶光學薄及光學厚區域，對于光學厚區域，直接采用重構的待測目標1的表面形貌，即完成紅外多目視覺的工作；對于光學薄區域，進入下述的光纖束層析空間三維重建：
把由紅外多目視覺重構的表面不同區域邊界三維坐標及通帶黑體輻射強度值作為約束，對步驟(2)中數字信號處理電路23處理獲得的待測目標1空間多點的通帶輻射強度原始數據進行劃分，對光學厚區域的輻射強度數據舍棄，采用光學薄區域的通帶輻射強度原始數據進行光纖束發射光學層析的反演計算。通過層析計算，可得到待測目標1光學薄區域內部空間各點的通帶輻射強度，從而與光學厚區域中，由紅外多目視覺重構的待測目標1的表面形貌及其通帶輻射強度相融合，完成整個待測目標1(包括光學薄區域及光學厚區域)空間三維通帶輻射強度It分布的重建，以此為基礎可反演待測目標1(包括光學薄區域及光學厚區域)空間三維溫度、壓強、粒子數密度等物理量的分布，其三維分布結果實時在計算機27上顯示，完成整個融合視覺探測。