寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)及其設(shè)置方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，包括設(shè)置在飛機機身下方的主陣列光學(xué)系統(tǒng)，飛機的兩個機翼下方均設(shè)有副陣列光學(xué)系統(tǒng)，主陣列光學(xué)系統(tǒng)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)均包括若干個光學(xué)傳感器；本發(fā)明還公開了寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的設(shè)置方法，可同時滿足大視場、高分辨、高動態(tài)和多視角等目標(biāo)探測要求。
【專利說明】寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)及其設(shè)置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)及其設(shè)置方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機載光學(xué)探測系統(tǒng)具有探測范圍廣、分辨能力高和被動式探測的特點，被廣泛應(yīng)用于對空目標(biāo)探測、跟蹤，對地目標(biāo)搜索、跟蹤，戰(zhàn)場態(tài)勢感知、導(dǎo)彈來襲告警、輔助導(dǎo)航與起飛著陸等。
[0003]傳統(tǒng)機載光學(xué)探測系統(tǒng)目前主要采用吊艙結(jié)構(gòu)，其觀測視場較小，目標(biāo)信息的提取少，已不能滿足在復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)的檢測、跟蹤、識別和態(tài)勢估計等需求。同時，吊艙的載荷約束嚴(yán)重限制了光學(xué)系統(tǒng)分辨率的提高。
[0004]隨著光學(xué)傳感器制造工藝和航空計算機處理能力的提高，機載光學(xué)探測系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢是傳感器陣列化和多傳感器圖像融合。機載光學(xué)傳感器陣列利用圖像處理技術(shù)，將陣列傳感器模擬成一個大孔徑傳感器，有效克服了視場和分辨率相互矛盾的問題，可滿足大視場范圍內(nèi)的情報、監(jiān)視和偵察(ISR)需求。然而其缺陷在于:無法同時捕獲高分辨、高動態(tài)運動目標(biāo)圖像；無法獲得目標(biāo)的多視角信息。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)及其探測方法，可同時滿足大視場、高分辨、高動態(tài)和多視角等目標(biāo)探測要求。
[0006]本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，包括設(shè)置在飛機上的主陣列光學(xué)系統(tǒng)、副陣列光學(xué)系統(tǒng)、服務(wù)器和信號發(fā)生器；
[0007]主陣列光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在飛機機身下方，副陣列光學(xué)系統(tǒng)分別設(shè)置在飛機的兩個機翼下方，主陣列光學(xué)系統(tǒng)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)均包括若干個光學(xué)傳感器，主陣列光學(xué)系統(tǒng)通過第一集線裝置連接到服務(wù)器，每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)均通過第二集線裝置連接到同一個服務(wù)器，主陣列光學(xué)系統(tǒng)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)均通過觸發(fā)電路連接到信號發(fā)生器。
[0008]第一種技術(shù)方案的特點還在于，
[0009]主陣列光學(xué)系統(tǒng)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)之間均采用遠(yuǎn)距離布置，主陣列光學(xué)系統(tǒng)以及兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)中的每個光學(xué)傳感器均對準(zhǔn)同一個光學(xué)大視場。
[0010]主陣列光學(xué)系統(tǒng)和兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器均采用集中式布置和同光心布置。
[0011]在飛機載荷允許的條件下，主陣列光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)傳感器的數(shù)量與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器的數(shù)量相同。
[0012]第一集線裝置包括若干個一級節(jié)點，每個一級節(jié)點連接有主陣列光學(xué)系統(tǒng)中的三個光學(xué)傳感器，每個一級節(jié)點連接到同一個二級節(jié)點，二級節(jié)點連接到服務(wù)器。
[0013]第二集線裝置包括若干個一級節(jié)點，每個一級節(jié)點連接有副陣列光學(xué)系統(tǒng)中的三個光學(xué)傳感器，每個一級節(jié)點連接到同一個二級節(jié)點，二級節(jié)點通過依次設(shè)置的轉(zhuǎn)換器、千兆網(wǎng)、轉(zhuǎn)換器和1394總線連接到服務(wù)器。
[0014]觸發(fā)電路包括與主陣列光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳感器觸發(fā)線連接的轉(zhuǎn)換器A，轉(zhuǎn)換器A通過依次設(shè)置的多路轉(zhuǎn)換器1、轉(zhuǎn)換器B連接到信號發(fā)生器的低頻信號接口，每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳感器觸發(fā)線均連接有轉(zhuǎn)換器C，每個轉(zhuǎn)換器C均連接到同一個多路轉(zhuǎn)換器II上，多路轉(zhuǎn)換器II通過轉(zhuǎn)換器D連接到信號發(fā)生器的高頻信號接口。
