TW407430B - Low impure light night vision system light source control method and the apparatus thereof - Google Patents
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Description
4398twf/002 07430 A7 B7 五、發明説明(I ) 本發明是有關於一種夜視系統光源的控制,且特別 是有關於一種低雜光夜視系統光源控制方法與裝置,經 由脈衝信號控制器所控制的主動式光源開啓率,利用脈 衝主動式光源照明器以及脈衝低光度攝影機,可以增加 .監控系統的偵測距離。 習知的低光度攝影機(也有人稱之爲『星光夜視儀』) 感測的光譜爲近可見光至近紅外線(0.4μιη〜0.9μιη),在光 線微弱(月光或星光)的環境中,將物體反射的光線成像 後,予以放大,'達到監視目標物的目的。基本上,低光 度攝影機是放大物體反射的光線,因此,在完全黑暗或 光度過低的環境下,低光度攝影機無法監控目標。因此, 在長距離高性能的夜間監視系統中,通常附加主動式光 源(例如雷射照明)裝備,搭配低光度攝影機使用,期使 監視系統不受外界光度強弱所限制。一般所採用的夜視 系統光源控制方法與裝置可分爲連續波(CW)式主動式光 源照明以及脈波式(PW)主動式光源照明。 如第1圖所示爲一種習知連續波式主動式光源照明 繪示圖,主動式光源100和低光度攝影機110基本上是 放在一起(實務上,兩者之間距小於30公分),兩者的光 軸保持平行,對準目標物120,主動式光源100以連續 波的方式不斷輸出主動式光,低光度攝影機則感測所有 射進鏡頭的光線,予以成像。主動式光源100之輸出功 率爲h,低光度攝影機Π0鏡頭有效接收照明功率爲 Ρπ,PTa#t爲從目標物反射之主動式光到達鏡頭的功率’ 3 本紙張尺度逍用中國國家標隼(CNS ) A4規格(2〖0><297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4398twf/002 407430 A7 _B7_____ 五、發明説明(> ) PBS爲大氣雜光散射至鏡頭的功率,則
Prec~PTarge + P BS 式中,P.ra,.get對監控系統而言是所要監控的信號’ PBS爲 雜訊。 如第2A圖所示爲一種習知脈衝式主動式光源照 明繪示圖,其運作方式,先將低光度攝影機210關閉, 主動式光源200發射極短時間的脈衝,當此脈衝主動式 光照射到目標物220並反射到低光度攝影機210鏡頭 時,才將低光度·攝影機210鏡頭打開極短的脈衝時間, 然後低光度Λ影機210再度關閉,第二束主動式光發射, 如此週而復始。如第2B圖所繪示,爲主動式光源發射 的脈衝以及低光度攝影機所接受的脈衝時序圖。主動式 光源ON代表脈衝輸出,OFF代表沒有脈衝_出,低光 度攝影機ON代表低光度攝影機鏡頭打開,OFF代表低 光度攝影機鏡頭關閉,d爲脈衝主動式光源到目標物220 的距離,c爲光速,Tp爲主動式光源脈衝寬度亦是低光 度攝影機鏡頭打開的時間,凡爲主動式光源閒置時間, T2d爲脈衝主動式光發射後照射到目標物220並反射到 低光度攝影機210鏡頭的時間,則 T2d=2d/c 此方式由於散射雜光的行進距離較目標反射光的行進距 離短,散射雜光必然較早到達鏡頭,然而因低光度攝影 機當時處於關閉狀態,也就是對散射雜光避而不納,因 而排除了散射雜光的影響和干擾。 4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) 210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
