阅读说明：本技术 一种基于通光量自适应调控的成像探测装置及其控制方法 (Imaging detection device based on adaptive control of light flux and control method thereof ) 是由 李正周 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于通光量自适应调控的成像探测装置,包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口,光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接,通光量自适应调控窗口用于基于光电探测器获取的成像图像的灰度分布对通光量自适应调控窗口各个位置的通光量进行自适应调控。本发明还公开了上述成像探测装置对应的控制方法。本发明可以在探测器前端对光强进行自适应/自动调控,避免探测器饱和与受光不均匀问题,扩大目标探测的动态范围,并使整个探测器的受光量更加均匀,提高在低对比度、高亮度背景条件下的探测能力。另外,还可以避免频繁的人工调光操作,使探测过程更加自动便捷,提高工作效率。(The invention discloses an imaging detection device based on adaptive control of light flux, which comprises a photoelectric detector and a light flux adaptive control window arranged at the front end of the photoelectric detector, wherein the output end of the photoelectric detector is electrically connected with the feedback signal input end of the light flux adaptive control window, and the light flux adaptive control window is used for adaptively controlling the light flux of each position of the light flux adaptive control window based on the gray scale distribution of an imaging image acquired by the photoelectric detector. The invention also discloses a control method corresponding to the imaging detection device. The invention can self-adaptively/automatically regulate and control the light intensity at the front end of the detector, avoid the problems of saturation and nonuniform light receiving of the detector, expand the dynamic range of target detection, make the light receiving quantity of the whole detector more uniform and improve the detection capability under the background conditions of low contrast and high brightness. In addition, frequent manual dimming operation can be avoided, the detection process is more automatic and convenient, and the working efficiency is improved.)

一种基于通光量自适应调控的成像探测装置及其控制方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于通光量自适应调控的成像探测装置及其控制方法。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，人类对宇宙空间的探索越来越频繁，外太空漂浮着数不胜数的空间目标，包括正常运行的卫星和各种空间碎片，这对正常工作的航天器和卫星构成了严重的威胁。空间目标监视主要是利用望远镜对空间目标进行实时观测、跟踪和预警，而目标的有效探测是空间目标监视的前提和保障。由于观测距离较远，目标在成像系统上往往只占有几十个甚至几个像素大小，非常弱小。同时，图像中存在大量噪声的干扰，目标信噪比极低。而且，在白天由于存在强烈的天光背景，尤其在太阳附近，目标的微弱信号会完全淹没在天光背景辐射中。因此白天探测一直以来都是一个有待攻克的难题。

由于光学系统不可能绝对理想，探测器靶面各处的受光量往往不均匀，易造成图像中间亮、边缘暗的锅底效应。如果位于太阳等强光物体附近，则探测器容易饱和，并且可能出现近太阳处亮、远太阳处暗的梯形图像。同时，探测系统往往存在许多杂散光和脏点，导致图像出现不规则明暗起伏。这些现象都对白天探测造成了极大的影响，可以说探测器饱和与受光不均匀问题是提升白天探测能力的最大障碍之一。

为了提高白天探测能力，目前主要使用滤光技术和数字图像处理技术。滤光技术就是利用滤光片或偏振片等滤光器件，对天光背景进行窄带或极化过滤，从而在保持目标能量的同时降低天光背景的通光量。该技术可以有效削弱背景强度，提高目标对比度，但是不能完全避免探测器饱和，也无法解决探测器受光不均匀问题。数字图像处理则包括图像滤波技术、图像背景预测与消减技术、图像多帧累加技术等等。虽然这些图像处理技术能大幅度提升探测能力，一定程度上解决受光不均匀问题，但也存在一个先天的缺陷，即总是对已经获取的图像进行后期处理，最终结果受限于前端探测器接收到的信息，如果探测器饱和则无计可施，因此数字图像处理对探测能力的提升存在一定极限。并且由于图像信息中已经混合了光学系统、太阳、杂散光的影响成分，所以也无法完全克服受光不均匀问题。

