一种面向弱目标探测的多模态红外成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感探测技术领域，更具体地，涉及一种面向弱目标探测的多模态红 外成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 红外遥感的场景红外辐射、散射的动态范围很大，而红外传感器仅具有有限的动 态范围。当遥感探测的弱目标处在复杂背景之中，弱目标的光场能量处于红外成像传感器 响应曲线的线性部分，在信噪比足够高的情况下，弱目标是可探测的;而当遥感探测的弱目 标的光场能量处于红外成像传感器响应曲线的耻部，或处于红外成像传感器响应曲线的肩 部，即处于响应曲线的非线性部分，响应率很低，则弱目标不可探测;对于弱目标处于红外 成像传感器响应曲线耻部的情况，是因为光通量不足导致不可探测，对于弱目标处于红外 成像传感器响应曲线肩部的情况，则是因为光通量过大导致不可探测;综上而言，现有的红 外遥感探测装置不具备适应大动态范围辐射或散射场景的能力。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向弱目标探测的多模 态红外成像系统及方法，其目的在于解决现有红外遥感探测系统无法适应大动态范围辐射 或散射场景的问题。
[0004] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向弱目标探测的多模态 红外成像系统，包括红外光学窗口、大视场二维扫描转镜、卡氏反射镜组、宽光谱中继镜、第 一透镜组、可调空间可变透过率透镜、第二透镜组、焦平面阵列（focal plane array，FPA) 模块、数据处理模块及空间可寻址透过率调制模块；
[0005] 工作中，目标区域的入瞳光场经过红外光学窗口入射到大视场二维扫描转镜，大 视场二维扫描转镜用于跟踪、瞄准目标区域，并将目标区域的光反射至卡氏反射镜组;卡氏 反射镜组收集大视场二维扫描转镜反射的光，并反射至宽光谱中继镜；宽广谱中继镜将卡 氏反射镜组反射的光线聚焦至第一透镜组;第一透镜组的出射光经可调空间可变透过率透 镜透射至第二透镜组;第二透镜组的出射光聚焦至FPA模块进行红外成像，获得图像序列， 并对该图像序列进行模数(A/D)转换生成图像数据;数据处理模块对该图像数据进行处理， 生成透过率调制控制信号；空间可寻址透过率调制模块在透过率调制控制信号作用下，生 成电压控制信号;可调空间可变透过率透镜在该电压控制信号的作用下，动态调整透过率；
[0006] 其中，第一透镜组为宽光谱透镜组，用于红外宽光谱能量会聚光斑质量的补偿校 正；
[0007] 可调空间可变透过率透镜镀金属可寻址可变透过率滤光膜阵列，实现光场透过率 切换;该金属可寻址可变透过率滤光膜阵列，在空间可寻址透过率模块的控制下，实现膜透 过率连续切换；
[0008] 第二透镜组为宽光谱透镜组，用于将可调空间可变透过率透镜的出射光聚焦至 FPA模块，在FPA模块进行目标红外成像；
[0009] FPA模块集成了 A/D转换功能，对于红外成像获得的图像序列可直接转换成数字信 号输出；
[0010] 数据处理模块用于提取目标光场能量值及背景光场能量值，根据目标光场能量值 及背景光场能量值获取透过率调制控制信号，以及积分时间控制信号；
[0011] 本发明提供的上述面向弱目标探测的多模态红外成像系统，通过数字信号处理模 块对探测目标光强度及背景光场强度比对分析，获得FPA与可调空间可变透过率透镜的调 控信号;通过调控FPA的积分时间与可调空间可变透过率透镜的透过率，将目标光场及背 景光场均调整到红外成像传感器响应曲线的线性部分，达到在光通量不足或光通量过大的 情况下均能对弱目标进行识别的目的。
[0012]优选的，上述面向弱目标探测的多模态红外成像系统，其焦平面阵列模块的成像 积分时间可调；由数据处理模块根据图像数据生成积分时间控制信号，焦平面阵列模块在 该积分时间控制信号作用下实时调整成像积分时间。
[0013] 优选的，上述面向弱目标探测的多模态红外成像系统，其卡氏反射镜组采用卡塞 格林系统，由一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜组成，用于对目标红外谱成像和能量 收集;其中，抛物面反射镜与双曲面反射镜遮挡比不大于1:3。
