CN103198462B - 基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其包括图像信息获取装置(1)和图像信息处理装置(3)；图像信息获取装置(1)包括聚焦镜头(11)、分光镜(12)和两个图像传感器（13、14）；图像信息处理装置(3)包括数字处理装置和图像信息还原模块；图像信息还原模块包括图像分割模块、图像亮度几何校正模块和信息融合法噪点剔除模块；信息融合法噪点剔除模块对经过图像亮度几何校正模块处理的图像对进行相关性建模，执行运算操作得到干扰前的图像信息。其可以有效地降低强辐射对视觉传感器的影响，大大提高强辐射环境视觉传感的鲁棒性，保证高质量目标场景图像信息获取。

Description

基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置

技术领域

本发明涉及精密测量领域，其是一种视觉传感装置，其特别是一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置。

背景技术

视觉传感器（也可以叫图像传感器，或者叫电荷耦合元件，英文Charge-coupledDevice，简称CCD）属于光电产业里的光电元件，其核心为有源像元构成的光敏元阵列，此外还包括时序和控制电路、功能电路、模拟信号的处理与输出接口等，CCD能够把光学影像转化为数字信号，即把图像像素转换成数字信号，就像胶片一样。空间辐射环境中辐射作用会对光电元器件性能造成损坏，严重降低获取视觉信息的质量，降低传感器使用寿命。目前，视觉传感器抗辐射主要措施是采取像元电子电路内部结构加固和辐射隔离。像元电子电路内部结构加固主要有两种方式，一是，为了避免单粒子翻转效应而采取了锁存器的冗余锁存结构，即将数据锁存在两个以上不同的地方，采取适当反馈的形式，在单粒子事件之后，将被破坏的数据恢复过来；二是，为了增强抗总剂量辐射能力和减轻单粒子闩锁效应的影响，采取了环型栅和保护环结构达到加固的目的。目前采取的这些抗辐射方法，虽然可以达到一定的抗辐射效果，但这些方法技术复杂，处理成本高，并且这些措施抗辐射效果不明显，噪音(图像噪点)高，难以达到消除辐射所产生的信号噪音的理想效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其可以有效地降低强辐射对视觉传感器的影响，大大提高强辐射环境视觉传感的鲁棒性，保证高质量目标场景图像信息的获取。

本发明的技术方案是：一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其包括图像信息获取装置和图像信息处理装置；图像信息获取装置包括聚焦镜头、分光镜和两个图像传感器，聚焦镜头为凸透镜，分光镜位于聚焦镜头聚焦的光路上，一个图像传感器位于分光镜的一条光路上，另一个图像传感器位于分光镜的另一条光路上；图像信息获取装置与图像信息处理装置之间通过通讯***连接，其可以将图像信息获取装置采集的图像信息传送给图像信息处理装置；图像信息处理装置包括数字处理装置和图像信息还原模块；数字处理装置包括输入接口、存贮器、处理器和输出接口；图像信息还原模块置于数字处理装置中，其包括图像分割模块、图像亮度几何校正模块和信息融合法噪点剔除模块，图像分割模块可以分别将从图像信息获取装置传送来的两路图像信息进行分割，选取两路图像的同一图像画面区域，以保证图像画面区域的一致性；图像亮度几何校正模块可以分别对经过图像分割模块提取的同一区域同一时刻的两路图像信息的几何差异和亮度差异进行校正，得到同一场景区域同一时刻的两路图像信息的几何关系和亮度信息一致，形成图像对；信息融合法噪点剔除模块对经过图像亮度几何校正模块处理的图像对进行相关性建模，执行运算操作得到干扰前的图像信息，即可剔除辐射干扰产生的图像噪点，还原出辐射干扰前的图像信息。

本发明进一步的技术方案是：所述的另一个图像传感器与分光镜之间设有另一个分光镜，另一分光镜位于前一分光镜的另一条光路上，另一个图像传感器位于另一分光镜的一条光路上。

本发明更进一步的技术方案是：所述的通讯***为电缆及其接口或者为无线通讯***。

本发明再进一步的技术方案是：所述的图像传感器、通讯***上还设有加固硬件，加固硬件可以减少辐射干扰的影响，以减少图像噪点。

本发明还进一步的技术方案是：所述的分光镜还级联一个以上的分光镜，每个分光镜多分出的一条光路上均设有一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置，图像信息处理装置将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置还原出一组辐射干扰前的图像信息，图像信息处理装置可将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合，得到更精确的辐射干扰前的图像信息。

