便携式激光光斑记录仪的制作方法

1.本发明涉及手持光电侦察设备领域，尤其涉及一种激光光斑记录仪。


背景技术：

2.1064nm脉冲激光是一种最为常用的军用激光波段之一，一般用于激光测距、激光目标指示、激光引偏、激光致盲、激光武器等领域。而1064nm激光是一种人眼不可见的近红外激光，因此，对1064nm激光的观测需要借助近红外传感器成像。观测1064nm激光光斑一般使用硅基cmos、ccd传感器、感光相纸、近红外荧光卡等设备，而对于远距离1064nm激光光斑观测一般使用si、ingaas、hgcdte等面阵成像传感器。这些探测方式的主要优缺点如下：
3.(1)感光相纸、近红外荧光卡等：成本低廉、使用方便、探测范围广，但这些探测方式只适用于实验室环境进行近距离探测，只能作为相关研究人员的一种辅助观测手段；
4.(2)si基cmos、ccd传感器：成本相对低廉、图像分辨率高、成像效果优异，但1064nm已经处于传感器响应波段的边缘，传感器对1064nm激光的量子效率一般低于5％。这使得探测器对环境光的响应明显高出对光斑的响应，进而严重影响光斑探测的信噪比。ingaas近红外面阵传感器：对1064nm激光有较高的响应,具备一定的夜视能力，可以较为容易地滤除环境光对光斑探测的影响，同时还具备一定的夜视能力。但ingaas面阵传感器成本较高，分辨率较低，成像效果也远不如传统的cmos、ccd传感器。hgcdte制冷型中红外传感器：对1064nm激光有响应，同时具备较强的夜视能力，但其成本较高，图像分辨率较低，对镜头要求较高。
5.除了1064nm波段对光斑观测带来了一定难度，脉冲1064nm激光极低的占空比也给光斑观测带来了不小的技术难度。一般军用1064nm脉冲激光的脉宽不大于20ns，频率不高于100hz，其占空比仅为10
‑
6量级，这使得传感器快门不易捕捉到激光脉冲，同时传感器曝光时间内绝大部分响应的是环境光，使得光斑成像的对比度较低。
6.为了提高光斑成像的对比度，可采用脉冲同步的方法保证传感器每次曝光都能接收到光斑，同时降低曝光时间，提高信噪比。但作为独立使用光斑观测设备，难以实现与激光器的同步。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种可以实现在强环境光下远距离探测1064nm激光光斑的便捷式激光光斑记录仪。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.提供一种激光光斑记录仪，包括近红外镜头、分光棱镜、cmos板机、主控制模块、图像处理模块和图像显示器；所述分光棱镜具有不同波段的光学透过率；cmos板机包括两个cmos传感器，其中第一cmos传感器为低照度cmos，第二cmos传感器为全高清cmos；
10.外部环境光通过近红外镜头进入分光棱镜，分光棱镜将背景光与1064nm 激光分别成像于两个cmos传感器上，分别形成激光光斑和背景图像，图像处理模块通过图像融合
技术得到光斑探测图像，并通过图像显示器显示融合后的光斑图像。
11.接上述技术方案，近红外镜头为宽波段可调焦镜头，焦距为200mm，波段为450nm～1100nm，f数为3.5。
12.接上述技术方案，分光棱镜包括直角三角棱镜和直角梯形棱镜，其中直角梯形棱镜的斜面和直角三角棱镜的一个直角边重合，该直角边上镀有反射膜，背景光中的可见光通过该反射膜反射进入第二cmos传感器，1064nm激光透过该反射膜进入第一cmos传感器。
13.接上述技术方案，可见光在直角梯形棱镜中经过两次反射进入第一cmos 传感器，两路光均垂直于出射面。
14.接上述技术方案，该激光光斑记录仪包括前组、壳体组和后组，前组上安装有近红外镜头、分光棱镜、第一cmos传感器、第二cmos传感器及锂电池仓；壳体组内安装前组、主控制模块和图像处理模块，壳体组外部正上方设有多个控制按键，控制按键与主控制模块连接；壳体组左右两侧各设置1 个便于手持的护手带；后组安装开关按键、纽扣电池仓及目视通道，开关按键与主控制模块连接。
15.接上述技术方案，图像处理模块具体执行：
