仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)屬于目標探測領(lǐng)域，包括：保護玻璃、大孔徑復(fù)眼光學系統(tǒng)、曲面分布的探測器陣列、計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號處理系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、機控信號處理系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)及殼體組成；復(fù)眼光學系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的光學信息采集系統(tǒng)，將入射光聚焦到曲面分布的探測器陣列上成像；信號處理系統(tǒng)不僅對光學圖像信息進行預(yù)處理，該信號處理系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方式，計算機通過對已建立目標信息數(shù)據(jù)庫反復(fù)訓練，可以實現(xiàn)目標的快速識別，并將信息以數(shù)字號形式輸出至伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)對輸入的數(shù)字信號進行處理分析得到目標當前的相對位置信息，并將以反饋信號的形式輸出給機控信號處理系統(tǒng)，機控信號處理系統(tǒng)根據(jù)反饋的信號對系統(tǒng)的姿態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)精準定位跟蹤。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低，并具有探測范圍廣、高分辨率、高識別概率以及定位準確等特點。
【專利說明】仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于目標探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用仿生昆蟲復(fù)眼光學系統(tǒng)采集目標的光學圖像信息并能夠進行信息的傳輸、處理和控制的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目標探測與識別技術(shù)是自動化監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)的核心技術(shù)，隨著技術(shù)的不斷進步以及工作環(huán)境環(huán)境的日益復(fù)雜化，對其性能要求不斷提高。光學精確制導技術(shù)作為一類重要的精確制導技術(shù)，具有分辨率高、易于成像、測量精度高無多路徑效應(yīng)、隱蔽性好，重量輕和體積小等優(yōu)點。本發(fā)明所涉及的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)正是基于仿生光學的目標識別技術(shù)。
[0003]對于目前的目標圖像探測技術(shù)，無論是光機掃描成像，還是凝視焦平面成像，有限的探測角度極大的限制了系統(tǒng)的探測范圍。這是因為傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的視場受限于結(jié)構(gòu)對稱于唯一光軸，并且成像質(zhì)量隨視場的增大而降低。盡管廣角鏡頭和魚眼鏡頭可以有效增大光學系統(tǒng)的視場，但其成本高，裝調(diào)困難，重量大，而且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其在某些波段對材料性能要求較高，如紅外波段。近年來，隨著仿生光學的迅速發(fā)展，通過利用昆蟲復(fù)眼的成像原理提出了解決光軸唯一性的問題，可以有效擴大系統(tǒng)視場，但微透鏡系統(tǒng)的工作距較短且加工技術(shù)尚不成熟，很大成都限制了復(fù)眼成像技術(shù)的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種可見光波段的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中心高分辨系統(tǒng)與低分辨率邊緣陣列子系統(tǒng)相結(jié)合的方式，不僅有效擴大了系統(tǒng)探測范圍，而且高低分辨率相結(jié)合的方式能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低成本。
[0005]1.新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:保護玻璃、大孔徑復(fù)眼光學系統(tǒng)、曲面分布的探測器陣列、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號處理系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、系統(tǒng)機控信號處理系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)及殼體組成；復(fù)眼光學系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的光學信息采集系統(tǒng)，將入射光聚焦到曲面分布的探測器陣列上成像；信號處理系統(tǒng)不僅對光學圖像信息進行預(yù)處理，該信號處理系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方式，計算機通過對已建立目標信息數(shù)據(jù)庫反復(fù)訓練，可以實現(xiàn)目標的快速識別，并將信息以數(shù)字號形式輸出至伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)對輸入的數(shù)字信號進行處理分析得到目標當前的相對位置信息，并將以反饋信號的形式輸出給機控信號處理系統(tǒng)，機控信號處理系統(tǒng)根據(jù)反饋的信號對系統(tǒng)的姿態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)精準定位跟蹤。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:
[0007]1、新型仿生復(fù)眼成像目標定位系可以實現(xiàn)在可見光波段的大視場目標探測與識另IJ，將其應(yīng)用在光學成像目標搜索與定位能夠充分解決傳統(tǒng)可見光制導系統(tǒng)大視場與高分辨的矛盾。
[0008]2、新型仿生復(fù)眼成像目標定位系的球面陣列式排布，通過增大子系統(tǒng)間光軸夾角，迅速提高整體系統(tǒng)的視場角。
[0009]3、新型仿生復(fù)眼成像目標定位系屬于大視場凝視成像，與掃描成像系統(tǒng)相比，機械結(jié)構(gòu)簡單。
[0010]4、新型仿生復(fù)眼成像目標定位系由于各子眼系統(tǒng)視場小，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，可實現(xiàn)大規(guī)模裝載。
[0011]5、新型仿生復(fù)眼成像目標定位系利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號處理系統(tǒng)可以對獲取的目標圖像信息更快的進行比對識別探測定位。
[0012]以上特點使其在可見光成像目標搜索與定位領(lǐng)域里具有極其廣闊的應(yīng)用前景，目前尚未見到同類型的可見光成像目標搜索定位系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為新型仿生復(fù)眼成像目標定位系示意圖
[0014]圖2(a)為新型仿生復(fù)眼成像目標定位系分前視圖
[0015]圖2(b)為新型仿生復(fù)眼成像目標定位系分后視圖
[0016]圖2(c)為新型仿生復(fù)眼成像目標定位系分左視圖
[0017]圖3為子眼系統(tǒng)X方向(子午)視場拼接示意圖
[0018]圖4(a)為子眼光學系統(tǒng)物方工作面全視場正視圖
[0019]圖4(b)為子眼光學系統(tǒng)物方工作面全視場側(cè)視圖

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0021]2.如圖1所示，該系統(tǒng)主要由保護玻璃2、子眼大孔徑復(fù)眼光學系統(tǒng)3、曲面分布的探測器陣列4、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號處理系統(tǒng)5、伺服控制系統(tǒng)7、系統(tǒng)機控信號處理系統(tǒng)7組成；其中，大孔徑復(fù)眼光學系統(tǒng)3作為實現(xiàn)一系列特殊功能的關(guān)鍵性部件，主要負責對目標及背景的光學信息I采集，將入射的光聚焦到曲面分布的探測器陣列4上成像。信號處理系統(tǒng)5不僅光學對圖像信息進行預(yù)處理，該信號處理系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方式，計算機通過對已建立目標信息數(shù)據(jù)庫反復(fù)訓練，可以實現(xiàn)目標的快速識別，并將信息以數(shù)字號形式輸出至伺服控制系統(tǒng)6，伺服控制系統(tǒng)6對輸入的數(shù)字信號進行處理分析得到目標當前的相對位置信息，并將以反饋信號的形式輸出給機控信號處理系統(tǒng)7，機控信號處理系統(tǒng)7根據(jù)反饋的信號對系統(tǒng)的姿態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)精準定位跟蹤。
[0022]作為本發(fā)明的關(guān)鍵組件，新型仿生復(fù)眼成像目標定位系與傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)不同，其子眼光學系統(tǒng)陣列的各部分功能與排布形式比較特殊。新型仿生復(fù)眼成像目標定位系由I個中心高分辨子眼光學系統(tǒng)和2個低分辨邊緣陣列光學系統(tǒng)組成。其中，中心高分辨子眼光學系統(tǒng)具有小視場，長焦距以及高分辨率的特點，其作用在與目標的高分辨率識別；邊緣陣列光學系統(tǒng)相對與中心光學系統(tǒng)，其視場較大、焦距較短、分辨率較低，主要完成大視場范圍內(nèi)目標的捕獲任務(wù)。如圖2所示，新型仿生復(fù)眼成像制導系統(tǒng)子眼系統(tǒng)以圓周陣列的形式分布在球形殼體表面。其中，中心光學系統(tǒng)光軸與系統(tǒng)的對稱光軸重合，邊緣第I陣列光學系統(tǒng)光軸與中心光學系統(tǒng)光軸夾角為7.8°，陣列周期為12個；邊緣第2陣列光學系統(tǒng)光軸與中心光學系統(tǒng)光軸夾角為20.5°，陣列周期為18個。中心光學系統(tǒng)視場角為5.1°，焦距60，F(xiàn)數(shù)為2.3;邊緣陣列光學系統(tǒng)視場角為2w= 15.2°，焦距2w = 20，F(xiàn)數(shù)為2.7。該系統(tǒng)探測器均采用1/3-1nch COMS，探測器分辨率為752X480。新型仿生復(fù)眼成像目標定位系的全視場凝視范圍2W = 60°，探測距離可達3Km，探測范圍內(nèi)無盲區(qū)。