[0015]轉(zhuǎn)換器A和轉(zhuǎn)換器C的型號均為RS-485/TTL，轉(zhuǎn)換器B和轉(zhuǎn)換器D的型號均為TTL/RS-485。
[0016]本發(fā)明的第二種技術(shù)方案是，具體按照以下步驟實施:
[0017]步驟1，在服務(wù)器上安裝底層驅(qū)動軟件FlyCaptUre2.0和頂層圖像采集軟件Streampix5.0 ；
[0018]步驟2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)進行第一次圖像采集，采集完成后，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間之比調(diào)整為8:1?3:1，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速之比調(diào)整為8:1?3:1 ;
[0019]步驟3，由信號發(fā)生器輸出兩種同相位不同頻率的方波，其中的高頻方波信號觸發(fā)主陣列光學(xué)系統(tǒng)，其中的低頻方波信號觸發(fā)兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)；
[0020]步驟4，光學(xué)傳感器采集時間的同步調(diào)整:
[0021]步驟4.1,在頂層圖像采集軟件Streampix5.0的setting選項中,將采集圖像的自動命名方式加入圖像采集時刻；
[0022]步驟4.2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)進行第二次圖像采集，采集完成后，即得到同一陣列內(nèi)的每個光學(xué)傳感器在同一方波信號下的圖像采集時刻，以延遲最大的光學(xué)傳感器為基準(zhǔn)，對其余的光學(xué)傳感器進行延時調(diào)整；
[0023]步驟4.3，重復(fù)步驟4.2，直到陣列內(nèi)不同光學(xué)傳感器之間圖像采集時刻的誤差小于Ims為止；
[0024]步驟5，經(jīng)步驟4對光學(xué)傳感器采集時間的同步調(diào)整后，再通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)進行第三次圖像采集，對比每個光學(xué)傳感器采集到的圖像，若圖像中出現(xiàn)丟巾貞現(xiàn)象，則調(diào)整底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的參數(shù)dragpackage的數(shù)值為X,使得采集到的圖像無丟巾貞現(xiàn)象，再將頂層圖像采集軟件Streampix5.0中對應(yīng)的dragpackage參數(shù)的數(shù)值也調(diào)整為X ;若該圖像中無丟幀現(xiàn)象，則無需調(diào)整；
[0025]步驟6，經(jīng)過步驟5的調(diào)整之后，再根據(jù)第三次采集到的圖像的場景亮暗情況，對每個光學(xué)傳感器的光圈、白平衡等參數(shù)進行微調(diào)，使得第三次采集到的圖像的色彩與亮度不超出光學(xué)傳感器的動態(tài)范圍，即完成寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的構(gòu)建。
[0026]第二種技術(shù)方案的特點還在于，
[0027]步驟4.2中，對其余的光學(xué)傳感器延遲調(diào)整的具體方法為:
[0028]勾選底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的package delay選項，再選中頂層圖像采集軟件Streampix5.0中的trigger delay選項，為trigger delay選項選擇合適的參數(shù)，以保證陣列內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器的采集時刻相同。
[0029]本發(fā)明的有益效果是，通過多視角融合實現(xiàn)對大視場、高分辨、高動態(tài)和多視角的遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測，充分利用飛機平臺的尺寸和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光學(xué)性能的最大化，進而完成飛機對大視場、高分辨、高動態(tài)和多視角的遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例中光學(xué)傳感器矩陣安裝示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例中光學(xué)傳感器矩陣觀測區(qū)域示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例的安裝平臺底部加強結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例的安裝平臺的十字加強結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例的光學(xué)傳感器的曝光時序圖；
[0036]圖7是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)基線長度與測距分辨率的關(guān)系示意圖；
[0037]圖8a和圖Sb分別是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例中兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)在同一時刻采集的圖像照片；
[0038]圖Sc是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例中主陣列光學(xué)系統(tǒng)采集的圖像照片；
[0039]圖8d是本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)實施例中恢復(fù)后的動目標(biāo)圖像照片。