16.(1)光斑提取分离：将激光光斑图像进行二值化,得到二值图像，将目标从背景中分离出来，同时记录对应像素的位置信息。
17.(2)光斑着色：将分离出来的所有为1的像素全部着成统一的颜色；
18.(3)融合叠加：将激光光斑图像直接叠加至可见光通道之中所成的环境背景图像对应的像素位置。
19.接上述技术方案，若融合叠加时，存在一定误差可在x\y方向设置一定的偏移量。
20.本发明产生的有益效果是：本发明采用对可见光具有高抑制能力的滤光片实时切入至光路中的方法，有效提高1064nm光斑成像的效果，可以实现在强环境光下远距离探测1064nm激光光斑。此外，本发明可自动适应不同光照环境下的光斑探测，即使在强光照环境和夜间都可进行光斑探测，可实现高对比度、低噪点、高分辨率光斑探测。
附图说明
21.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
22.图1是本发明实施例激光光斑记录仪的原理结构示意图；
23.图2是本发明实施例激光光斑记录仪电气系统结构示意图；
24.图3(a)
‑
图3(d)是本发明实施例激光光斑记录仪的结构示意图；
25.图4是本发明实施例近红外镜头结构示意图；
26.图5是本发明实施例分光棱镜结构示意图；
27.图6是本发明实施例入射光发生偏转时的光路图。
具体实施方式
28.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。
29.本发明是根据市场需求研制可观测1064nm脉冲激光光斑的手持激光光斑记录仪，
用于外景侦察、观测及记录激光照射器光斑。本发明首要解决激光照射器光斑远距离侦察探测问题，其次在保证激光光斑远程探测作用的前提下尽量减小体积，降低成本，做到可便携装备。该发明突破了1064激光光斑 cmos成像技术、宽波段近红外镜头技术、视频图像处理等关键技术，具有探测距离远大于现有各种激光光斑探测技术手段(本发明最大光斑探测距离不小于5公里)、适应各种光照环境、可便携等优点，可应用于国防、公安、科学研究等领域。
30.该发明使用双coms成像技术，针对单探测器对1064nm激光光斑观测成像技术进行了优化。其原理如图1、2所示，激光光斑记录仪主要包括近红外镜头、分光棱镜、cmos板机、主控制模块、图像处理模块和图像显示器。
31.其中分光棱镜具有不同波段的光学透过率；cmos板机包括两个cmos传感器，其中第一cmos传感器为低照度cmos，第二cmos传感器为全高清cmos；外部环境光(即背景光)通过近红外镜头a进入分光棱镜b，分光棱镜将背景光与1064nm激光分别成像于两个cmos传感器上，分别形成激光光斑和背景图像，图像处理模块通过图像融合技术得到光斑探测图像，并通过图像显示器显示融合后的光斑图像。
32.近红外镜头主要完成将光线聚集在传感器靶面上，生成图像锐利、比例正确的图像。如图4所示，本发明实施例的近红外镜头主要包括四个光学棱镜，总长为170mm。近红外镜头为宽波段可调焦镜头，焦距为200mm，波段为 450nm～1100nm，f数为3.5，由于该镜头工作波段范围很宽，色差是影响其成像性能的主要因数，在设计过程中选取合适的透镜材料是设计的关键，使用普通的光学玻璃是很难校正色差，本发明实施例中采用多个高色散玻璃(氟化钙)组成近红外镜头来进行色差校正。
33.如图5所示，分光棱镜包括直角三角棱镜和直角梯形棱镜，其中直角梯形棱镜的斜面和直角三角棱镜的一个直角边重合，该直角边上镀有反射膜，背景光中的可见光通过该反射膜反射进入第二cmos传感器，1064nm激光透过该反射膜进入第一cmos传感器。两路光通过一个分光棱镜实现共光学系统成像，且当棱镜安装发生一定角度的失调时，仍能保证两幅图像的重合。
34.双coms成像技术其基本原理为外部环境光通过近红外镜头进入到分光棱镜，分光棱镜具有不同波段的光学透过率进而将背景光与1064nm激光光斑分别成像于两个cmos传感器上，然后通过图像融合技术获得高质量光斑探测图像。其中cmos1(即第一cmos传感器)采用低照度cmos，cmos2(即第二cmos 传感器)采用全高清cmos。该方案可自动适应不同光照环境下的光斑探测，即使在强光照环境和夜间都可进行光斑探测，可实现高对比度、低噪点、高分辨率光斑探测。