综上所述，本发明公开了一种基于通光量自适应调控的成像探测装置及其控制方法，能够解决强背景条件下光电探测存在的探测器饱和与受光不均匀问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是：避免强背景条件下光电探测存在的探测器饱和与受光不均匀。

本发明采用了如下的技术方案：

一种基于通光量自适应调控的成像探测装置，包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口，光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接，通光量自适应调控窗口用于基于光电探测器获取的成像图像的灰度分布对通光量自适应调控窗口各个位置的通光量进行自适应调控。

优选地，通光量自适应调控窗口包括液晶空间光调制器和两块正交设置的偏振片，两块正交设置的偏振片分别设置在液晶空间光调制器两侧，液晶空间光调制器的反馈信号输入端作为通光量自适应调控窗口的输入端与光电探测器的输出端连接，成像光束通过一偏振片射入液晶空间光调制器后通过另一偏振片射入光电探测器。

优选地，所述液晶空间光调制器包括多个阵列设置的独立单元，液晶空间光调制器可向每个独立单元施加与光电探测器获取的成像图像的灰度分布对应电压，从而改变每个独立单元透光的光强，实现通光量的自适应调控。

一种基于通光量自适应调控的成像探测装置的控制方法，本方法用于控制基于通光量自适应调控的成像探测装置，基于通光量自适应调控的成像探测装置包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口，光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接，本方法包括如下步骤：

S1、光电探测器获取成像图像，执行步骤S2；

S2、将成像图像转换为灰度分布信息发送至通光量自适应调控窗口，执行步骤S3；

S3、通光量自适应调控窗口基于灰度分布信息调节自身的通光量，使成像光束射向光电探测器，返回执行步骤S1直到探测过程结束。

优选地，通光量自适应调控窗口包括液晶空间光调制器和两块正交设置的偏振片，两块正交设置的偏振片分别设置在液晶空间光调制器两侧，液晶空间光调制器的反馈信号输入端作为通光量自适应调控窗口的输入端与光电探测器的输出端连接，成像光束通过一偏振片射入液晶空间光调制器后通过另一偏振片射入光电探测器。

优选地，所述液晶空间光调制器包括多个阵列设置的独立单元，步骤S3中，液晶空间光调制器向每个独立单元施加与光电探测器获取的成像图像的灰度分布对应电压，从而改变每个独立单元透光的光强，实现通光量的自适应调控。

优选地，其特征在于，计算每个独立单元的对应电压的方法包括：

(1)统计图像灰度分布，运用最大类间方差法Otsu计算图像分割阈值，对图像进行二值化处理；

(2)对二值化处理后的图像采用二值形态学滤波器过滤杂散的噪声，利用基于线段扫描的二值图像连通域标记法统计连通区域，判断并分离局部饱和区域；

(3)对光电探测器局部饱和成像，液晶空间光调制器像素施加电压，使得处理后的光电探测器成像饱和区域图像灰度与非饱和区域灰度一致，确保整个光电探测器图像背景均匀；

(4)对光电探测器全局饱和成像，液晶空间光调制器整个像素施加相同的电压，使获得处理后的光电探测器整个图像灰度保持量化的中值。

优选地，判断并分离局部饱和区域的方法是，当二值化图像连通区域有且仅有一个时，则判断为探测器成像局部饱和，且该连通区域为局部饱和区域；否则，则根据图像灰度分布是否集中在高亮度范围判断探测器成像饱和或正常。

优选地，通过光透过率推算出施加液晶空间光调制器的电压值，从而计算每个独立单元的对应电压，施加液晶空间光调制器的电压值与光透过率之间的函数关系β(U)采用试验测试事先标定方式获得。