4398twf/〇02 407430 A7 _ . B7____ 五、發明説明(> ) 綜上所述,習知之技術有下列的缺點‘· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} (1) 習知連續波式主動式光源照明裝備,這種方式 猶如夜間打手電筒一樣,主動式光源以連續波的方式不 間斷發出主動式光,低光度攝影機則感測所有射進鏡頭 .的光線,當目標距離大到某一數値,PTMget可能降到PBS 以下,系統將無法偵測到目標,實際經驗中,在良好能 見度下,受大氣雜光散射限制,偵測距離僅能達一公里 以內。 (2) 脈衝式主動式光源照明裝備,此種方式由於主 動式光源脈衝時間甚短且固定不變,雖然理論上可完全 排除大氣雜光散射的影響,但是主動式光源開啓率甚 低,導致必須極大的主動式光源脈衝功率方可達到必要 的平均照明功率。此外,當目標距離拉大時,.主動式光 源開啓率與距離成反比,因此限制了有效監控距離。 本發明提出一種低雜光夜視系統光源的控制方法及 其裝置,將主動式光源脈衝寬度增加進而控制主動式光 源的開啓率,用以改善上述習知之缺點。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明就是將近距離內的大氣雜光散射濾除了,因 而增加監控目標的對比,增加目標監測距離的目的。 爲達成本發明,因此提出一種低雜光夜視系統光源 的控制方法及其裝置,經由欲觀測距離以及散射雜光進 入視野的最短距離,求得主動式光源開啓率、主動式光 源脈衝寬度以及主動式光來回該觀測距離所需的時間。 依據所決定之條件由脈衝信號控制器產生主動式光源照 5 本紙張尺度適用中國國家標CNS ) A4規格(210X297公釐) 4398twf/002 407430 A7 B7 五、發明説明(γ) 明脈衝控制信號以及攝影機脈衝控制信號,而脈衝主動 式光源照明器根據主動式光源照明脈衝控制信號來產生 主動式光,而脈衝低光度攝影機根據攝影機脈衝控制信 號來接收經由主動式光照射目標物所反射回來的訊號。 .而經由脈衝信號控制器所控制的主動式光源開啓率,利 用脈波主動式光源照明器以及脈衝低光度攝影機,可以 濾除近距離內的大氣雜光散射(Back Scattering),增加 監控目標的對比,因而可增加監控系統的偵測距離,並 且由於產生的寬脈衝主動式光,可大幅降低了主動式光 源最大輸出功率(Peak Power)以及增加平均照明率。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說 明如下: 圖式之簡單說明: 第1圖爲一種習知連續波式主動式光源照明繪示 圖, 第2A圖爲一種習知脈衝式主動式光源照明繪示圖; 第2B圖爲主動式光源發射的脈衝以及低光度攝影 機所接受的脈衝時序圖。 第3A圖爲本發明低雜光夜視控制裝置系統方塊圖。 第3B圖爲主動式光源照明脈衝控制信號以及攝影機 脈衝控制信號的脈衝時序圖。 第4A圖爲主動式光路徑繪圖。 第4B圖爲主動式光在Tp和T2d/2之間繪示圖。 6 (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 i, ·ι聋 、言
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(2丨0X297公釐) 43 98twf/002 407430 A7 __B7____ 五、發明説明(jr) 第4C圖爲主動式光在T2d/2和(T2d+ Τρ)/2之間繪示 圖。 第4D圖爲主動式光在(T2d+ Τρ)/2之繪示圖。 第4Ε圖爲主動式光在(T2d+ Τρ)/2和T2d/2+ Τρ之間 繪示圖。 第4F圖爲主動式光在T2d之繪示圖。 圖示中之標號說明: 100主動式光源 110低光度攝影機 120目標物 200主動式光源 210低光度攝影機 220目標物 3〇〇脈衝信號控制器 310脈衝主動式光源照明器 320脈衝低光度攝影機 第一實施例 請參照第3A圖,其繪示依照本發明一較佳實施例 一種低雜光夜視控制裝置系統方塊圖。 其裝置包括脈衝信號控制器300、脈衝主動式光源照明 器310、脈衝低光度攝影機320,可調整寬脈衝的脈衝 信號控制器產生主動式光源照明脈衝控制信號以及攝影 機脈衝控制信號,脈衝主動式光源照明器根據主動式光 源照明脈衝控制信號產生寬脈衝的主動式光,脈衝低光 7 尺度適用中國國家標準(CNS ) A4规格(210X297公釐) <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) k.- 訂 絰濟部智蒽財產局員工消費合作社印製 43 98twf/002 407430 A7 B7 五、發明説明(b ) 度攝影機根據攝影機脈衝控制信號接收經由脈衝主動式 光照射目標物所反射回來的訊號。 