[发明专利]一种基于转轮动态分光的高动态范围成像模块

说明书

技术领域

本发明涉及传感器高动态成像领域，具体涉及一种基于转轮动态分光的高动态范围成像模块。

背景技术

光测由于其非接触、直观、高精度的特点，在新型武器装备试验景象记录、异常现象分析、姿态测量等任务中具有不可替代作用。但是相比于火箭发射、导弹初始飞行阶段的高动态场景，现有单台套成像设备动态范围较低，在某一种曝光强度下，现有设备很难捕获场景中的所有细节，图像的部分细节不能够很好的曝光，因而就不能清晰地显示。采用多个相机组成相机阵列，每个相机设定不同的曝光时间，短曝光时间有利于捕获场景高亮区域细节，长曝光时间则可捕获暗区域细节。具有不同曝光时间的所有相机同时曝光，使得场景中不同亮度背景下的目标都能够在某个相机中有较好曝光，即每张图像都有一部分区域细节表现很好；之后通过将不同曝光图像合成的方法，获得场景中所有细节都能够清晰显示的图像。

利用多曝光图像来显示高动态场景的方法可以分为两大类，一种是基于成像过程恢复场景的照度图像的高动态成像方法，这种方法最终得到的结果是高动态图像，需要经过色调映射，才能在普通设备上显示结果。另一种是加权融合的方法，即将曝光图像根据其质量赋予相应的权值，再根据一定的融合规则进行融合，使得最终得到的结果图像包含所有输入图像中曝光较好的场景，即场景中所有位置都较好曝光的图像。

目前，大多数多曝光高动态图像生成算法仅适用于低速或静态的场景，对于高速变化的场景，或者动态范围超大(如>120dB以上)的场景，这种方案仍显得无能为力。

在面向特殊场景应用方面，据不完整的信息推断，美国已经通过多口径设计、光学镜头和光机电结构设计和新型成像探测器等方面的突破，并依托美日在光学镜头设计制造、光机电结构设计和控制实现、图像探测器方面的技术和工业优势，实现了超大动态范围的成像，在NASA和美军方的相关火箭、航天飞机和导弹的发射试验中获得了高动态范围的图像，可以获取较为真实的发射场景，包括光强及分辨率信息及多波段信息等，有力地支撑了美国的航天及武器工业发展。

反观我国，由于在图像探测器上不具备成熟领先的技术和工业水平，同时在成像镜头设计制造、光机电设计及控制实现方面的技术和工业水平与国际领先水平还有不少差距，因此我国目前还没有成熟的高动态范围成像方案和系统用于如靶场光测等特殊场景的高动态范围成像任务。但是，国内的长春光机所、浙江大学、南开大学、贵州大学、国防科技大学、清华大学等单位、以及一些光电研究所和公司企业在相机响应曲线生成、相机内外参数标定、图像对齐和配准、图像拼接、光学镜头设计制造、光机电结构设计、图像传感器的应用控制设计等方面有了不错的进展，形成了子模块的技术实力，并且在一些新型器件的应用研究方面取得了突破，比如长春光机所利用DMD与CCD的结合，实现像素级的曝光控制，可以实现达到96dB的成像动态范围，但是与靶场光测成像需要的大于120dB(甚至150dB以上)的动态范围还有不少差距。而且，目前国内的高动态范围成像还缺乏大型系统级的设计应用能力。

发明内容

为解决上述问题，本发明特提出一种基于转轮动态分光的高动态范围成像模块，通过主镜、多个适配器和多台相机的结合，采用分光比、光强透过率、镜头光圈、相机曝光时间等参数的动态调节技术和多源图像高动态合成技术，实现场景光强极端变化条件下大动态范围的清晰成像，解决高动态范围成像所需要的曝光量动态调整问题，在光测中实现目标高质量成像具有重要意义。

本发明的一种基于转轮动态分光的高动态范围成像模块，由基于分光转轮的动态分光装置以及光路控制和图像融合软件模块组成。动态分光装置根据不同的成像任务，实现至相机靶面的分光比区域动态可调。结合图像融合和增强处理算法，能够提供的动态范围达到136dB，系统的整体动态范围将大于150dB，实现对目标的高动态范围成像。

本发明的一种基于转轮动态分光的高动态范围成像模块结构如图1所示，包括动态分光装置，该装置包括主镜1、适配器2、分光转轮空间光调制器4、相机7、计算机8，其中适配器2是为了适应不同靶面大小的相机，在主镜与相机之间增加的一组镜头，适配器包含动态可调分光机构5、光强动态可调机构6。按照高动态成像适配模块的设计原理，对于不同靶面尺寸的相机，均有相应的适配器与之相对应。

所述分光转轮空间光调制器位于主镜末端，适配器前端；

所述适配器的数量与相机数量一致；

所述各相机发出同步信号，各相机的同步信号将由各相机的采集卡产生；

所述计算机完成相机的图像采集及高动态范围图像的合成。