[0040]圖中，1.主陣列光學(xué)系統(tǒng)，2.副陣列光學(xué)系統(tǒng)，3.光學(xué)傳感器，4.服務(wù)器，5.信號發(fā)生器，6.—級節(jié)點，7.二級節(jié)點，8.轉(zhuǎn)換器A，9.多路轉(zhuǎn)換器I，10.轉(zhuǎn)換器B，ll.轉(zhuǎn)換器C，12.多路轉(zhuǎn)換器II，13.轉(zhuǎn)換器D。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0042]本發(fā)明提供了一種寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)參見圖1，包括設(shè)置在飛機機身下方的主陣列光學(xué)系統(tǒng)I，所述飛機的兩個機翼下方均設(shè)有副陣列光學(xué)系統(tǒng)2,主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2均包括若干個光學(xué)傳感器3，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I通過第一集線裝置連接到服務(wù)器4，每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2均通過第二集線裝置連接到同一個服務(wù)器4，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2均通過觸發(fā)電路連接到信號發(fā)生器5。
[0043]其中，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2之間均采用遠(yuǎn)距離布置，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I以及兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2中的每個光學(xué)傳感器3均對準(zhǔn)同一個光學(xué)大視場。
[0044]采用遠(yuǎn)距離布置帶來的好處是:
[0045]I)參見圖7，滿足多視角融合的需求，在20000m高空條件下，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2間基線寬度為10m的條件下，測距分辨率可小于5m ；
[0046]2)實現(xiàn)多曝光設(shè)置，實現(xiàn)高動態(tài)成像，解決了運動模糊問題。
[0047]主陣列光學(xué)系統(tǒng)I和兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器3均采用集中式布置和同光心布置；在飛機載荷允許的條件下，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I中光學(xué)傳感器3的數(shù)量與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2中的光學(xué)傳感器3的數(shù)量相同；采用集中式布置的好處是，使得陣列視場為所有視場之和，實現(xiàn)了視場的最大化和高分辨率。
[0048]第一集線裝置包括若干個一級節(jié)點6，每個一級節(jié)點6通過Hub連接有主陣列光學(xué)系統(tǒng)I中的三個光學(xué)傳感器3，每個一級節(jié)點6連接到同一個二級節(jié)點7，二級節(jié)點7通過1394總線連接到服務(wù)器4。
[0049]第二集線裝置包括若干個一級節(jié)點6，每個一級節(jié)點6通過Hub連接有副陣列光學(xué)系統(tǒng)中的三個光學(xué)傳感器3，每個一級節(jié)點6連接到同一個二級節(jié)點7，二級節(jié)點通過依次設(shè)置的轉(zhuǎn)換器、千兆網(wǎng)、轉(zhuǎn)換器和1394總線連接到服務(wù)器4，此處轉(zhuǎn)換器型號均為1394b/千兆網(wǎng)。
[0050]觸發(fā)電路包括與主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的光學(xué)傳感器觸發(fā)線連接的轉(zhuǎn)換器AS，轉(zhuǎn)換器AS通過依次設(shè)置的多路轉(zhuǎn)換器19、轉(zhuǎn)換器BlO連接到信號發(fā)生器5的低頻信號接口，每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的光學(xué)傳感器觸發(fā)線均連接有轉(zhuǎn)換器C11，每個轉(zhuǎn)換器Cll均連接到同一個多路轉(zhuǎn)換器Π12上，多路轉(zhuǎn)換器1112通過轉(zhuǎn)換器D13連接到信號發(fā)生器5的高頻信號接口。其中，轉(zhuǎn)換器A8和轉(zhuǎn)換器Cll的型號均為RS-485/TTL，轉(zhuǎn)換器BlO和轉(zhuǎn)換器D13的型號均為TTL/RS-485。
[0051]本發(fā)明還提供了寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的設(shè)置方法，具體按照以下步驟實施:
[0052]步驟I,在服務(wù)器4上安裝底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0和頂層圖像采集軟件Streampix5.0 ；
[0053]步驟2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2進行第一次圖像采集，采集完成后，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的曝光時間與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的曝光時間之比調(diào)整為8:1?3:1，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的幀速與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的幀速之比調(diào)整為8:1 ?3:1 ;
[0054]步驟3，由信號發(fā)生器5輸出兩種同相位不同頻率的方波，其中的高頻方波信號觸發(fā)主陣列光學(xué)系統(tǒng)1，其中的低頻方波信號觸發(fā)兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2 ;
[0055]步驟4，光學(xué)傳感器3采集時間的同步調(diào)整:
[0056]步驟4.1,在頂層圖像采集軟件Streampix5.0的setting選項中,勾選將采集圖像的自動命名方式加入圖像采集時刻的子選項；
[0057]步驟4.2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2進行第二次圖像采集，采集完成后，即得到同一陣列內(nèi)的每個光學(xué)傳感器3在同一方波信號下的圖像采集時刻，以延遲最大的光學(xué)傳感器3為基準(zhǔn)，對其余的光學(xué)傳感器3進行延時調(diào)整；