請參照第3B圖,爲主動式光源照明脈衝控制信號以及 攝影機脈衝控制信號的脈衝時序圖,當最大輸出功率不 變時,平均照明功率由主動式光源開啓率決定,也就是 說,想要提高平均照明功率,就要增加主動式光源脈衝 寬度。但是主動式光源脈衝寬度增加,就會增加散射雜 光進入低光度攝影的比率,兩者之間必須作一適當之調 配。 爲充分利用主動式光源,並將散射雜光影響減至最低, 低光度攝影機ON時間必須比主動式光源開始ON的時 間延後T2d的時間,也就是主動式光照到目標再反射回 到低光度攝影機的時間。由於主動式光源持續開了 τρ的 時間,低光度攝影機自然也應開τρ的時間。攝影機關閉 之後,主動式光源可隨即打開,開始另一次週期。 請參照第4Α圖,左端爲主動式光源及低光度攝影機, 右端爲目標物,兩端距離爲d,主動式光由所示路徑照 射目標物反射回到低光度攝影機。主動式光源開始發 射,此瞬間之主動式光標記爲a點,當經過Tp時間,主 動式光源關閉,此瞬間之主動式光標記爲b點。 第4B圖爲在Tp和T2d/2時間中主動式光在監視區域內 的瞬間狀態。小箭頭爲散射雜光。圖中之散射雜光會比 主動式光之a點提早到達低光度攝影機。因低光度攝影 機在a點抵達之前均爲關閉狀態(gate off),圖上產生之
S (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 4398twf/002 407430 A7 B7 五、發明説明(q ) 雜光均不會『進入視野』,不會對監視影像構成干擾, 故爲無效雜光。 第4C圖爲在T2d/2和(T2d+ Τρ)/2時間中主動式光在監視 區域內的瞬間狀態。此時a點已照射目標物而向回反射。 .在b點與a’點之間散射雜光因離低光度攝影機較近,會 比a點提早到達而成爲無效光,至於a’以外較靠近目標 物的雜光會在a點與b點到達之間到達低光度攝影機, 而形成有效干擾雜光。 第4D圖爲在T2d/2+(T2d+ Tp)/2時間主動式光在監視區域 內的瞬間狀態。此時,所有散射雜光均爲有效干擾雜光。 第4Ε圖爲在T2d/2和T2d/2+ Τρ時間中主動式光在監視 區域內的瞬間狀態。此時,所有散射雜光均爲有效干擾 雜光,但有效雜光區域較第4D圖之有效雜光區域爲小。 由第4C圖、第4D圖以及第4Ε圖,可知第4D圖爲有 效雜光區域最大的瞬間,因此散射雜光『進入視野』之 最短距離1爲: d^d-iT^c ........(1) 主動式光源脈衝開啓時間τρ爲:
Tp = 2(d~d|) .......... (2)
C 其中C爲光速。又 T2d=2d/c .......... (3) .以c=2d/T2d代入(1)式可得: (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 裝. 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) 4398twf/002 407430 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明(2) 主動式光源開啓率D爲: ' (4) 第4F圖爲在T2d瞬間,低光度攝影機開始工作,a 點恰於此時到達。低光度攝影機將持續開啓(gated on)至 ' b點到達時爲止。 由上所述,本發明首先可利用雷射測距儀得到最精 確的觀測距離d,亦或者由估計獲得觀測距離。再來決 定散射雜光進入視野之最短距離d,,通常估計約爲50 米至9d/10。經由(4)式可以求得主動式光源開啓率D, 而由(2)(3)式可以求得主動式光源脈衝寬度Tp以及主動 式光來回觀測距離所需的時間T2d。調整脈衝信號控制 器送出二脈衝信號,其一是雷射照明脈衝控制信號,其 主動式光源開啓時間爲τρ,且此信號之週期爲(Tp+T2d), 其二是攝影機脈衝控制信號,此信號爲主動式光源照明 脈衝控制信號經過T2d的延遲所產生,此信號所控制的 攝影機接收時間爲τρ,且此脈衝之週期爲(Tp+T2d)。將 主動式光源照明脈衝控制信號接至脈衝主動式光源照明 器’再將攝影機脈衝控制信號接至脈衝低光度攝影機完 成本發明。 本發明亦可利用雷射測距儀得到最精確的觀測距離 d ’亦或者由估計獲得觀測距離。再來由脈衝主動式光 源照明器所允許的最大功率來獲得脈衝寬度Tp。經由(3) 式可以求得主動式光來回觀測距離所需的時間T2d,而 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝.