[0023]子眼光學系統(tǒng)共分為三個部分，中心光學系統(tǒng)，第一陣列邊緣子眼系統(tǒng)和第二陣列邊緣子眼系統(tǒng)。三個部分通過X方向視場拼接和繞Z軸旋轉(zhuǎn)陣列的方式，將子眼光學系統(tǒng)的視場擴大為全視場60°。其中X方向視場拼接又稱子午視場拼接，在子午方向拼接過程如圖3所示。A為中心系統(tǒng)，B為第一陣列邊緣子眼系統(tǒng)在子午面內(nèi)一個基元，C為第二陣列邊緣子眼系統(tǒng)在子午面內(nèi)一個基元，D為個系統(tǒng)的corns探測器，E為物方工作面。中心光學系統(tǒng)視場為2 Co1，邊緣子眼光學系統(tǒng)的視場分別為2(02和2ω3。中心光學系統(tǒng)與第一陣列邊緣子眼光學系統(tǒng)的光軸夾角為AW，第一陣列邊緣子眼光學系統(tǒng)與第二陣邊緣子眼光學系統(tǒng)的夾角為，由此可以得出，在忽略實際系統(tǒng)的機械間隔的理想情況下，當中心光學系統(tǒng)的邊緣光線和邊緣子眼光學系統(tǒng)的邊緣光線平行時，此時視場將是無縫拼接的臨界條件，得到關(guān)系式如下:
[0024]
CO^ ω2 = ^φχ
ω2 + ω^ =
[0025]然而實際系統(tǒng)是存在機械間隔的，用來固定各個子系統(tǒng)，所以考慮此情況上述公式應(yīng)為:
[0026]
ωχ + W2 - Αφ{(diào)
(O2 + ω?, - ^φ2
[0027]此時，子眼光學系統(tǒng)的總視場角2W與各個分系統(tǒng)的視場關(guān)系為:
[0028]
W = 廣 Νφ，ω、
[0029]將系統(tǒng)各項參數(shù)帶入關(guān)系式中以及綜合分析各子系統(tǒng)的空間機械間隔等問題，最終推導出中心光學系統(tǒng)與第一陣列邊緣子眼光學系統(tǒng)的光軸夾角為7.8° (子午面內(nèi))，第一陣列邊緣子眼光學系統(tǒng)與第二陣列邊緣子眼光學系統(tǒng)的光軸夾角為20.5° (子午面內(nèi))，因此確定子眼光學系統(tǒng)在子午面的排列方式及分布情況，進而確定了三個分系統(tǒng)的基兀的精確分布，為繞Z軸旋轉(zhuǎn)陣列確定最終子眼光學系統(tǒng)的排布方式打下基礎(chǔ)。
[0030]根據(jù)在X方向的視場拼接方式，確定第一陣列的邊緣子眼系統(tǒng)和第二陣列邊緣子眼系統(tǒng)在子午面內(nèi)的系統(tǒng)基元，將兩組基元分別通過繞Z軸圓周陣列可以實現(xiàn)Y方向的視場拼接過程，也就是弧矢面內(nèi)的視場拼接，并且遵循工作物面無盲區(qū)的拼接原則，進而可以推導出每一層的陣列周期數(shù)目的數(shù)學表達式。每層子系統(tǒng)的周期陣列數(shù)η與其對應(yīng)的子系統(tǒng)的Y方向的視場有如下關(guān)系式:
[0031]

【權(quán)利要求】
1.新型仿生復(fù)眼成像目標定位系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括:保護玻璃、大孔徑復(fù)眼光學系統(tǒng)、曲面分布的探測器陣列、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號處理系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、系統(tǒng)機控信號處理系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)及殼體組成；復(fù)眼光學系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的光學信息采集系統(tǒng)，將入射的光聚焦到曲面分布的探測器陣列上成像；信號處理系統(tǒng)不僅對光學圖像信息進行預(yù)處理，該信號處理系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方式，計算機通過對已建立目標信息數(shù)據(jù)庫反復(fù)訓練，可以實現(xiàn)目標的快速識別，并將信息以數(shù)字號形式輸出至伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)對輸入的數(shù)字信號進行處理分析得到目標當前的相對位置信息，并將以反饋信號的形式輸出給機控信號處理系統(tǒng)，機控信號處理系統(tǒng)根據(jù)反饋的信號對系統(tǒng)的姿態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)精準定位跟蹤。
2.如權(quán)利要求1所述的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系，其特征在于，利用生物并列復(fù)眼成像特性，通過子系統(tǒng)多光軸的多向性，迅速提高系統(tǒng)總體視場。
3.如專利要求I所述的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:子眼系統(tǒng)的分布形式；子眼系統(tǒng)作為新型仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)的組成部分，以圓周陣列的形式分布構(gòu)成整體的復(fù)眼成像系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系，其特征在于，所述各子眼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對獨立，并通過曲面分布的探測器陣列分布分割系統(tǒng)總體視場。
5.如權(quán)利要求1所述的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系，其特征在于，該系統(tǒng)中采用的復(fù)眼型結(jié)構(gòu)具有中心分辨率高，邊緣分辨率相對較低的特點，利用模糊搜索提高目標搜索效率。
6.如權(quán)利要求1所述的新型仿生復(fù)眼成像目標定位系，其特征在于，該系統(tǒng)采用計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號處理系統(tǒng)進行圖像信號的處理分析。
【文檔編號】G06N3/02GK104165626SQ201410279718
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】付躍剛, 董正超, 趙雨時, 趙宇, 李妍冬 申請人:長春理工大學