可见光_红外全景光学系统设计.doc

序号：HLJGDJS022 附件4：第二届黑龙江省大学生光电设计竞赛创意设计类创意策划书 竞赛题目： 可见光 红外全景光学系统竞赛队名： 云柏科技 指导教师推荐理由：（希望评委关注的亮点，言简意赅、切忌浮夸、否则会影响成绩、80字内）1、2、3、4、5、黑龙江省大学生光电设计竞赛组委会制 二一七年三月队长姓名张柏谦学校齐齐哈尔工程学院学号2016320167专业班级软件161班E-手作者姓名学号专业、班级所在学校联系方式杨云铃2016160116电子科学与技术齐齐哈尔工程学导教师姓名学校所在院系联系电话/手机E-mail齐齐哈尔工程学院创意策划方案创意策划方案可见光/红外全景系统随着科技技术快速发展与进步，各个国家的国防防御要求不断提高和民用交通指挥系统的日益复杂，则需要更高精度、更高效的照踪和监控系统。人们为了保证系统更加高效，采用组合式探测方式、多个探测波段和多种探测模式相结合，综合处理各种信息。人们为了提高获得信息的有用率，采用组合式探测方式。为了对目标物体实施不间断24小时全天探测，通过选择多个探测波段方式实现对目标物体的远距离的跟踪与探测。利用组合式探测与多波段方式，在比较复杂环境下提取了更多探薄目标物体的信息，对目标物体动态有了更加准确的判断，整体提高了探测、跟踪的精度。优点如下：1）提高了系统可利用率 当探测目标物体所处的环境较为复杂，有时单个传感器会出现不能工作、信号不稳，更甚者出现被探测目标超出了测量范围，采用多种方式及组合，各个传感器工作原理不同，会有个别传感器能正常工作，提高了系统在复杂环境下的可利用率。2)加大了时间范围 当单个传感器会出现不能工作、丢失探测信息，其它传感器探测出被探测目标信息，使被探测目标一直处在被探测范围内，加长了探测时间范围，3)提高了可信度 采取组合及多种方式探测被测目标，每个传感器都会对被探测物体进行判定，但单个传感器不能全方位的反应物体的全部特征与信息，多种方式的组合弥补了单个探测判定不足的状况，使被测物体更加接近真实提高了可信度。1、 红外发射管、接受管分析 红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离;反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。双管红外发射电路，可提高发射功率，增加红外发射的作用距离。根据红外线发射管芯片的特性，依据不同波长可以得到更广泛的应用，例如：波长：940nm，适用于遥控器，例如家用电器的遥控器;波长：808nm，适用于医疗器具，空间光通信，红外照明，固体雷射器的泵浦源。波长：830nm，适用于高速路的自动刷卡系统(夜视系统最好，可以看到管芯上有一点红光)。波长：840nm，适用于摄像机彩色变倍红外防水;波长：850nm，适用于摄像头(视频拍摄)数位摄影，监控，楼寓对讲，防盗报警，红外防水。波长：870nm，适用于商场，十字路口的摄像头。2、 无线传输技术无线传输技术存在组网灵活方便，开通迅速、维护费用低的优点，因而其应用存在着巨大的市场。但是随着无线传输技术的迅速发展，它的安全性问题越来越受到人们的关注。其可分为模拟微波及数字微波两种方式。模拟微波：此种方式传输就是将视频信号直接调制在微波的通道上，通过天线发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，再通过微波接收机解调出原来的视频信号。据携远天成石朝兆介绍，此种监控方式没有压缩损耗，几乎不会产生延时，因此可以保证视频质量，但其只适合点对点单路传输，不适合规模部署，此外因没有调制校准过程，抗干扰性差，在无线信号环境复杂的情况下几乎不可以使用。而模拟微波的频率越低，波长越长。数字微波：数字微波即是先将视频信号编码压缩，通过数字微波信道调制，再利用天线发射出去；接收端则相反，由天线接收信号，随后微波解扩及视频解压缩，最后还原为模拟的视频信号传输出去，此种方式也是目前国内市场较多使用的。