综上所述，本发明公开了一种基于通光量自适应调控的成像探测装置，包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口，光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接，通光量自适应调控窗口用于基于光电探测器获取的成像图像的灰度分布对通光量自适应调控窗口各个位置的通光量进行自适应调控。本发明还公开了上述成像探测装置对应的控制方法。本发明可以在探测器前端对光强进行自适应/自动调控，避免探测器饱和与受光不均匀问题，扩大目标探测的动态范围，并使整个探测器的受光量更加均匀，提高在低对比度、高亮度背景条件下的探测能力。另外，还可以避免频繁的人工调光操作，使探测过程更加自动便捷，提高工作效率。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明公开的基于通光量自适应调控的成像探测装置的结构组成示意图；

图2是液晶空间光调制器像素的写入光、读出光和输出光定义示意图；

图3是未加电场时的液晶电光效应原理示意图；

图4是施加电场后的液晶电光效应原理示意图；

图5是调控前光电探测器局部饱和图像；

图6是从图像提取的局部饱和区域；

图7为图5通光亮自适应调控窗口后的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于通光量自适应调控的成像探测装置，包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口，光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接，通光量自适应调控窗口用于基于光电探测器获取的成像图像的灰度分布对通光量自适应调控窗口各个位置的通光量进行自适应调控。

本发明可以在探测器前端对光强进行自适应/自动调控，避免探测器饱和与受光不均匀问题，扩大目标探测的动态范围，并使整个探测器的受光量更加均匀，提高在低对比度、高亮度背景条件下的探测能力。另外，还可以避免频繁的人工调光操作，使探测过程更加自动便捷，提高工作效率。

具体实施时，通光量自适应调控窗口包括液晶空间光调制器和两块正交设置的偏振片，两块正交设置的偏振片分别设置在液晶空间光调制器两侧，液晶空间光调制器的反馈信号输入端作为通光量自适应调控窗口的输入端与光电探测器的输出端连接，成像光束通过一偏振片射入液晶空间光调制器后通过另一偏振片射入光电探测器。

具体实施时，所述液晶空间光调制器包括多个阵列设置的独立单元，液晶空间光调制器可向每个独立单元施加与光电探测器获取的成像图像的灰度分布对应电压，从而改变每个独立单元透光的光强，实现通光量的自适应调控。

本发明通过偏振片和液晶空间光调制器来实现通光量自适应调控窗口的通光量自适应调控。如图1所示，在光电探测器前端增加了一个由两块正交的偏振片和液晶空间光调制器组成的通光量自适应调控窗口。液晶空间光调制器是一类能将信息加载与一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或把非相干光转化为相干光。在本发明中主要应用了液晶空间光调制器的光强度调控功能。液晶空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接收光学信号的控制，利用各种物理效应改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。一般把这些独立单元称为液晶空间光调制器的“像素”，把控制像素的信号称为“写入光”(实际上输入的是电场，并不是真正的光信号)，把需要被调制的输入光称为“读出光”，经过液晶空间光调制器后出射的光被称为“输出光”，如图2所示。写入光含有控制各个像素的信息，一般把这些信息分别送到相应像素位置上去的过程称为“寻址”。

本发明还公开了一种基于通光量自适应调控的成像探测装置的控制方法，本方法用于控制基于通光量自适应调控的成像探测装置，基于通光量自适应调控的成像探测装置包括光电探测器及设置在光电探测器前端的通光量自适应调控窗口，光电探测器的输出端与通光量自适应调控窗口的反馈信号输入端电连接，本方法包括如下步骤：

S1、光电探测器获取成像图像，执行步骤S2；

S2、将成像图像转换为灰度分布信息发送至通光量自适应调控窗口，执行步骤S3；

S3、通光量自适应调控窗口基于灰度分布信息调节自身的通光量，使成像光束射向光电探测器，返回执行步骤S1直到探测过程结束。

在本发明中，光电探测器所捕获的成像图像经低通滤波再转换为电压信号后，闭环反馈至液晶空间光调制器，进而对液晶空间光调制器的各个像素施加与滤波图像灰度对应的电压。

具体实施时，通光量自适应调控窗口包括液晶空间光调制器和两块正交设置的偏振片，两块正交设置的偏振片分别设置在液晶空间光调制器两侧，液晶空间光调制器的反馈信号输入端作为通光量自适应调控窗口的输入端与光电探测器的输出端连接，成像光束通过一偏振片射入液晶空间光调制器后通过另一偏振片射入光电探测器。