[0058]其中，延遲調(diào)整的具體方法為:
[0059]勾選底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的package delay選項，再選中頂層圖像采集軟件Streampix5.0中的trigger delay選項，并按照try and error的計算方法(即實驗探索方法，試錯法。先嘗試，得到錯誤結(jié)果，然后改進實驗，再嘗試糾錯，反復(fù)試驗直到成功。)為trigger delay選項選擇合適的參數(shù)，以保證陣列內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器的采集時刻相同；
[0060]步驟4.3，重復(fù)步驟4.2，直到陣列內(nèi)不同光學(xué)傳感器3之間圖像采集時刻的誤差小于Ims為止；
[0061]步驟5，經(jīng)步驟4對光學(xué)傳感器3采集時間的同步調(diào)整后，再通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2進行第三次圖像采集，對比每個光學(xué)傳感器3采集到的圖像，
[0062]若圖像中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，則調(diào)整底層驅(qū)動軟件FlyCaptUre2.0中的參數(shù)dragpackage的數(shù)值為X，使得采集到的圖像無丟幀現(xiàn)象，再將頂層圖像采集軟件Streampix5.0中對應(yīng)的dragpackage參數(shù)的數(shù)值也調(diào)整為X ;若該圖像中無丟巾貞現(xiàn)象，則無需調(diào)整；
[0063]步驟6，經(jīng)過步驟5的調(diào)整之后，再根據(jù)第三次采集到的圖像的場景亮暗情況，對每個光學(xué)傳感器3的光圈、白平衡等參數(shù)進行微調(diào)，使得第三次采集到的圖像的色彩與亮度不超出光學(xué)傳感器3的動態(tài)范圍，即完成本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的構(gòu)建。
[0064]實施例
[0065]步驟1，構(gòu)建寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0066]1.1)設(shè)計安裝平臺，用以模擬寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的安裝載體。
[0067]安裝平臺包括一個3mX3m的主平臺框架，同時為了對觀測目標(biāo)進行多視角觀測，設(shè)計兩個副平臺。由于主平臺上安裝的主陣列光學(xué)系統(tǒng)I是用來產(chǎn)生大視場，而副陣列光學(xué)系統(tǒng)2用來獲取深度信息等其他輔助信息，所以用來安裝副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的副平臺大小會小于主平臺，其大小設(shè)計為1.5mXl.5m的框架結(jié)構(gòu)。
[0068]為了實現(xiàn)光學(xué)傳感器3在安裝時的精確定位，主平臺和副平臺在水平方向和豎直方向均設(shè)有刻度，精度為1_。為了便于布置光學(xué)傳感器3的陣列，主平臺和副平臺都設(shè)計有四個橫向?qū)к?，以實現(xiàn)光學(xué)傳感器3的水平滑動；每個橫向?qū)к壘梢载Q直運動，并且能夠固定在任意位置，從而實現(xiàn)光學(xué)傳感器3的精確定位。同時，主平臺旁邊設(shè)計有底座，用以承載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0069]安裝平臺整體設(shè)計好之后，為了加強平臺底部的穩(wěn)定性和背部結(jié)構(gòu)強度，在主、副平臺底部均增加三角形結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，在主、副平臺的導(dǎo)軌上均設(shè)置十字加強結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。
[0070]為了實現(xiàn)光學(xué)傳感器3的多角度轉(zhuǎn)動，采用SQD-6的萬向節(jié)將光學(xué)傳感器3安裝在導(dǎo)軌上，SQD-6萬向節(jié)能夠單邊擺幅25度，任意停留在每個角度上，允許光學(xué)傳感器前視360度轉(zhuǎn)動，并且?guī)庸鈱W(xué)傳感器3在橫向?qū)к壣先我馑竭\動。同時為了實現(xiàn)安裝平臺的便捷運動，模擬飛機的水平、反轉(zhuǎn)等運動，在安裝平臺底部設(shè)計有萬向輪。
[0071]1.2)主平臺上設(shè)置一個集中式大面積主陣列光學(xué)系統(tǒng)1，其結(jié)構(gòu)緊湊，所有的光學(xué)傳感器3緊密排列，在探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時能達(dá)到無明顯的成像像差，采用高分辨率長時曝光策略，以犧牲圖像分辨率為代價獲取盡可能多的目標(biāo)信息，其中同一陣列內(nèi)部相鄰光學(xué)傳感器3之間保證一定的交叉視場，同時探測盡可能大的視場；
[0072]兩個副平臺上均設(shè)置有副陣列光學(xué)系統(tǒng)2，每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2上的光學(xué)傳感器3采用低分辨率短曝光策略，能夠捕獲快速運動物體，其總視場能夠全部覆蓋主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的視場。
[0073]為了實現(xiàn)寬基線的設(shè)置要求，副陣列光學(xué)系統(tǒng)2與主陣列光學(xué)系統(tǒng)I間基線設(shè)計為大于80m。采用這種多陣列寬基線布置，能獲取成像視差，進而獲取目標(biāo)深度信息和進行多視角融合。
[0074]1.3)將二十七個光學(xué)傳感器3分為三組分別安裝在主平臺和兩個副平臺上，每組包括九個光學(xué)傳感器且形成一個3X3的矩陣。
