单通道可见光与红外图像采集融合监测系统.pdf

本发明公开了一种单通道可见光与红外图像采集融合监测系统，包括双波段前端光学镜头、分光器、可见光图像传感器和红外图像传感器；双波段前端光学镜头设置在单通道的前端，分光器设置在该双波段前端光学镜头的后方，分光器将光分为两束，其中一束光为透射的红外光束，通过红外图像传感器接收，另一束光为反射的可见光光束，通过可见光图像传感器接收；可见光图像传感器接收的可见光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去；红外图像传感器接收的红外光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去。本发明可实现单通道双光谱图像的高准确度实时融合。

权利要求书
1.  一种单通道可见光与红外图像采集融合监测系统，其特征在于，包括双波段前端光学镜头、分光器、可见光图像传感器和红外图像传感器；
所述双波段前端光学镜头设置在单通道的前端，分光器设置在该双波段前端光学镜头的后方，分光器将光分为两束，其中一束光为透射的红外光束，通过红外图像传感器接收，另一束光为反射的可见光光束，通过可见光图像传感器接收；
该监测系统还包括可见光驱动与数据采集电路和可见光信号处理电路，所述可见光图像传感器接收的可见光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去；
该监测系统还包括红外驱动与数据采集电路和红外信号处理电路，所述红外图像传感器接收的红外光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去。

2.  根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述可见光信号处理电路和所述红外信号处理电路集成在一个电路板上。

3.  根据权利要求2所述的监测系统，其特征在于，该监测系统还包括反射器，设置在所述分光器与所述可见光图像传感器之间，改变所述分光器反射的可见光的光路，使可见光入射到所述可见光图像传感器的探测阵列上。

