基于制冷型CCD器件的透雾和夜视系统
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，尤其是一种利用制冷型CCD器件的透雾和夜视探测系统。
背景技术
白天影响能见度的主要因素为雾和霾，光电产品必须具备一定的透雾能力，才能有效地解决探测距离问题，夜晚，无光照条件下，普通光电传感器很难探测远距离的目标。
光电探测技术中数码摄像机经历了真空管、晶体管和集成电路、微电子固体摄像器件几个阶段，其基本结构和基本原理相同：是由光学系统、光—电转换系统、图像信号处理系统、自动控制系统等组成。光学系统由镜头、色温滤色片、红绿蓝分光系统组成，得到成像于各自对应的摄像器材靶面上的红(R)、绿(G)、蓝(B三幅基色光像；光—电转换系统将成像于靶面上的光像转换成电信号；图像信号处理系统将图像放大、校正和处理，并完成信号编码工作，将信号输出；自动控制系统对图像进行自动白平衡调整、自动黑平衡调整、自动光圈、电动变焦距、自动增益控制、自动聚焦。
数码摄像机光—电转换系统是数码相机的核心，高端数码相机都使用CCD作为感应器。CCD成像质量好，分为常温型CCD和制冷型CCD。制冷型CCD研究单位，国外主要为英、法、德国和美国的专业厂商，包括美国DVC和SpectralInstruments公司、英国Photonic Science Ltd.、德国Apogree公司等，其中高水平的特殊波段的产品可用于夜视、红外或微光成像等军事领域，对中国是禁运的。国内有单位和厂商处于研制阶段，多为民品简单应用，需求主要靠进口，一般进口相机价格都在几十万元，甚至百万元以上。
国际上制冷CCD大部分用于科研和军事用途，发展趋势是进一步降低系统可达到的温度，甚至采用液氮降温；另一个趋势是将制冷技术做成一个通用模块，有更好的适应性，即使其能够适应不同厂家生产的CCD芯片，方便用户的使用，满足不同用户的需求。而国内几家单位的研究还只限于对于特定CCD芯片的专门封装，属于民用低端产品。
传统的光电探测方式，实现方式及技术都很单一，很难实现全天候、远距离目标探测和清晰成像。
发明内容
为弥补对目标全天候、远距离进行清晰探测的缺陷，本发明提供一种新型的基于制冷型CCD的透雾和夜视系统，采用最先进的光电传感器件，具有多个探测波段(从可见光、近红外到中红外)，并具备较强的透雾和夜视能力，使系统具备全天时、全天候及恶劣天气下的远距离目标探测能力，可应用于地面和低空多种的预警。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：见图1，多光谱摄像机的组成是由光学系统(透雾和夜视)、光—电转换系统、图像信号处理系统、自动控制系统组成，此外还有DSP实时图像增强系统。光学系统成像后，光—电转换系统将成像转换成电信号，图像信号处理系统将图像处理后输出，自动控制系统不仅对输出的图像进行调节，而且对多光谱摄像机的微光/近红外光电探测方式进行切换。DSP实时图像增强系统的作用在于对数码摄像机输出的图像进行图像增强处理，以适应于各种不同环境下的图像观测。
多光谱摄像机覆盖从可见光到中波红外光谱范围(400nm到1200nm范围)，具有增强透雾和夜视能力，观测距离更远、图像更清晰。其光学系统组成见图2，分为近红外/微光(即透雾和夜视)两种模式。透雾摄像机镜头前加装多波段(可见光和近红外波段)滤光片，通过滤波片在成像光路上进行切换，使成像光束通过滤光片或不通过滤光片，达到成像光束为近红外波段或近红外+可见光“全波段”成像的目的，这样根据观测环境实际情况切换滤光片，实现单部摄像机的多波段光学探测。另外，其采用新型结构，降低F值，增加进光量；用大口径镜头，长焦距实现大景深(数米至无穷无需调焦)，提高了夜视探测距离。采用了对780nm以上近红外线敏感的CCD摄像机，使得其透雾能力明显提高。透雾摄像机及夜视高分辨率低照度微光摄像机组成的近红外和微光两种模式，用同一个CCD进行切换。
制冷型CCD器件制冷方式见图3，密封的CCD芯片的热量由制冷器而得到降低，制冷器类似毛细管状，其中有氟里昂，热量由散热片得到散发，同时有风扇进行降温处理，这些统称蒸发器。制冷CCD使得图像提取过程中噪声得到很好的抑制，从而使系统获得的准备进行后期处理的图像信号信噪比加强，使图像处理软件提取和处理更加有效，成像系统提高了分辨率和灵敏度。
DSP图像增强的增强效果见图4所示，实时图像增强技术采用了独特的时间域与空间域相结合的图像处理技术，大大增强了雾中微弱的图像信号，达到了很好的效果。
本新型的光电探测系统与传统的光电探测系统的区别在于：
1、其光学系统为多光谱摄像机，由透雾摄像机及夜视高分辨率低照度微光摄像机组成，分近红外和微光两种模式；其光—电转换系统为制冷型CCD，制冷CCD使得图像提取过程中噪声得到很好的抑制，从而使系统获得的准备进行后期处理的图像信号信噪比加强，这也将使图像的软件提取和处理更加有效，大大提高了成像系统的分辨率和灵敏度。2、其自动控制系统除了对光学系统的控制外，还增加了CCD切换控制，用来控制两个光学系统(透雾和夜视)的选择。3、有DSP实时图像增强系统。