[0075]固定光學(xué)傳感器3的位置并記錄下兩兩之間的距離，對同一矩陣內(nèi)的光學(xué)傳感器按照1-9的順序進行編號，再按照圖2所示的編號位置安裝光學(xué)傳感器3，調(diào)節(jié)萬向節(jié)姿態(tài)確保每個光學(xué)傳感器3的觀測區(qū)域滿足圖3所示的要求，即左上的光學(xué)傳感器觀測右下的區(qū)域,左中的光學(xué)傳感器觀測右中的區(qū)域以此類推。
[0076]這樣的目的是保證同一陣列內(nèi)的光學(xué)傳感器3具有相同的光心，消除圖像拼接時的縫隙與偏差。最后將所有光學(xué)傳感器3的光圈和焦距調(diào)節(jié)到同一刻度，保證光學(xué)傳感器3的外部參數(shù)相同。
[0077]對于2000m*2000m*2000m的視場大小，每個光學(xué)傳感器3之間交叉視場為20%時，
采用單短焦光學(xué)傳感器3，分辨率僅達(dá)到3.7m/像素，而采用九陣列光學(xué)傳感器組時，光學(xué)傳感器3的分辨率能到達(dá)0.5m/像素，從而實現(xiàn)大視場和高分辨。
[0078]步驟2，建立數(shù)據(jù)鏈路結(jié)點并連接服務(wù)器4。
[0079]將主陣列光學(xué)系統(tǒng)I位于中間，兩組副陣列光學(xué)系統(tǒng)2位于主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的兩端，陣列之間兩兩相距80米。
[0080]將每個陣列內(nèi)部的九個光學(xué)傳感器3再分三組，每組的三個光學(xué)傳感器3連接到一個Hub作為一級結(jié)點6，光學(xué)傳感器3與Hub之間的連接為1394接口線，再將三個一級結(jié)點6同樣適用1394接口線連接到同一個Hub上作為二級結(jié)點7，由此三個陣列總共組成九個一級結(jié)點6和三個二級結(jié)點7。
[0081]由于服務(wù)器4位于主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的位置，且兩組副陣列光學(xué)系統(tǒng)2無法直接與服務(wù)器4連接，且即便相連也會產(chǎn)生較大的時延。因此，參見圖4所示，將兩組副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的二級節(jié)點引出的1394總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換器連接千兆網(wǎng)，千兆網(wǎng)末端再將信號轉(zhuǎn)換為1394b總線接口。最終將主陣列光學(xué)系統(tǒng)I輸出的一路直連信號和兩路經(jīng)千兆網(wǎng)轉(zhuǎn)換的信號通過1394b總線接入服務(wù)器4上。
[0082]步驟3，安裝圖像采集軟件，配置主、副陣列光學(xué)系統(tǒng)混合曝光下的參數(shù)。
[0083]所謂混合曝光策略是指設(shè)定高幀速率短曝光時間和低幀速率長速曝光時間兩種曝光策略在多陣列光學(xué)傳感器中聯(lián)合使用。即設(shè)定兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2為高幀速率短曝光時間，主陣列光學(xué)系統(tǒng)I為低巾貞速率長曝光時間。
[0084]具有高幀速率短曝光時間的高速光學(xué)傳感器可以捕捉時敏目標(biāo)，實現(xiàn)對快速移動目標(biāo)的跟蹤且獲取的圖像不會存在模糊問題，具有較高的時間分辨率。低幀速率長速曝光時間策略低速光學(xué)傳感器可以盡可能的獲取圖像中的細(xì)節(jié)，實現(xiàn)高動態(tài)、高分辨率成像，具有較高的空間分比率。一般來說，采集系統(tǒng)獲取圖像的時間分辨率和空間分辨率之間是相互矛盾的，但是利用本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，通過多個光學(xué)傳感器陣列采用混合曝光策略，將兩者結(jié)合既可以獲得較高的空間分辨率，同時具有較高的時間分辨率。本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)中主陣列光學(xué)系統(tǒng)I可以獲取高動態(tài)、高分辨率圖像，兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2 —方面擴大了主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的觀測視場且提供了距離信息，另一方面具有跟蹤時敏目標(biāo)捕獲快速運動物體的能力。
[0085]3.1)在服務(wù)器4上安裝光學(xué)傳感器底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0，確認(rèn)27臺光學(xué)傳感器3全部檢測成功的情況下,安裝頂層圖像采集軟件Streampix5.0,通過Streampi5.0軟件同時監(jiān)視27臺光學(xué)探測傳感器3的工作情況。
[0086]3.2)通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)3與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2進行第一次圖像采集，采集完成后，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間之比調(diào)整為5:1，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速之比調(diào)整為5:1。
[0087]曝光時間5:1保證主陣列和副陣列圖像均不至于過亮和過暗，也就是不超過圖像的動態(tài)范圍。在不超過圖像的動態(tài)范圍下，盡量增大比例，但是過高的比例降低了圖像同步的精度，幀速率比值與曝光時間比值保持一致是出于多曝光同步的限制。
[0088]主陣列光學(xué)系統(tǒng)I中九個光學(xué)傳感器3的圖像大小為1024X768，考慮外部觸發(fā)引入的幀速率消減，其幀速率從標(biāo)稱15fps降低到13fps ;兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2中十八個光學(xué)傳感器3的圖像大小為640X480，考慮外部觸發(fā)引入的幀速率消減，其幀速率從標(biāo)稱30fps 降低至Ij 26fps ；
[0089]主陣列光學(xué)系統(tǒng)I中九個光學(xué)傳感器3的數(shù)據(jù)量為I1:
[0090]I1 = 1024*768*8bit*13fps*9/1024/1024/8 = 87.75MB/s (I)