4.  根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述可见光图像传感器前方还设有波段调整器。

5.  根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述可见光图像传感器为可见光CMOS或CCD。

6.  根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述红外图像传感器为红外UFPA探测器。

说明书单通道可见光与红外图像采集融合监测系统
技术领域
本发明涉及双光谱图像监测系统，尤其涉及一种单通道可见光与红外图像采集融合监测系统。
背景技术
在某些工业设备状态监控领域中，需要在观察识别目标物外观的同时又能得到目标物体的温度分布信息，这种双光谱图像融合技术能够直观生动、快速准确的识别发热目标物体的整体形态及温度分布，可以显著提升目标识别及状态监测效率。目前国内外对于可见光和红外图像双光谱融合的系统都采用了两套各自独立的光学通道设计方案，双光学通道物理上不同轴，视场上必然存在偏差，使用时必须针对不同距离的目标进行配准适配。这种双光学通道系统只有目标物距离不变时时才能实现两幅图像的准确配准融合，而当相机和目标相对位置发生改变时，必须进行重新配准，现有的任何处理器都无法实现同视场运动目标不同距离的双光谱图像的实时配准融合。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中传统双光路监测系统存在的双光实时配准融合的缺陷，提供一种可实现双光谱高准确度的实时融合的单通道可见光与红外图像采集融合监测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种单通道可见光与红外图像采集融合监测系统，包括双波段前端光学镜头、分光器、可见光图像传感器和红外图像传感器；
所述双波段前端光学镜头设置在单通道的前端，分光器设置在该双波段前端光学镜头的后方，分光器将光分为两束，其中一束光为透射的红外光束，通过红外图像传感器接收，另一束光为反射的可见光光束，通过可见光图像传感器接收；
该监测系统还包括可见光图像传感器驱动与数据采集电路和可见光信号处理电路，所述可见光图像传感器接收的可见光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去；
该监测系统还包括红外图像传感器驱动与数据采集电路和红外信号处理电路，所述红外图像传感器接收的红外光经采集、处理后，通过通讯传输电路发送出去。
本发明所述的监测系统中，所述可见光信号处理电路和所述红外信号处理电路集成在一个电路板上。
本发明所述的监测系统中，该监测系统还包括反射器，设置在所述分光器与所述可见光图像传感器之间，改变所述分光器反射的可见光的光路，使可见光入射到所述可见光图像传感器的探测阵列上。
本发明所述的监测系统中，所述可见光图像传感器前方还设有波段调整器。
本发明所述的监测系统中，所述可见光图像传感器为可见光CMOS或CCD。
本发明所述的监测系统中，所述红外图像传感器为红外UFPA探测器。
本发明产生的有益效果是：本发明采用单一光学通道设计，通过将双波段前端光学镜头设置在单通道的前端，并通过分光器将光分为两束，其中透射的红外光束通过红外图像传感器接收，反射的可见光光束通过可见光图像传感器接收；再分别采集和处理红外光和可见光，最后实现双光融合输出。本发明保证了可见光、红外光物理上的绝对同轴，无论目标远或近、静或动都能实现双光谱高准确度的实时融合。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例单通道可见光与红外光双波段图像融合系统组成示意图；
图2是本发明实施例单通道可见光与红外光双波段图像融合系统电路原理框图；
图3是本发明实施例单通道可见光与红外光双波段图像融合系统底层嵌入式软件结构框图；
图4是本发明实施例单通道可见光与红外光双波段图像融合系统中全双波段前端光学镜头的结构示意图；
图5是本发明实施例单通道可见光与红外光双波段图像融合中的波段调整器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的单通道图像融合系统是以单通道同时对目标进行双波段光学成像，并通过对可见光和长波红外图像的像素级融合实现对目标的视觉信息和温度信息的实时分辨。因此，该系统光学成像部分的作用是通过单一光学成像孔径，也即光学单通道，同时接收目标反射或发射的可见光波段和红外波段的光波能量，将其通过光学变换分别清晰地成像在系统的光传感器上，如可见光CMOS或CCD和红外UFPA探测器上。
如图1所示，本发明实施例的单通道可见光与红外图像采集融合监测系统，包括双波段前端光学镜头10、分光器20、可见光图像传感器40和红外图像传感器30。
双波段前端光学镜头10设置在单通道的前端，能将两个波段的光能量同时汇聚在后续的分光器20上；双波段前端光学镜头10的结构如图4所示，可见光调整镜头结构示意图如图5所示。分光器20设置在该双波段前端光学镜头的后方，分光器20将光分为两束，其中一束光为透射的红外光束，通过红外图像传感器30接收，另一束光为反射的可见光光束，通过可见光图像传感器40接收。本发明的一个实施例中，可见光图像传感器40可选择可见光CMOS或CCD，红外图像传感器30可选用红外UFPA探测器。
如图2所示，该监测系统还包括可见光图像传感器的驱动与数据采集电路80和可见光信号处理电路51可见光图像传感器40接收的可见光经采集、处理后，形成可见光图像信息，通过通讯传输电路发送出去。
该监测系统还包括红外图像传感器的驱动与数据采集电路90和红外信号处理电路52，红外图像传感器30接收的红外光经采集、处理后，形成红外图像信息，通过通讯传输电路发送出去。
本发明的一个较佳实施例中，可见光和红外图像数据的采集采取同步时序设计，可见光图像传感器采用CMOS，红外图像传感器采用采用非制冷焦平面阵列UFPA，两者的驱动电路采用同一主频时钟信号，可实现两个波段图像的严格同时采集，保证了图像融合的实时性。
本发明的一个具体实施例中，系统电路组成部分如图2所示，其工作原理为：光学镜头将可见光和红外光信号分波段聚焦在可见光图像传感器CMOS或CCD和红外焦平面阵列UFPA上，可见光经CMOS或CCD驱动与数据采集后经处理电路，再由通讯传输电路发送给上位控制器。红外通道经UFPA驱动、红外数据采集、处理后，也由通讯接口发送给上位控制器。
本发明的一个实施例中，如图1所示，可见光信号处理电路40和红外信号处理电路40集成在一个电路板50上。
如图1所示，当使用集成的电路板50时，需要改变分光器20的其中一束出射光的光路，若改变可见光的光路，则需要在分光器20与可见光图像传感器之间设置一个反射器60，改变分光器20反射的可见光的光路，使可见光入射到可见光图像传感器40的探测阵列上。相应地，如果电路板50放置在分光器20的反射光处，则需要在分光器20与红外图像传感器30之间设置一个反射器。
本发明的一个实施例中，如图1所示，可见光图像传感器40前方还设有波段调整器70，以消除两个不同波段的相差，其结构示意图如图5所示。
本发明的一个实施例中，根据设计要求，单通道图像融合系统要求在视场角范围内对目标清晰成像，可见光波段输出RGB彩色图像，而对8－14μm长波红外输出灰度图像，其中所采用的红外UFPA探测器与可见光CMOS或CCD图像传感器像元间隔、像素大小相互匹配。单通道图像融合系统的光学成像系统是一种覆盖可见光和长波红外波段的宽波段混合光学成像系统。该系统在可见光波段和长波红外波段对像差校正的要求不同，且考虑到图像融合的要求，该系统应保证在物方具有相同的视场角和成像区域，即视场匹配。
本发明可通过软件的方式实现传感器的驱动和数据采集，根据所运行的硬件平台不同，可分为底层嵌入式软件与系统机软件两大组成部分。
底层嵌入式软件运行于嵌入式硬件平台，其作用是驱动图像采集硬件电路，实现目标红外图像和可见光彩色图像的采集和预处理以及与系统机通过无线网络进行数据交换等功能。系统机软件运行于PC平台，其作用是通过通讯网络与底层嵌入式平台交换数据，对所接收的视频图像数据进行处理与分析，并对结果进行实时显示和保存，底层嵌入式软件结构框图见说明书附图图3所示。
综上，本发明只需单个光学镜头，采用同轴光路设计，在光路中加入分束器进行分光，使红外和可见光具有相同的视场，不仅减少了有效载荷的体积和重量，而且能够实现不同距离目标双波段图像的像素级融合，比采用双镜头成像后的图像融合具有本质上的优势，实现了动态目标的实时图像融合。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。