本发明的有益效果是：综合利用目标各种频谱光源，合理发挥各光学机构和光电器件的潜能，利用制冷型CCD器件提高了成像系统分辨率和灵敏度，采用高性能的实时图像融合与增强处理算法，以较低的成本实现了全天候、远距离目标探测和成像；由于系统设计的特殊性，使得其连续工作时间和寿命远超出传统致冷式热成像设备，而性能却在大多数情况下超出这类设备。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1基于制冷型CCD器件的透雾和夜视系统图；
图2多光谱摄像机图；
图3制冷型CCD器件图；
1)CCD芯片
2)密封
3)毛细管(蒸发器氟里昂)
4)绝热空间
5)半导体制冷器
6)散热片
7)风扇
图4DSP图像增强效果对比图；
图5普通相机与多光谱摄像机所摄雾天对比图像；
在测试点直接可以看到首都机场的起飞降落飞机，有很好的民航机的观测条件。气象能见度：10公里，数据可知，采用近红外模式及DSP图像处理后，探测距离可达三倍能见度。
图6普通相机与多光谱摄像机所摄夜视对比图像；
上述对比图象中，左为普通相机所成图像，右为多光谱摄像机所成图像。
具体实施方式
参照图1，本发明的装置包括光学系统(透雾和夜视)、光—电转换系统、图像信号处理系统、自动控制系统、DSP实时图像增强系统。
多光谱摄像机通过控制电机带动滤波片在成像光路上进行切换，使成像光束通过滤光片或不通过滤光片，达到成像光束为近红外波段或近红外+可见光“全波段”成像的目的；通过控制电机转动带动成像器件沿光轴前后移动，以使靶面与像面重合，使成像清晰。具体实现如下：
·300mm焦距物镜；
型号：20X80LE
参数：焦距f 300mm
口径D 90mm
·35mm照相物镜；
型号：US3517MC
参数：焦距f 35mm
F/# 1/1.7
视场角2ω 14°
接口 C口
2/3”
外形尺寸 φ32×41mm
最小物距 0.3
调焦 手动
光圈 手动
-20~+50℃
·780~1200nm滤波片；
·索尼NC123NI低照度摄像机；
技术指标：有效成像面积 6.4×4.8mm
像元尺寸 8.6×8.3um
总像素 796×596
响应波长 400~1200um
最低照度 0.00001lx
工作温度 -20~50℃
在雾天或夜晚，为看到更远或更清晰目标，需要降低CCD噪音。造成CCD噪音的原因包括以下两个方面：1)CCD的结构和材料、CCD驱动电路数字化方法等都对噪音有影响，CCD的暗电流是导致CCD噪音的很重要的因素。暗电流是指在没有曝光的情况下，在一定的时间内CCD传感器中像素产生的电荷。2)热对于CCD也是噪音，曝光的时候长，曝光超过5-10秒，CCD芯片发热导致较多暗电流，若芯片没有致冷，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像到处可见雪花，影响图像质量。用高分辨率数字冷却CCD结合高通透镜头系统，使其能捕获到信号极其微弱的图像，且能最大程度降低噪音，减少背景，提供较好的图像清晰度。
有的CCD是在图像生成后通过软件去背景来扣除暗电流，这一方法在弱信号远强于背景时有效果，但是对于弱信号处理过程不合适。为了提高CCD的监测能力，通常通过降低CCD的温度来最大限度的减少暗电流对成像的影响，噪音在制冷CCD(一般在-25℃)条件下基本可被深度致冷消除，采用制冷CCD器件是发展趋势。
保温封装，使CCD温度降到低于环境温度35℃，信噪比较之前降低了12倍。若用阳极键合技术，在进行真空或惰性气体封装的情况下，采用玻璃和硅片，在真空状态下键合，同时控制密封层的厚度和质量，避免低温结霜，使CCD芯片温度进一步降低55℃，并防止低温结霜，信噪比较之前降低了14倍。
制冷CCD其使得图像提取过程中噪声得到很好的抑制，从而使得系统获得的准备进行后期处理的图像信号信噪比加强，这也将使图像的软件提取和处理更加有效。从而大大提高成像系统的分辨率和灵敏度。
DSP实时图像增强系统使用嵌入式DSP6437对图像进行增强处理。实时图像增强技术是在几十毫秒的时间内完成一帧视频图像的增强(40毫秒内完成对每帧PAL1该系统的核心部分之一，采用实时图像增强技术，可以有效提升对黑夜、沙尘和大雾中的目标图像。可以在恶劣条件下通过软件积分技术和智能化的图像处理技术穿透黑夜、沙尘和大雾等恶劣天气获取目标的图像，提取目标的实际图像进行增强。使用该技术后，可以达到透雾、增加清晰度、增加可辨识率、降低噪声等效果，可以极大地提高在不利天气条件下对目标的识别能力，使本来难以使用的图像变得容易使用，极大地提高了系统的目标探测和成像能力和工作范围。
通过普通相机与多光谱摄像机所摄图雾天夜视对比图像(分别见图4、图5)，分析可知，综合利用制冷型CCD光电成像技术、嵌入式微处理技术和图像处理技术，在雾天利用CCD的近红外波段透雾特点，采用实时图像增强技术，使其具有更好的透雾能力；夜间采用了大口径光学镜头，极大地增加了光通量，通过时间域和空间域相结合的图像处理技术大大地降低了噪声，并使用不同频段的图像融合技术，实现了在微光(星光和天光)条件下的夜视技术。
基于制冷型CCD器件的透雾和夜视系统组成图，在利用制冷型CCD器件基础上，综合利用目标各种频谱光源，合理发挥各光学机构和光电器件的潜能，采用高性能的实时图像融合与增强处理算法，以较低的成本实现了全天候、远距离目标探测和成像；由于该系统设计的特殊性，使得其连续工作时间和寿命远超出传统致冷式热成像设备，而性能却在大多数情况下超出这类设备。