[0091]單個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2中九個光學(xué)傳感器3的數(shù)據(jù)量為I2:
[0092]I2 = 640*480*8bit*26fps*18/1024/1024/8 = 68.55MB/s (2)
[0093]單個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2數(shù)據(jù)量均小于峰值lOOMB/s，因此可實現(xiàn)無丟幀采集。
[0094]主陣列光學(xué)系統(tǒng)I以及兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2的總數(shù)據(jù)量為:
[0095]I3 = 87.75MB/s+68.55MB/s*2 = 224.86MB/s (3)
[0096]27臺光學(xué)傳感器3全部連接到服務(wù)器4上正常工作I小時，服務(wù)器4每秒數(shù)據(jù)為:
[0097]I4 = 224.86MB/s*60*60/1024 = 790.52GB/h (4)
[0098]服務(wù)器4每秒需讀入數(shù)據(jù)量為224.86MB/s，為了提高磁盤的存儲性能，本發(fā)明按采取多個磁盤并行執(zhí)行數(shù)據(jù)請求的方式，為滿足每秒內(nèi)數(shù)據(jù)的瞬時讀取，每塊磁盤穩(wěn)定的瞬時寫入速度為35MB/S，需要的磁盤個數(shù)為:224.86/35 = 7塊，且為確保陣列磁盤不會溢出最終選用八塊磁盤，其中一塊作為冗余，即用八塊磁盤做RAIDO來保證瞬間寫入數(shù)據(jù)量。為了滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每小時數(shù)據(jù)量的要求，每塊磁盤的容量選擇1TB，八塊塊磁盤RAIDO之后的容量為8TB，可以滿足每小時790.52GB的容量。
[0099]3.3)給定兩種同步觸發(fā)信號，安裝外部觸發(fā)電路。
[0100]采用信號發(fā)生器5作為信號源，將其輸出信號設(shè)定為兩種同相位不同頻率的方波，輸出幅值為5V。
[0101]將輸出的高頻方波信號接入TTL/485轉(zhuǎn)換器，再將轉(zhuǎn)換后的485接口信號接入多路轉(zhuǎn)接器，多路轉(zhuǎn)接器將一路信號分為兩路485接口信號，最后將輸出的485接口信號接入485/TTL轉(zhuǎn)換器輸出TTL信號，兩路信號分別接在兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2，每路TTL信號連接9路光學(xué)傳感器觸發(fā)線控制光學(xué)傳感器觸發(fā)；將輸出的低頻方波信號接入TTL/485轉(zhuǎn)換器，再將輸出的485接口信號經(jīng)過485/TTL轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)回TTL信號，接入主陣列光學(xué)系統(tǒng)I，連接9路光學(xué)傳感器觸發(fā)線控制光學(xué)傳感器觸發(fā)。
[0102]由于光學(xué)傳感器觸發(fā)線長度一般均為2米左右，而主陣列光學(xué)系統(tǒng)I與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2之間兩兩相距80米，因此需選用長度大于80米的485接口信號線。將信號發(fā)生器5與多路轉(zhuǎn)換器均置于主陣列光學(xué)系統(tǒng)I的位置，選用100米485接口信號線連接多路轉(zhuǎn)換器給兩組副陣列光學(xué)系統(tǒng)2輸出的信號即可。
[0103]其中，TTL/485轉(zhuǎn)換器和485/TTL轉(zhuǎn)換器需要提供5V直流電源，多路轉(zhuǎn)換器需提供12V。最終輸出的TTL信號電壓為5V，電流大小為70mA左右，足以保證每組陣列正常工作。
[0104]在連接硬觸發(fā)電路過程中有以下三點注意事項:第一，485/TTL轉(zhuǎn)換器輸出的信號為TTL信號，將此信號連接到光學(xué)傳感器觸發(fā)線后將直接連入光學(xué)傳感器3。為防止損壞光學(xué)傳感器，需要首先接入示波器觀察信號幅值與信號波形，確保信號為方波且幅值為5V ；第二，485/TTL轉(zhuǎn)換器、TTL/485轉(zhuǎn)換器和多路轉(zhuǎn)換器均有信號地和電源地兩種不同地線，兩種地線混接會導(dǎo)致輸出方波信號有較大雜波干擾；第三，光學(xué)傳感器觸發(fā)線一端連接在光學(xué)傳感器3的外部觸接口上，另一端接在TTL信號源上，接在信號源一端分別要接信號線和信號地線，注意綠色線接信號線紫色線接信號地線，接反可能會導(dǎo)致觸發(fā)時序錯誤甚至損壞光學(xué)傳感器3。
[0105]3.4)引入軟件時延，調(diào)試光學(xué)傳感器3的參數(shù)。
[0106]光學(xué)傳感器曝光時序圖如圖6所示，光學(xué)傳感器3的外部觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)。當(dāng)信號發(fā)生器5輸出的方波信號到來時，觸發(fā)信號首先經(jīng)過傳輸線的時延，再然后是光學(xué)傳感器3為響應(yīng)觸發(fā)信號的光學(xué)傳感器時延。由于信號的傳輸距離不同，因此必然會存在傳輸線時延。同時由于各個光學(xué)傳感器3之間存在差異,光學(xué)傳感器3米集時的響應(yīng)時延也無法消除。為抵消上述兩種時延造成的光學(xué)傳感器3采集不同步問題，可以為不同光學(xué)傳感器人為引入時間延遲。
[0107]首先對Streampix5.0軟件進行設(shè)定,在其中的setting選項,將采集圖像的自動命名方式加入圖像采集時刻，由此我們可以根據(jù)圖片上的時間標(biāo)簽判斷所有光學(xué)傳感器3是否在同一時刻采集圖像。設(shè)定光學(xué)傳感器3采集的幀速率以及曝光時間，然后進行一次圖像采集。
[0108]采集完成后，記錄每個光學(xué)傳感器3在同一方波信號下的圖像采集時刻，以延遲最大的光學(xué)傳感器3為基準(zhǔn)，對其他光學(xué)傳感器3加入軟件延遲。
[0109]加入軟件延遲的方法為:勾選底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的package delay選項，再選中頂層圖像采集軟件Streampix5.0中的trigger delay選項，并按照try anderror的計算方法,為trigger delay選項選擇合適的參數(shù)，以保證陣列內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器的采集時刻之間的誤差值小于1ms。