数字微波的伸缩性大，通信容量最少可用十几个频道，且建构相对较易，通信效率较高，运用灵活。数字微波有模拟微波不可比的优点，如监控点比较多、需要加中继的情况多、情况复杂且干扰源多的场合。总之，数字微波容量大、抗干扰能力强、保密性好，同样的发射功率传输距离更远，受地形或障碍物影响较小，接口丰富，扩展能力强等等。反之，模拟微波就没有这些优点了，只是造价便宜一点。（二）国内技术 我国对该问题的研究尚处于初级阶段。在2003年由国家自然科学基金资助开展的折运射光学全景成像，全景图像恢复等方面的研究，上海交通大学的除卫东副教授结合全发成像理论，研究了广度优化搜素法最后应用于移动机器人导航系统。但这些研究还处在理伦试验研究阶段，距工程应用尚待时日。浙江大学杨国光教授提出了一种180度大视场y形全景凝视成像方法，这种全新的成像手段可以获得无远景深的凝视像，但设计工作量大，且获得实性时较难.1998年浙江大学光电信息工程学院就已开始研究全景成像方面，并且将二元光学应用于全景领域，取得了重大的进展，为国内首创的研究成果，为以后的研究提供了使用价值及参考价值。除了这项技术外，2004年全景技术又出现了一种新的方法，是由曾责勇、苏显渝提出的折反射全兼成像系统设计方法，该方法将非球面反射镜与成像技术相给合，已实现全方位场景成无畸变像！目前，国内虽然红外技术已经较为成熟，但是可见、红外与全景结合技术的工程应用仍处于相对落后阶段，只有一些学校、研究所在从事这方面的研究。由王水仲设计的红外热成像鱼眼镜头”，已广泛用于医疗内窥检查，边防监视，气象探测等生活各个方面。二、 项目技术路线及设计全景成像系统视场大，能够获取的信息量大，价格也不昂贵，而且观测也方便。全景系统在军事上用于目标监控，全景视频会议，恶劣环境下探测目标等等。随着技术的日新目异的发展，有很多方法来设计全景成像，超广角鱼眼镜头视场角能达到l80甚至更大，它的缺点在于畸变很大，对于图像拼接不利；旋转扫描式全景成像只能在实时性要求不高的环境下应用，它的图像更新速度也不高，并且扫描结构庞大，结构复杂不利于小型化便利化发展；折反射全景系统存在中心景物探测不到的缺点，它用到曲面反射镜，加工没有球面简单，装调也很复杂。共口径分光路分别设计可见光部分和红外部分。在共口径部分选择多光滑破化锋和氧化钙的晶体材料，它们都是宽光谱材料，都是在可见和中红外波段可透过的。在分光棱镜表面要镀透可见反射红外的融层，作为可见光部分设计，选择四个结构形式完全360成像，由于全景系统是大视场大相对口径系统，整个系统结够复杂。（一）技术参数设计工作波段范围为380760nm，要求对方位360成像，每一方向的采像物镜视场为92相对孔径为1/2：考虑到实时性选用面阵CCD：光学尺寸：1/2英寸：像元尺寸；5.6um*5.6um，分辨率：13921040（V)；帧速率：100fps：采像物镜设计1）设计方法由于所设计的全景系统需要一个长的后截距以安装快门结构和探测器元件，园采样物镜初始结构选择广角反摄远形式，目前光学设计软作的使用大大加速了光学系统设计的设计时间，和成功率，我们用ZEMAX，CODEV等软件都可以对复杂的光学系统进行设计。现以ZEMAX光学设计软件上机调试，设计出了满足要求的光学系统。2）系统设计过程a、选取初始结构物镜视场范围要求很大，考虑到全景系统中的设计主要适用于大税场角度的设计，所以在设计中要合适的选择成像系统，透射系统常有两种结构形式：摄远与反远距，摄远在光学系统中分为正组和负祖，并且负组位于后面。它的后截距小子集距，光学系统的总长度小于焦距。对小视场系统和焦距很长的系统用的较多，改光学系统的前组光焦度大于后组，结构也复杂于后组结构，由于前组正进镜的聚焦，轴外像差很大，整个系统结构不适合大视场成像给要求，所以我们选择反远距作为初始结构形式。