35.本发明进一步采用多传感器图像融合处理技术，将全高清cmos对背景环境所成像和使用低照度cmos对光斑所成像经过去噪、时间配准、空间配准和重采样以后，再运用以加权平均法为基础的图像融合算法得到合成图像，通过对两幅传感器图像的融合处理，进而可以克服单一传感器在几何、光谱和空间分辨率等方面存在的局限性和差异性、提高图像质量。
36.传统的分光棱镜为方形，包括两个直角三角形，斜边重合。水平方向透射激光，可见光为一次反射出射，两路光均垂直于出射面。而本发明的分光棱镜使得可见光经过两次反射，反射次数不一样。
37.当入射光线发生偏转时，由图6可以看出，分光棱镜的两路光线往同一个方向变化，而传统的方形分光棱镜的两路光是反向变化的。在本发明的激光探测系统中，可见光作为观察系统背景光，与激光光路共轭，而入射光的偏差会引起探测传感器探测的偏差，本发明的分光棱镜结构则消除了这种系统误差，而传统的方形分光棱镜会放大这种误差。
38.本发明的图像处理模块采用图像融合算法设计基于以fpga硬件融合的实现步骤为主线,包括模拟视频编解码模块、配置模块、图像配准和融合叠加模块等等，其中主要算法包括：
39.(1)光斑提取分离：假设输入红外通道只有较为干净的激光信号，那么在图像上显示的应为黑背景下的一个光斑，为了加快运算速度,加大数据的压缩，先将灰度图像二值化,得到二值图像。可先设置阈值,若像素灰度值小于阈值,则置其新灰度值为o,否则置为1，使整个图像变成仅用两个值(0和l)来分别表示的图像目标和背景图像的二值图像，以这个阈值作为标准,保证了将目标从背景中分离出来，同时记录对应像素的位置信息。此外，阈值的确定可由人为试验设定、全局阈值以及自适应阈值等方式。
40.(2)光斑着色：将分离出来的所有为1的像素全部着成统一的颜色，提高光斑的亮度，使其在和可见光背景图像融合时，对比度增强。
41.(3)融合叠加：目前设置的算法是将激光光斑图像直接叠加至可见光通道之中所成的环境背景图像对应的像素位置。融合算法内置了加权平均算法、拉普拉斯金字塔融合算法等，可根据实际情况进行配置。融合叠加的时候实现图像配准，包括对时序和空间上的图像数据配准，形成完全一致的图像输出，若光学配准存在一定误差可在x\y方向设置一定的偏移量。
42.如图3(a)
‑
图3(d)所示，本发明是体积为151
×
81
×
235mm的便携式手持设备，其机械结构由前组10、壳体组20、后组30三部分构成。前组上安装有光学探测通道及锂电池仓11，锂电池仓11外设有电池仓盖12；前组上还设有一个放气孔13，用于调节整个设备内部气体环境。壳体组内部用来安装电路板(包括主控制模块21，图像处理模块22)和容纳前组的光学探测通道及锂电池仓，壳体组外部正上方为6个控制按键23，壳体组左右两侧各有1个便于手持的护手带24；后组安装有1个开关按键31、纽扣电池仓及目视通道32。本发明的主控制模块如图2所示，由双cmos、主控模块、图像处理模块以及图像显示模块四部分构成。
43.本发明的工作过程为：由电池为设备进行供电，通过后组上的开关按键控制设备的开关机，由壳体组上方的6个功能按键控制设备不同的功能模式，在观测模式下，外部光线通过光学探测通道经过光学处理后汇聚到coms上， cmos将光信号转化为电信号并传输至图像处理模块，图像处理模块进行图像处理后，再将生成的视频信号传输至显示模块。具体使用方法为，开机时，长按“开关”键3秒，按键弹起后即开机，关机时同理；可通过长、短按“+”、
“‑”
进行调焦和微调；可通过短按“录像”、“拍照”进行录像和拍照；可通过短按“模式”键，进行滤光片的切入和弹出，长按“模式”键弹起后，即进入列表模式，然后即可通过短按“+”、
“‑”
键进行选择，选择后通过短按“回放”键进行照片和视频的回放，选择后亦可通过长按“拍照”键进行删除操作，在列表模式下长按“模式”键即退出列表模式。
44.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。