一種全光學波段圖譜協同探測動目標的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于遙感探測和圖像識別交叉領域，具體涉及一種全光學波段圖譜協同探測動目標的裝置和方法，可用于目標探測跟蹤與識別。
【背景技術】
[0002]動目標和動態變化的對象類別眾多，如常溫狀態下，運動的車輛、行人及動物；高溫狀態下的高速運動飛行器、爆炸、火災等，以及環境光照的可變性，使得這些對象所具有的光譜分布范圍和光譜特征各不相同，國內外均無利用圖像光譜協同探測各類動目標的覆蓋全光學波段的遙感探測裝置。
【發明內容】
[0003]為了解決上述技術難題，本發明提供一種全光學波段圖譜協同探測動目標的裝置，滿足同時獲取紫外、可見、近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外全光學波段各類動目標的光譜及其中波紅外圖像與可見近紅外圖像的需求。
[0004]為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種全光學波段圖譜信息獲取裝置，包括大視場二維掃描瞄準鏡，共孔徑主光學系統模塊，紅外成像成光學子系統模塊，紫外/可見/近紅外成譜和可見近紅外成像光學子系統模塊，短/中/長波紅外測譜模塊，中波寬/窄波段成像模塊，可見近紅外測譜模塊，可見近紅外成像模塊，紫外測譜模塊，圖譜融合信號處理模塊，控制模塊以及伺服系統。
[0005]大視場二維掃描瞄準鏡通過伺服系統控制轉動調整方位和俯仰對準目標區域，用于將目標區域的光反射至共孔徑主光學系統模塊；共孔徑主光學系統模塊將紅外光透射至紅外成像成譜光學子系統模塊，同時將紫外/可見/近紅外光反射至紫外可見近紅外成譜和可見近紅外成像光學子系統模塊；紅外成像成譜光學子系統模塊將共孔徑主光學系統模塊透射的紅外光聚焦至短/中/長波紅外測譜模塊實現短/中/長波紅外光譜測量，同時將部分中波紅外光聚焦至中波寬/窄波段成像模塊實現中波紅外成像；紫外可見近紅外成譜和可見近紅外成像光學子系統模塊將共孔徑主光學系統模塊反射的紫外光聚焦至紫外測譜模塊實現紫外光譜測量，同時將50%的可見/近紅外光聚焦至可見近紅外側譜模塊進行可見/近紅外光譜測量、剩余50%的可見/近紅外光聚焦至可見/近紅外成像模塊實現可見/近紅外成像；圖譜融合信息處理模塊主要負責接收中波紅外圖像、可見/近紅外圖像進行實時目標捕獲處理并獲取其紫外光光譜、可見光光譜及紅外光譜數據，最后進行融合處理和分析；控制模塊根據任務需求和圖譜融合信息處理模塊處理和分析的結果，通過伺服系統控制大視場二維掃描瞄準鏡搜索、跟蹤、瞄準動目標和動態現象，實現光、機、電信息處理，各模塊協同工作。
[0006]大視場二維掃描瞄準鏡的穩定平臺從組成上劃分，包含外框(固定框)、中框和內框，內框安裝有平面瞄準鏡。內框由外框通過軸承支撐，外框通過軸承支撐在與裝置固聯的基座上，中框位于內外框之間，通過軸承與與內外框相連。結構在設計過程中盡量采用對稱原則，充分利用有效載荷進行平衡，盡量減少配重，并減小系統的轉動慣量。在設計時進行精確的計算并同時進行配重設計計算，使負載的理論質心落在旋轉軸上。在裝配和調試時，用合理分布和少量配重的方法使實際的質心同旋轉軸線重合，從而消除設計和制造誤差引起的偏心過載力矩。掃描范圍的要求(方位土 α °，俯仰土 β ° )，在裝置的二維掃描機構設計中，保證了瞄準鏡反射光路無遮擋。
[0007]伺服系統由上位機、穩定平臺、內框力矩電機、外框力矩電機、內框/外框旋轉變壓器、內/外框功放模塊、伺服控制器及光電隔離模塊組成。
[0008]伺服系統穩定平臺的內框為俯仰框，安裝平面瞄準鏡，以及俯仰軸的旋轉變壓器和俯仰力矩電機轉子，外框是伺服控制系統的方位框，其外框軸上安裝方位旋轉變壓器和方位力矩電機轉子。