本发明还进一步的技术方案是：所述的聚焦镜头的焦距可调；数字处理装置为能进行数字信号处理的计算机。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1.同一成像区域的双源视觉传感器（即双图像传感器）同时受到污染概率很小，采用双视觉信息融合，构建强辐射环境下多视觉传感信息融合框架(即调用信息融合法噪点剔除模块对两路图像信息进行相关性建模，运算后，剔除辐射干扰产生的图像噪点信息，得到辐射干扰前的图像信息，即还原出辐射干扰前的图像信息)，有效地降低强辐射对视觉传感器的影响，大大提高了强辐射环境视觉传感的鲁棒性，保证高质量目标场景图像信息获取。

2.其体积小、集成度高、精度高，可以广泛用于航空航天、核资源开发，对推动航空航天、核资源开发可产生积极的意义。

3.分光镜与图像传感器可构成多级级联，能进一步提高图像信息还原的精确度。

为了更清楚地说明本发明，列举以下实施例，但其对发明的范围无任何限制。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为发明的图像信息获取装置的结构框图；

图3为发明的图像信息处理装置的数字处理装置的结构框图；

图4为发明的工作流程原理示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其包括图像信息获取装置1和图像信息处理装置3；如图2所示，图像信息获取装置1包括聚焦镜头11、分光镜12和两个图像传感器（13、14），聚焦镜头11为凸透镜，其焦距可调，分光镜12可以将单一光路（来自场景光源）分成两路光路，即分光镜12可以将同一图像画面分成相同的两路图像画面，分光镜12位于聚焦镜头11聚焦的光路上，一个图像传感器13位于分光镜12的一条光路上，另一个图像传感器14位于分光镜12的另一条光路上，图像传感器14与分光镜12还可以增加一个分光镜15，分光镜15将前一级分光镜（即分光镜12）的一条光路又分成两路光路，这样就可以形成多级级联关系（附图中没有示出），可为两个以上的图像传感器同时采集同一光源图像提供条件，总之，多个分光镜可实现多个图像传感器同时采集同一图像；分光镜可以解决不同图像传感器同一时刻处于不同视角采集同一场景图像不相同从而无法进行图像比较的问题，即若不采用分光镜，不同图像传感器处于不同位置，采集的图像不会完全一样，难以进行图像比较分析，难以实现本发明的目的；同时，同一聚焦镜头11也保证了不同图像传感器（即CCD）采集图像的一致性，如果两路图像传感器分别通过聚焦镜头对场景进行信号采集，由于各聚焦镜头镜头的焦距与取景角度有差别，所以两幅图像也无法完全重合，同样难以进行图像比较分析，难以实现本发明的目的；当在电离辐射环境下，图像传感器（即CCD）在电离辐射环境下会产生随机分布的噪点（即由辐射干扰在图像的某个位置产生的图像斑点），这些噪点信息的分布是随机的，即两路图像传感器由电离辐射引入的噪点是不相关的，发明人通过试验照片也清楚地看到，在辐照环境下，图像传感器传回的画面产生了噪点，噪点出现的位置是随机的，不同图像传感器传送来的两幅图像中的噪点完全一样的概率也几乎为零。

图像信息获取装置1与图像信息处理装置3之间通过通讯***连接，通讯***连接可以为电缆及其接口电路，也可以为无线通讯***，无线通讯***包括无线收发器、接口电路等部件；通讯***连接还应该包括电平转换、I/V转换、信号放大、A/D转换等电路。

图像传感器、通讯***等部件还可以采用硬件加固技术，降低辐射干扰产生的影响，以减少图像噪点。

图像信息处理装置3包括数字处理装置和图像信息还原模块；如图3所示，数字处理装置包括输入接口、存贮器、处理器和输出接口，数字处理装置也可以为一台能进行数字信号处理的普通计算机；图像信息还原模块置于数字处理装置中，其包括图像分割模块、图像亮度几何校正模块和信息融合法噪点剔除模块，图像分割模块可以分别将从图像信息获取装置1传送来的两路图像信息进行分割，选取两路图像的同一图像画面区域，使得采用的两路图像信息为采集场景的同一区域，以保证图像画面区域的一致性，同时可以保证处理速度的同步，即对同一时刻的同一区域的两路图像信息进行成对分割；图像亮度几何校正模块可以分别对经过图像分割模块提取的同一区域同一时刻的两路图像信息的几何差异和亮度差异进行校正，得到同一场景区域同一时刻的两路图像信息的几何关系和亮度信息一致，形成图像对（即经过两个图像传感器在同一时刻对同一场景同一区域采集的两路图像，经过像分割模块、图像亮度几何校正模块处理后的两路图像叫图像对）。