[0110]3.5)在本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)同步采集的基礎(chǔ)上，利用Streampix5.0采集一組圖像，對比27個光學(xué)傳感器3采集到的圖像，確保本發(fā)明寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)沒有丟幀情況。針對幀速率較高引發(fā)的丟幀現(xiàn)象，需調(diào)整底層驅(qū)動FlyCaptUre2.0軟件中的dragpackage參數(shù),利用FlyCapture2.0對單一光學(xué)傳感器3監(jiān)視。
[0111]根據(jù)FlyCapture2.0的顯示調(diào)整dragpackage參數(shù)的大小,直到顯示的圖像無丟中貞情況為止。記下調(diào)整后的dragpackage參數(shù),找到頂層圖像采集軟件Streampix5.0中對應(yīng)的dragpackage參數(shù)，保證兩個軟件中的參數(shù)一致即可。最后，根據(jù)場景的亮暗情況對光學(xué)傳感器3的光圈、白平衡等參數(shù)微調(diào)，使得在頂層StreampiX5.0軟件監(jiān)視看到的圖像色彩與亮度比較合適，即不超出光學(xué)傳感器的動態(tài)范圍，這樣就完成了本實施例寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的構(gòu)建。
[0112]使用該實施例中構(gòu)建的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)進行圖像采集，主、副陣列光學(xué)系統(tǒng)采用不同的曝光時間，從而實現(xiàn)高動態(tài)成像，兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)2在同一時刻采集的圖像分別如圖8a和圖Sb所示；同步采集的主陣列光學(xué)系統(tǒng)I采集的圖像如圖Sc所示，恢復(fù)后的動目標(biāo)圖像如圖8d所示；由圖8d可見，本發(fā)明的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)融合多陣列、多曝光、多視角圖像實現(xiàn)了高動態(tài)成像，具有解決運動模糊的能力。
[0113]本發(fā)明針對機載光學(xué)探測系統(tǒng)高空工作環(huán)境，以遠(yuǎn)距離探測同時滿足大視場、高分辨、高動態(tài)和多視角要求為目標(biāo)。有效克服了傳統(tǒng)吊艙結(jié)構(gòu)的機載光學(xué)探測系統(tǒng)觀測視場小，目標(biāo)信息少，光學(xué)視場和分辨率相互矛盾等缺點，明顯改善了復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)的檢測、跟蹤、識別和態(tài)勢估計精度，對機載光學(xué)探測系統(tǒng)的發(fā)展有重要的意義。
【權(quán)利要求】
1.寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在飛機上的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)、副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)、服務(wù)器⑷和信號發(fā)生器(5)； 所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)設(shè)置在飛機機身下方，所述的副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)分別設(shè)置在飛機的兩個機翼下方，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)均包括若干個光學(xué)傳感器(3), 所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)通過第一集線裝置連接到服務(wù)器(4)，所述的每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)均通過第二集線裝置連接到同一個服務(wù)器(4)，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)均通過觸發(fā)電路連接到信號發(fā)生器(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)之間均采用遠(yuǎn)距離布置，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)以及兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)中的每個光學(xué)傳感器(3)均對準(zhǔn)同一個光學(xué)大視場。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)和兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器(3)均采用集中式布置和同光心布置。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，在飛機載荷允許的條件下，所述的主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)中光學(xué)傳感器(3)的數(shù)量與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)中的光學(xué)傳感器(3)的數(shù)量相同。
5.如權(quán)利要求1所 述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一集線裝置包括若干個一級節(jié)點出)，每個所述的一級節(jié)點(6)連接有主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)中的三個光學(xué)傳感器(3),所述的每個一級節(jié)點(6)連接到同一個二級節(jié)點(7),所述的二級節(jié)點(7)連接到服務(wù)器(4)。