[0009]伺服系統的穩定平臺在設計上利用力矩電機直接驅動平臺，使平臺結構更簡單，并能大幅度減小框架軸上因傳動帶來的阻尼和間隙；旋轉變壓器測量方式為非接觸式測量，不帶來任何摩擦力矩；平臺與機箱之間的穿線使用接線盤，可以顯著減小線扭矩，并有利于保證裝調工藝。
[0010]伺服控制器采用數字信號處理(DSP) +現場可編程門陣列(FPGA)構架。FPGA主要進行伺服系統時序和通訊的組織和管理，對外接口對象為控制模塊，對內接口對象為DSP、數模轉換(DAC)、模數轉換(ADC)、旋轉變壓器信號處理電路等；DSP主要用于負責穩定伺服控制系統功能調度、平臺框架控制校正運算等。
[0011]伺服控制器根據上位機的指令采用數字控制方式實現對穩定平臺的速率和位置回路的穩定，產生對驅動器的電流指令，實現方位、俯仰穩定框架的數字控制。為平衡信號的大動態范圍和高信噪比要求，在每個通道的A/D轉換模塊之前和控制算法中設計了兩檔增益變換，另一方面，在小擾動下保證高信噪比而損失一定的動態范圍；控制模塊通過RS422串口與伺服控制系統進行雙向通訊，控制模塊可在任意時刻直接訪問伺服控制器的內存區，對伺服控制器下發指令及數據，并及時獲取伺服控制系統的狀態信息。
[0012]為減少平面瞄準鏡的形變，所述平面瞄準鏡采用形變小、重量輕的材料，鍍反射層后對紫外、可見、近紅外、中波紅外及長波紅外光都有較高的反射率。
[0013]共孔徑主光學系統模塊采用帶分光鏡的卡塞格林系統，由主鏡(曲面反射鏡)、次鏡(拋物面反射鏡)及紫外可見近紅外分光鏡組成，實現對目標紫外、可見、近紅外、中波紅外及長波紅外譜成像和能量會聚。紫外可見近紅外分光鏡是45°角放置于主次反射鏡之間，主次反射鏡遮擋比不大于1:3，在保證主次鏡成像所需合理間距的前提下，較小的遮攔比有利于提高光學系統的透過率。
[0014]紅外成像成譜光學子系統模塊由寬光譜中繼鏡、紅外成譜鏡組、短/中/長波紅外成譜分光鏡(中波半透半反)和中波紅外成像鏡組組成。其中寬光譜中繼鏡將共孔徑主光學系統模塊透射的光聚焦至短/中/長波紅外成譜分光鏡；短/中/長波紅外成譜分光鏡將紅外光反射至紅外成譜鏡組，同時將部分中波紅外光透射至中波紅外成像鏡組。
[0015]紅外成譜鏡組設有可變視場光欄，根據控制指令，實現不同視場范圍內目標或背景紅外光譜特性測量。中波紅外成像鏡組設有可切換中波窄帶\寬帶濾光片，根據控制指令，能夠實現不同視場范圍內目標或背景的中波窄帶及中波寬帶圖像信息采集。
[0016]紫外/可見/近紅外成譜和可見近紅外成像子系統模塊由紫外成譜反射鏡組、平面反射鏡、紫外分光鏡、可見近紅外半透半反分光鏡、可見近紅外成像鏡組和可見近紅外成譜鏡組組成。其中紫外分光鏡將紫外光反射至紫外成譜反射鏡組，同時將可見近紅外光透射至平面反射鏡；平面反射鏡將紫外分光鏡透射的光反射至可見近紅外半透半反分光鏡；可見近紅外(半透半反)分光鏡將50%的可見近紅外光透射至可見近紅外成像鏡組，同時將50%的可見近紅外光反射至可見近紅外成譜鏡組。
[0017]可見近紅外成譜鏡組設有可變視場光欄，根據控制指令，實現不同視場范圍內目標或背景可見近紅外光譜特性測量。
[0018]紫外成譜反射鏡組用于將紫外分光鏡反射的光聚焦至紫外測譜模塊以實現紫外光譜采集，可見近紅外成譜鏡組用于將可見近紅外半透半反分光鏡反射的光聚焦至可見近紅外測譜模塊以實現可見近紅外光譜采集，可見近紅外成像鏡組用于將可見近紅外半透半反分光鏡透射的光聚焦至可見近紅外成像模塊以實現成像。
[0019]所述紅外成譜鏡組、紫外成譜反射鏡組、可見近紅外成譜鏡組根據本裝置結構布局約束和各測譜模塊的尺寸大小可分別采用光學透鏡組耦合及光纖耦合方式與各波段測譜豐旲塊親合。