美国专利第5816999号广角镜头（二）工作原理考虑到全景光学系统处在运动场合带来某些帧频信息的丢失，全景光学系统采像系统选用分布孔径的方法，但该方法存在光心校对难，参考了国内外多镜头全景成像的方法，和结合本文设计思路，确定全景光学系统转像部分采用特殊形式，不但能够最大量的接受有用信息，还解决了分布孔径部署产生的光心不能很好的对准的问题。对于大视场光学系统，在保证一定的相对孔径，单个系统无法满足像质要求，此时，选择多个镜头(本文选择四个镜头，每个镜头视场角大于90度）组合来实现，这就是孔径分布的概念。孔径分布概念原理如图，孔径分布概念原理1. 可见光/红外全景光学系统原理图为了使整个系统结构简单，和方便光学装校，整个系统选择采用四个结构参数相同的镜头组成对称性的结构形式，考虑每相邻帧频图像有重叠，所有每个采镜像头视场角选择大于90（一）材料：1.采像物镜前组 （14） 2.转像棱镜 （56） 3.合束棱镜 （7）4.分束棱镜 （8） 5. 反射镜 （10） 6.红外线物镜后组 （9）7.可见物镜 （11）三、产品现状作为全新的成像系统，全景成像技术在很大程度上依赖于光学技术以及成像系统光学元器件的发展。二元光学即折行式光学、大面阵凝视成像器件以及图像处理技术是成像技术中的核心技术。全景成像技术究其优异特征在军事与民用上应用广泛，许多场合需要对现场图像进行采集与比对，如预警机高空侦察、制导导弹的指引、公共场所安全监测、公安边防、海洋地质地貌探测、陆地地下岩层勘探、三维物体和情景重现等等场合。预警机的高空采集图像数据，能为以后的军事任务提供更加准确地理坐标。摄像头的监控技术早已经在民用上广泛使用，大到公共场所的安检，小到家庭式的安全防盗系统。分布式孔径红外系统在机载作战平台上观瞄系统的使用，综合体现出了一种高性能系统，实现了扫描被测物体、锁定物体、预判物体轨迹、预警反应，是真正完全意义上的多功能一体化的系统，这也是现如今观瞄系统的发展需要，同时也预示全景观瞄的趋势1）扫描角度更大，凝视型为新的发展现如今普通的扫描系统具有扫描花费时间长、回馈速度慢、旋转摆动误差大等问题使用凝视型系统就能改善上述问题，战场实时性很强，所谓战场情况瞬息万变，它需要对信息进行实时高速采集。凝视型系统具有实时高速采集信息能力，在于它提高了采集信息数据的频率数，增加了图像信号处理与传输值，使用了具有更加高速运算及存储能力的计算机，凝视型系统已经成为发展的新方向。2）多功能一体化的系统普通观踏系统所具有的对威胁做出距离警告、对被测物体及目标的扫描，实现的功的的比较单一，如需更多功能则要加入多的模块。新的观瞄系统实现对被测物体及目标的远距离扫描与监测，并能对被测物体移动方式、轨迹进行预判，跟踪目标物体；运用高速计算机计算与图像信息处理对目标进行瞄准、计算不同武器与被测物体各种参数，启动武器对目标物体进行武力打击。3）计算机视觉系统 普通的武器对抗中大多还是采用肉眼的方式进行搜索与瞄准，这里较为典型的是坦克装甲车辆。在实际作战时用肉眼来跟踪目标、进行搜索、瞄准、发射，这在一定程度具有人为误差性、准确性较差，作战环境恶劣和伪装技术快速发展，使单独使用肉眼的观瞄系统就会使打不准目标的情况更为严重，利用高速计算机引入视觉系统来提高火控系统的自动化程度，利用这一系统实现被测目标的自动搜索、测物体移动方式、轨迹进行预判，借助图像处理跟踪目标物体，锁定目标最终进行打击。较高的图像质量与对所获得图像进行快速处理的能力，是保障精确且快速搜索、定位攻击目标的前提”。2. 工作流程图特点：分可径式全方位部署采像物镜。设计了共口径、分光路全方位360四通道可见光/红外全景光学系统，该系统分别使用一个可见光CCD探测器和一个非制冷红外焦品面探测器来代替多个探测器来接受收全方位的视觉信息，大大节约了系统的成本。分别详细介绍了全景成像系统中可见光部分和红外部分的设计过程，并对各自的设计结果进行了各类像差曲线的分析。从各自的传递函数、点列图、象散畸变图、垂轴像差图分析出系统在全视场范围里有良好的成像质量。为了减少整个系统的体积和质量，来更好的