、1T ννν 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 4398twf/002 407430 B7 五、發明説明(7 ) -V---f------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 由(4)式可以求得主動式光源開啓率D。調整脈衝信號控 制器送出二脈衝信號,其一是主動式光源照明脈衝控制 信號,其主動式光源開啓時間爲Tp,且此信號之週期爲 (Tp+T2d),其二是攝影機脈衝控制信號,此信號爲主動 .式光源照明脈衝控制信號經過T2d的延遲所產生,此信 號所控制的攝影機接收時間爲τρ,且此脈衝之週期爲 (Tp+T2d)。將主動式光源照明脈衝控制信號接至脈衝主 動式光源照明器,再將攝影機脈衝控制信號接至脈衝低 光度攝影機完成·本發明。。 訂 第3A圖爲本發明之低雜光夜視控制裝置系統採 用之寬脈衝雷射照明,最大功率1〜2W時,有效照明距 離即可達到5〜6公里。 因此,本發明的優點係在提供一低雜光夜視系統光 源的控制方法及其裝置,藉由提高主動式光源脈衝寬度 進而控制主動式光源開啓率,可大幅降低了主動式光源 輸出功率之需求,增加主動式光源開啓率以及平均照明 率,亦即增加監控目標物反射的信號,以增進監控系統 之有效監控距離。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的另一優點係濾除了近距離內的大氣雜光散 射,因而增加監控目標的對比,亦可增加目標監測距離 的目的。 綜上所述,雖然本發明已以較佳實施例揭露如上, 然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫 離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾, 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS > A4规格(210 X 297公釐) 43 98 twf/ Ο 02 407430 at B7 五、發明説明(川) 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定 者爲準。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) *r_ _訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標牟(CNS ) A4规格(210X297公釐)
Claims (1)
- 經濟部中央標卒局貝工消費合作社印製 881 05740 as 43 98 twf/002 407 430 D8 六、申請專利範園 1. 一種用於低雜光夜視系統光源控制之方法,包括 下列步驟: 提供欲觀測目標之一觀測距離d; 決定一散射雜光進入視野之最短距離d,; 依據該觀測距離以及該散射雜光進入視野之最短距 離求得一主動式光霞、一主動式光源脈衝寬度 〜…一-- ' — τρ及一主if式光來回該觀測距離所需的時間T2d ; 送ώ一主動式光源減衝,該脈衝之主*^光源開啓 時間爲τρ,該脈衝之週'期爲(Tp+T2d);以及 送出一攝影機脈衝,該脈衝爲該主動式光源脈衝訊 號經過T2d的延遲所產生,該脈f之攝影機接收時間爲 ΤΓΡ,該脈衝之週期爲(Tp+T2d)〆 2. ''如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該散 射雜光進入視野之最短距離屯初始時預設爲介於50米 9d 到$之間。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該主 動式光源開啓率d = 2 - d,/d 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該主 動式光源脈衝寬度Tp=^·^,其中c爲光速。 C 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該主 2d 動式光來回該觀測距離所需的時間T2d=T ’其中c爲光 速。 _________ 本紙張又度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公董) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 4398twf/002 407430 AS B8 CS D8 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 、申請專利範園 6. —種用於低雜光夜視系統光源控制之方法,包括 下列步驟: 提供欲觀測.目標之一觀測距離d ; 決定一主動式光源平均照明功率所允許之脈衝寬度 TP ; 依據該觀測距離以及該主動式光源平均照明功率所 允許之脈衝寬度求得一主動式光來回該觀測距離所i的 時間T2d以及一主動式光源開啓率D ; 送出一主動式光源脈衝,該脈衝之主動式光源開啓 時間爲τρ,該脈衝之週期爲(Tp+T2d);以及 送出一攝影機脈衝,該脈衝爲該主動式光源脈衝訊 號經過T2d的延遲所產生,該脈衝之攝影機接收時間爲 Τρ ’該脈衝之週期爲(Tp+T2d)。 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中該主 動式光來回該觀測距離所需的時間T2d=¥,其中C爲光 C 速。 8.如申請專利範圍第6項所述之方法,其中該主 動式光源開啓率D =--—。 Tp+T2d 9· 一種用於低雜光夜視系統光源控制之裝置,用 以產生一脈衝主動式光以及接收該脈衝主動式光照射目 標後所反射的訊號,包括: < 一脈衝信號控制器,送出一主動式光源照明脈衝 控制信號以及一攝影機脈衝控制信號; 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注^•項再填寫本頁) 訂 4398twf/002 407430 Λ8 BS C8 D8 申請專利範圍 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 一脈衝主動式光源照明器,编接至該脈衝信號控制 器,用以接收該主動式光源照明脈衝控制信號,並依據 該信號產生該脈衝圣動式光;以及 一脈衝低光度攝影機,耦接至該脈衝信號控制器, 用以接收該攝影機脈衝控制信號,並'依據該信號接收該 Γ __ 脈衝主動式光照射目標後所反射的訊號; 其中該主動式光源照明脈衝控制信號以及該攝影機 _衝控制信號的產生方法,包括下列步驟: 提供欲觀測貝標之一觀測距離d ; 決定一散射雜光進入視野之最短距離A ; 依據該觀測距離以及該散射雜光進入視野之最短距 離求得一主動'式光源開啓率D,一主動式光源脈衝寬度 τρ及一主断式光來回該觀測W所需的時間T2d ; 送出該主動式光源照明脈衝控制信號,該信號所控 制的主動式光源開啓時間爲Tp,且該信號之週期爲 (Tp+T2d);以及 送出該攝影機脈衝控制信號,該信號爲該主動式光 源照明脈衝控制信號經過T2d的延遲所產生,該信號所 控制的攝影機接收時間爲TD,且衝之週 '期爲 (Tp+T2d) 10.如申請專利範圍第9項所述之方;中該散 射雜光進入視野之最短距離d,初始璋默爲介牧米到 其中該主11.如申請專利範圍第9項所述之(請先間讀背面之注意事項再填窝本頁) 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS > A4规格(210X297公釐)
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