具体实施时，所述液晶空间光调制器包括多个阵列设置的独立单元，步骤S3中，液晶空间光调制器向每个独立单元施加与光电探测器获取的成像图像的灰度分布对应电压，从而改变每个独立单元透光的光强，实现通光量的自适应调控。

具体实施时，其特征在于，计算每个独立单元的对应电压的方法包括：

(1)统计图像灰度分布，运用最大类间方差法Otsu计算图像分割阈值，对图像进行二值化处理；

(2)对二值化处理后的图像采用二值形态学滤波器过滤杂散的噪声，利用基于线段扫描的二值图像连通域标记法统计连通区域，判断并分离局部饱和区域；

(3)对光电探测器局部饱和成像，液晶空间光调制器像素施加电压，使得处理后的光电探测器成像饱和区域图像灰度与非饱和区域灰度一致，确保整个光电探测器图像背景均匀；

(4)对光电探测器全局饱和成像，液晶空间光调制器整个像素施加相同的电压，使获得处理后的光电探测器整个图像灰度保持量化的中值。

具体实施时，判断并分离局部饱和区域的方法是，当二值化图像连通区域有且仅有一个时，则判断为探测器成像局部饱和，且该连通区域为局部饱和区域；否则，则根据图像灰度分布是否集中在高亮度范围判断探测器成像饱和或正常。

如量化位数为8的灰度图像的均值大于等于200，则判断探测器成像全局饱和，否则探测器成像正常。

具体实施时，通过光透过率推算出施加液晶空间光调制器的电压值，从而计算每个独立单元的对应电压，施加液晶空间光调制器的电压值与光透过率之间的函数关系β(U)采用试验测试事先标定方式获得。

通光量自适应调控窗口的工作原理可以通过液晶的电控双折射效应来解释。如图3及图4所示，将一个分子轴垂直表面排列的向列型N型液晶盒放在正交的偏振片P₁和P₂之间。向列型N型液晶分子长轴方向即液晶的光轴方向，光束沿光轴方向传播不发生双折射，因此在未施加电场时，入射到液晶中的线偏振光的偏振方向不受液晶分子的任何影响，因而不能透过偏振片P₂，液晶盒是不透光的。当在液晶盒的两极之间施加超过阈值的电场时，理论证明N型液晶为保持内能最小，其分子轴将力图转向与电场垂直的方向；而且液晶盒两基片经用物理化学方法预处理后，可以使分子轴在与P₁和P₂透光轴都成45°角的平面内转到与电场成一定倾角(用φ表示)的方向，φ的大小依赖于电场。液晶分子轴方向即光轴方向，也就是液晶光轴方向与电场方向成倾角φ，φ的大小随电场强度而变化，故两双折射光束间的相位差也随之变化。当线偏振光射入液晶后，由于双折射效应分解成寻常光(ordinarylight，简称o光)和非寻常光(extraordinary light，简称e光)。设未施加电场时o光折射率为n_o，e光折射率为n_e，则施加电场后e光折射率为

设液晶盒的厚度为d，入射光波长为λ，则o光和e光通过液晶盒后的相位差为

设未施加电场时透过的光强为I，则施加电场后透过的光强为

由于n'_e通过φ依赖于电场，因而透过光强也依赖于加在液晶盒上的电压。当电压为零时，φ＝0，I'＝0；当电压增加到δ＝π时，I'有极大值。

利用上述效应，可以通过控制液晶空间光调制器的写入光实现光电探测器前端成像光束任意位置通光量的控制。将光电探测器所捕获的图像经控制方法计算出施加电压值后，闭环反馈至液晶空间光调制器的写入光，对各个像素施加与滤波图像灰度相关的电压(电压与透过光强的关系已事先标定)，即可实现通光量的自适应调控。调控前后的成像对比如图5及图6所示。由于图像反馈过程为公知技术，此处不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。