[0014] 优选的，上述面向弱目标探测的多模态红外成像系统，其可调空间可变透过率透 镜LenS(X，yA，t)采用金属或石墨烯材质，其光场透过率空间可调，根据外部控制信号进行 寻址调节;其中，λ为成像波长，（X，y)为空间坐标，t为时间。
[0015] 为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种面向弱目标探测的多 模态红外成像方法，具体包括如下步骤：
[0016] (1)将入瞳的光场进行反射和聚集；
[0017] 其中，，y，X，t)+fb(x，y，X，t);
[0018] 其中，T(x，y，A，t)为被探测目标辐射或散射光场能量，fb(X，y，A，t)为背景辐射或 散射光场能量;fb(x，y，A，t)具有大的光场强度变化范围;λ为成像波长，（ x，y)为空间坐标， t为时间；
[0019] (2)将经过反射聚集处理后的光通过可调空间可变透过率透镜Lens (X，y，λ，t)处 理，以改变光通量，获得滤光后的光场6 凡..j_
[0020] (3)对滤光后的光场&(X, y, 进行红外成像处理，获得场空间分布的光场fp (x，y，λ，?);
[0021 ] (4)判断上述光场fp(x，y，λ，?)是否处于红外成像传感器响应曲线的线性部分，若 是，则进入步骤(5);若否，则进入步骤(6);
[0022] (5)比较探测目标光场T(x，y，λ，?)与背景光场Fb(x，yA，t)，若T(x，y，λ，?)比Fb(x， y，A，t)小1~3个数量级，表明探测目标的信噪比不够，进入步骤（9)，若否，则进入步骤 (10);否则，以步骤(3)获得场空间分布的光场f P(x，y，A，t)作为被探测目标图像；
[0023] ( 6 )对场空间分布的光场/p y,λ,t)进行空间低通滤波，获得成像数据 fp (Λ：, yAt) ?并根据光场数据/p y,A,t)生成透过率调制控制信号；
[0024] (7)在该透过率调制控制信号的作用下，对滤光后的光场万(Xy入t)进行光场透 过率的空间调整，滤除空间光场中的强光区，获得有效光场/〇,3/入1〇;其中，
[0025] (8)对有效光场/(X, y,λ,进行积分处理，将探测目标的光场放大，获得二次成 像的红外图像以^7八3)，然后进入步骤(5);
[0026]其中，/(X, yAt) = k/(x, yAt)，k 为放大倍数，k 大于 1;
[0027] (9)将FPA模块成像积分时间调大，进入步骤(10);
[0028] 本步骤中，将FPA模块成像积分时间调大起到进一步增强弱目标信号成像信噪比 的作用；
[0029] (10)对二次成像的红外图像汽1，7，1，〇进行分割处理，提取特征，进行识别，获得 被探测目标图像；
[0030] 上述方法，通过透过率的空间调整滤除背景光场的强光区，并通过积分将目标光 场放大，将探测目标光场与背景光场均调整到红外成像传感器响应曲线的线性部分，提高 弱目标的信噪比，达到在光通量过大或光通量不足的情况下探测弱目标的目的。
[0031 ]优选地，上述面向弱目标探测的多模态红外成像方法中，光场透过率的调整方法 具体如下：
[0032] (a)对于光场数据/P〇,y,A,t)，若其中背景光场强度处于红外成像传感器响应曲 线的肩部非线性区(饱和），表明探测目标光通量过大，即处于强背景光场下；
[0033] 生成透过率调制控制信号，空间可寻址透过率调制模块在该信号作用下，输出可 调电压;可调空间可变透过率透镜在该电压作用下减小光场透过率，将目标光场透过率调 整至红外成像传感器响应曲线的线性区；
[0034] (b)对于光场数据yA,t)，若其中背景光场强度处于红外成像传感器响应曲 线的趾部非线性区（曝光不足），表明探测目标光通量不足，即处于弱背景光场下；
[0035] 生成透过率调制控制信号，空间可寻址透过率调制模块在该信号作用下，输出可 调电压;可调空间可变透过率透镜在该电压作用下增大光场透过率，将目标光场透过率调 整至红外成像传感器响应曲线的线性区；
[0036] 通过上述方法，根据成像图像数据实时调整光场透过率，达到将目标光场透过率 调整至红外成像传感器响应曲线的线性区。
[0037] 总体而言，通过本发明所构