6.如權(quán)利要求1或5所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的第二集線裝置包括若干個一級節(jié)點出)，每個所述的一級節(jié)點(6)連接有副陣列光學(xué)系統(tǒng)中的三個光學(xué)傳感器(3),所述的每個一級節(jié)點(6)連接到同一個二級節(jié)點(7),所述的二級節(jié)點通過依次設(shè)置的轉(zhuǎn)換器、千兆網(wǎng)、轉(zhuǎn)換器和1394總線連接到服務(wù)器(4)。
7.如權(quán)利要求1所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的觸發(fā)電路包括與主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)的光學(xué)傳感器觸發(fā)線連接的轉(zhuǎn)換器A(8)，所述的轉(zhuǎn)換器A(8)通過依次設(shè)置的多路轉(zhuǎn)換器I (9)、轉(zhuǎn)換器B(10)連接到信號發(fā)生器(5)的低頻信號接口， 所述的每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)的光學(xué)傳感器觸發(fā)線均連接有轉(zhuǎn)換器C(Il)，所述的每個轉(zhuǎn)換器C(Il)均連接到同一個多路轉(zhuǎn)換器II (12)上，所述的多路轉(zhuǎn)換器II (12)通過轉(zhuǎn)換器D (13)連接到信號發(fā)生器(5)的高頻信號接口。
8.如權(quán)利要求7所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)換器A(S)和轉(zhuǎn)換器C(Il)的型號均為1?-485/1'11，轉(zhuǎn)換器8(10)和轉(zhuǎn)換器D(13)的型號均為TTL/RS-485。
9.如權(quán)利要求1所述的寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的設(shè)置方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施: 步驟1，在服務(wù)器⑷上安裝底層驅(qū)動軟件FlyCaptUre2.0和頂層圖像采集軟件Streampix5.0 ； 步驟2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)(3)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)進行第一次圖像采集，采集完成后，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的曝光時間之比調(diào)整為8:1~3:1，將主陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速與每個副陣列光學(xué)系統(tǒng)的幀速之比調(diào)整為8:1~3:1 ； 步驟3，由信號發(fā)生器(5)輸出兩種同相位不同頻率的方波，其中的高頻方波信號觸發(fā)主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)，其中的低頻方波信號觸發(fā)兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2); 步驟4，光學(xué)傳感器(3)采集時間的同步調(diào)整: 步驟4.1,在頂層圖像采集軟件Streampix5.0的setting選項中,將采集圖像的自動命名方式加入圖像采集時刻； 步驟4.2，通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)進行第二次圖像采集，采集完成后，即得到同一陣列內(nèi)的每個光學(xué)傳感器(3)在同一方波信號下的圖像采集時亥IJ，以延遲最大的光學(xué)傳感器(3)為基準(zhǔn)，對其余的光學(xué)傳感器(3)進行延時調(diào)整； 步驟4.3，重復(fù)步驟4.2，直到陣列內(nèi)不同光學(xué)傳感器(3)之間圖像采集時刻的誤差小于Ims為止； 步驟5，經(jīng)步驟4對光學(xué)傳感器(3)采集時間的同步調(diào)整后，再通過主陣列光學(xué)系統(tǒng)(I)與兩個副陣列光學(xué)系統(tǒng)(2)進行第三次圖像采集，對比每個光學(xué)傳感器(3)采集到的圖像， 若圖像中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，則調(diào)整底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的參數(shù)dragpackage的數(shù)值為X，使得采集到的圖像無丟幀現(xiàn)象，再將頂層圖像采集軟件StreampiX5.0中對應(yīng)的dragpackage參數(shù)的數(shù)值也調(diào)整為X ； 若該圖像中無丟幀現(xiàn)象，則無需調(diào)整； 步驟6，經(jīng)過步驟5的調(diào)整之后，再根據(jù)第三次采集到的圖像的場景亮暗情況，對每個光學(xué)傳感器(3)的光圈、白平衡等參數(shù)進行微調(diào)，使得第三次采集到的圖像的色彩與亮度不超出光學(xué)傳感器(3)的動態(tài)范圍，即完成寬基線多陣列光學(xué)探測系統(tǒng)的構(gòu)建。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)置方法，其特征在于，所述的步驟4.2中，對其余的光學(xué)傳感器延遲調(diào)整的具體方法為: 勾選底層驅(qū)動軟件FlyCapture2.0中的package delay選項，再選中頂層圖像采集軟件Streampix5.0中的trigger delay選項，為trigger delay選項選擇合適的參數(shù)，以保證陣列內(nèi)部的每個光學(xué)傳感器的采集時刻相同。
【文檔編號】G01V8/20GK104076407SQ201410298201
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】劉流, 趙春暉, 潘泉, 張夷齋, 潘利源, 呂洋, 馬鑫, 席慶彪, 薛松, 胡亮, 呂鑫 申請人:西北工業(yè)大學(xué)
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