信息融合法噪点剔除模块可以对图像对（为上述所述的“图像对”）进行相关性建模（即建立相关函数，也即相关性分析，通常理解为融合法），执行运算操作后可得到干扰前的图像信息，即可剔除辐射干扰产生的图像噪点，还原出辐射干扰前的图像信息。

信息融合法噪点剔除模块的结构原理及具体算法如下：

用互相关函数表示两个不同的随机信息和在不同时刻和取值的相关程度（即图像信息处理装置3接收到的两个图像传感器的信息，分别经过图像分割模块、图像亮度几何校正模块处理后，得到包含随机噪点信息在内的两路图像信息和，函数表示两路图像信息和的相关性），其定义为：

其中表示数学期望算子,若和完全不相关，则为零；对于平稳的随机信息，其统计特征量与时间起点无关；令，，则，简记为，即：

用时间平均来表示统计平均，互相关函数也可表示为：

在实际应用中，积分时间T不可能无限大，常常是在有限的积分时间T内计算相关函数的估计值，即

式中，表示和的互相关函数的估计值；因为积分时间有限，所以估计值结果会有偏差，但只要积分时间足够长，这种偏差就可以控制在可以允许的范围内；

本具体实施方案中待处理的图像信息为数字信息，进行相关处理时采用相关分析的离散运算式，其计算式为：

如图4所示，假设场景光源为，图像传感器13输出信息为（没有辐射干扰时），由于辐射的引入了干扰，即产生的图像噪点信息；图像传感器14输出信息为，由于辐射的引入了干扰，即产生的图像噪点信息，得：

图像传感器13的输出信息与图像传感器14的输出信息进行相关性分析，得：

由于随机噪点、与信息源（场景光源）两两互不相关，则上式后三项为零，即：

这样就把噪点信息声从场景光源形成的图像信息中剔除出去了，可以根据各种值的判断信息源（即场景光源形成的图像信息）的特征。

本发明的使用方法及基本工作原理：使用时，将图像信息获取装置1安装在需要采集图像信息的强辐射环境下，使聚焦镜头11对准需要采集图像信息的场景，图像信息处理装置3放于图像信息接收的地方，这时两个图像传感器（13、14）同时采集来自聚焦镜头11的场景图像信息（一个聚焦镜头11与分光镜12保证了两个图像传感器采集场景的一致性，是后续相关性分析的前提，否则无法进行相关性分析，即无法进行信息融合），通过通讯***分别传送给图像信息处理装置3，图像信息处理装置3分别调用图像分割模块和图像亮度几何校正模块对两路图像信息进行初步处理，然后调用信息融合法噪点剔除模块对两路图像信息进行相关性建模（即建立相关函数，进行相关性分析，通常理解为信息融合），运算后，剔除辐射干扰产生的图像噪点信息，得到辐射干扰前的图像信息，即还原出辐射干扰前的图像信息。

如上所述，还可以采用两个以上的分光镜，每个分光镜多分出的一条光路再配置一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置3，图像信息处理装置3将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置3还原出一组辐射干扰前的图像信息，然后将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合（一般是取平均值），可以得到更精确的辐射干扰前的图像信息；这种简易的变通也同样属于本发明的构思。

本发明不局限于上述的具体结构及工作过程，只要采用与本发明基本相同的结构、使用与本发明基本相同的工作原理、达到与本发明基本相同的效果的抗强辐射视觉传感装置就落在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其包括图像信息获取装置(1)和图像信息处理装置(3)；其特征是：图像信息获取装置(1)包括聚焦镜头(11)、分光镜(12)和两个图像传感器（13、14），聚焦镜头(11)为凸透镜，分光镜(12)位于聚焦镜头(11)聚焦的光路上，一个图像传感器(13)位于分光镜(12)的一条光路上，另一个图像传感器(14)位于分光镜(12)的另一条光路上；图像信息获取装置(1)与图像信息处理装置(3)之间通过通讯***连接，其可以将图像信息获取装置(1)采集的图像信息传送给图像信息处理装置(3)；图像信息处理装置(3)包括数字处理装置和图像信息还原模块；数字处理装置包括输入接口、存贮器、处理器和输出接口；图像信息还原模块置于数字处理装置中，其包括图像分割模块、图像亮度几何校正模块和信息融合法噪点剔除模块，图像分割模块可以分别将从图像信息获取装置(1)传送来的两路图像信息进行分割，选取两路图像的同一图像画面区域，以保证图像画面区域的一致性；图像亮度几何校正模块可以分别对经过图像分割模块提取的同一区域同一时刻的两路图像信息的几何差异和亮度差异进行校正，得到同一场景区域同一时刻的几何关系和亮度信息一致的两路图像信息，形成图像对；信息融合法噪点剔除模块对经过图像亮度几何校正模块处理的图像对进行相关性建模，执行运算操作得到干扰前的图像信息，即可剔除辐射干扰产生的图像噪点，还原出辐射干扰前的图像信息；

所述信息融合法噪点剔除模块执行运算操作为如下操作：场景光源为s(t)，一个图像传感器(13)输出信息为K₁s(t)，辐射干扰为n₁(t)；另一个图像传感器(14)输出信息为K₂ s(t)，辐射干扰为n₂(t)；将来自图像信息获取装置(1)的两个图像传感器（13、14）的随机噪点n₁(t)、n₂(t)与信息源s(t)两两互不相关的噪音K₁R_sn2(τ)+ K₂R_sn1(τ) + R_n1n2(τ)剔除掉，得到场景光源形成的无噪音图像信息，其中R_sn2(τ)、R_sn1(τ)、R_n1n2(τ)分别为s(t)与n₂(t)、s(t)与n₁(t)、n₁(t)与n₂(t)之间的相关量，相关量R的计算公式为：R_xy(τ)=E[y(t)x(t-τ)]，其中E表示数学期望算子，y(t)表示在t时刻的随机信息y，x(t-τ) 表示在t-τ时刻的随机信息x，即τ为随机信息x与y的时刻差。

2.根据权利要求1所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的另一个图像传感器(14)与分光镜(12)之间设有另一个分光镜(15)，另一分光镜(15)位于前一分光镜(12)的另一条光路上，另一个图像传感器(14)位于另一分光镜(15)的一条光路上。

3.根据权利要求2所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的通讯***为电缆及其接口或者为无线通讯***。

4.根据权利要求2所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的图像传感器、通讯***上还设有加固硬件，加固硬件可以减少辐射干扰的影响，以减少图像噪点。

5.根据权利要求3所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的图像传感器、通讯***上还设有加固硬件，加固硬件可以减少辐射干扰的影响，以减少图像噪点。

6.根据权利要求2所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的另一个分光镜(15)还级联一个以上的分光镜，每个级联的分光镜多分出的一条光路上均设有一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置(3)，图像信息处理装置(3)将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置(3)还原出一组辐射干扰前的图像信息，图像信息处理装置(3)将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合，得到更精确的辐射干扰前的图像信息。

7.根据权利要求3所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的另一个分光镜(15)还级联一个以上的分光镜，每个级联的分光镜多分出的一条光路上均设有一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置(3)，图像信息处理装置(3)将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置(3)还原出一组辐射干扰前的图像信息，图像信息处理装置(3)将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合，得到更精确的辐射干扰前的图像信息。

8.根据权利要求4所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的另一个分光镜(15)还级联一个以上的分光镜，每个级联的分光镜多分出的一条光路上均设有一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置(3)，图像信息处理装置(3)将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置(3)还原出一组辐射干扰前的图像信息，图像信息处理装置(3)将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合，得到更精确的辐射干扰前的图像信息。

9.根据权利要求5所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的另一个分光镜(15)还级联一个以上的分光镜，每个级联的分光镜多分出的一条光路上均设有一个图像传感器，即分光镜形成级联，多个图像传感器采集的多路图像信息分别传送给图像信息处理装置(3)，图像信息处理装置(3)将多路图像信息进行两两组合，得到多对图像对，每一对图像对通过图像信息处理装置(3)还原出一组辐射干扰前的图像信息，图像信息处理装置(3)可将这些还原出的多组辐射干扰前的图像信息进行综合，得到更精确的辐射干扰前的图像信息。

10.根据权利要求1或2所述的基于信息融合的抗强辐射视觉传感装置，其特征是：所述的聚焦镜头(11)的焦距可调；数字处理装置为能进行数字信号处理的计算机。