專利名稱：一種基于psd位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息光學(xué)領(lǐng)域，將PSD位置探測(cè)器應(yīng)用于匹配濾波相關(guān)器中，實(shí)現(xiàn)了電子學(xué)的靈活性與光學(xué)的高速性的有機(jī)結(jié)合，主要應(yīng)用于視頻穩(wěn)像和目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等實(shí)時(shí)光信息處理領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的CCD/CM0S等平面陣列探測(cè)器采集相關(guān)峰信息相比，光電轉(zhuǎn)換速率明顯提高，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速性。
背景技術(shù)：
光學(xué)相關(guān)器(OpticalCorrelator)最早由 A.Vander Lugt 提出("Signaldetection by complex spatial filtering, IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145(1964))。光學(xué)相關(guān)器利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像與參考圖像的相關(guān)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)圖像的識(shí)別與跟蹤。光學(xué)相關(guān)器具有高速度和并行處理特點(diǎn)，適合于處理二維圖像信息，可精確快速識(shí)別具有復(fù)雜背景的圖像目標(biāo)，在超高速海量圖像識(shí)別方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)相關(guān)器利用光學(xué)傅立葉變換來進(jìn)行二維圖像的相關(guān)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了圖像位移的測(cè)量，具有大帶寬、高速度、低功耗和并行處理等優(yōu)勢(shì)，因而在世界上得到了廣泛研究?？臻g匹配濾波相關(guān)器(Vander Lugt Correlator, VLC)是最早的具有代表性的光學(xué)模式識(shí)別系統(tǒng)。1964年，Vander Lugt提出了使用離軸全息方法制作空間匹配濾波器，構(gòu)成空間匹配濾波相關(guān)器，通過光學(xué)相關(guān)運(yùn)算識(shí)別目標(biāo)("Signal detection by complexspatial filtering, 〃 IEEE Trans.1nf.Theory IT-10, 139-145 (1964))。這標(biāo)志著空間匹配濾波相關(guān)器的誕生。空間匹配濾波相關(guān)器對(duì)圖像的識(shí)別是在空間濾波的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其方法是在4f系統(tǒng)的頻譜平面上放置一個(gè)匹配濾波器，在頻率域中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而在輸出平面上產(chǎn)生相關(guān)光斑?？臻g匹配濾波相關(guān)器進(jìn)行圖像識(shí)別與跟蹤的原理如

圖1(a)所示。設(shè)參考圖像為r(x, y)，目標(biāo)圖像為t (χ+ Δ x, y+ Δ y) 0先對(duì)r(x，y)進(jìn)行傅立葉變換，得到R(u，v)，再取其復(fù)共軛，得到匹配濾波器R* (u, V),嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)圖像頻譜T (u, v)exp{2i π [u Δ χ+ν Δ y]}，T (u, ν)為t(x，y)的傅里葉變換。嵌入式處理器將匹配濾波器和目標(biāo)頻譜點(diǎn)乘，得到識(shí)別所需的相關(guān)項(xiàng)，η (U，V) =R* (U，V) T (U，V) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(I)然后取模，將其輸入至振幅型空間光調(diào)制器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]} (2)利用光學(xué)傅立葉透鏡完成傅立葉逆變換，輸出相關(guān)結(jié)果

= rix^y') * 8(x' + Δι,/ + hy)(3)其中為卷積，“ Θ ”為相關(guān)。從上式可以看出，輸出結(jié)果中只有目標(biāo)圖像和模板圖像之間的相關(guān)項(xiàng)，只要模板圖像中有與目標(biāo)圖像相同的圖像，就會(huì)在相應(yīng)點(diǎn)出現(xiàn)明亮的光斑(稱為相關(guān)峰)，從而能夠進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)可利用相關(guān)峰的位移反解出目標(biāo)的位移，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤。然而傳統(tǒng)的光學(xué)相關(guān)器通常選擇CM0S/CCD等平面陣列探測(cè)器作為相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的探測(cè)器，較低的光電轉(zhuǎn)換速率成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，不能滿足高速識(shí)別與跟蹤的要求。PSD (Position Sensitive Device)是一種光電測(cè)距器件，它的幾何分辨率很高，并且PSD還具有頻譜響應(yīng)寬、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理非常簡(jiǎn)單、便于與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)，在精密尺寸測(cè)量、三維空間位置、機(jī)器人定位系統(tǒng)、工業(yè)檢測(cè)和監(jiān)控、高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域，具有獨(dú)到之處和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。將PSD引入到光學(xué)相關(guān)處理器，取代傳統(tǒng)的CMOS/CCD等平面陣列探測(cè)器。由于在利用光學(xué)相關(guān)處理器進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤的過程中只需要提取相關(guān)峰的亮度和位置信息，無需記錄相關(guān)結(jié)果的所有信息，因此采用PSD完全能夠滿足需求，同時(shí)能大大提高光電轉(zhuǎn)換速度。

發(fā)明內(nèi)容
1.本發(fā)明目的和總體特點(diǎn)基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器建立在匹配濾波相關(guān)器的基礎(chǔ)上，主要是用于目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、航空 對(duì)接、跟蹤制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域。通過前述可知，制約光學(xué)相關(guān)器高速性的關(guān)鍵因素在于光電轉(zhuǎn)換速率，包括探測(cè)器采集相關(guān)峰信息的速度以及空間光調(diào)制器的利用效率。本發(fā)明提出用PSD探測(cè)器取代傳統(tǒng)的CM0S/CCD等平面陣列探測(cè)器來采集相關(guān)峰的信息，大大提高了系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換速率，克服了制約光學(xué)相關(guān)器高速性發(fā)展的一大瓶頸，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。同時(shí)，由于PSD位置探測(cè)器較CM0S/CCD等平面陣列探測(cè)器低廉，因此可降低系統(tǒng)的成本。2.本發(fā)明的原理本發(fā)明基本思想:本發(fā)明建立在匹配濾波的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子學(xué)的靈活性與光學(xué)的高速性對(duì)傳統(tǒng)的匹配濾波相關(guān)器進(jìn)行改進(jìn)，并用PSD采集相關(guān)峰信息，根據(jù)光學(xué)相關(guān)變換后目標(biāo)圖像和模板圖像的相關(guān)峰位置信息提取目標(biāo)位置信息。然而PSD無法記錄傳統(tǒng)匹配濾波過程中的頻譜圖像，因此設(shè)計(jì)出一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合處理器，能夠?qū)δ繕?biāo)圖像進(jìn)行高速識(shí)別與跟蹤。參考附圖2，其基本原理為:首先利用計(jì)算機(jī)依據(jù)模板圖像提前制作好二值匹配濾波器:即先對(duì)參考圖像r (X，y)進(jìn)行傅立葉變換，得到R(u，ν)，再取其復(fù)共軛，得到匹配濾波器R*(u，ν)。然后嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)圖像頻譜T (U，ν) exp {2i [u Δ χ+ν Δ y]}, T (u, ν)為t(x，y)的傅里葉變換。嵌入式計(jì)算機(jī)將匹配濾波器和目標(biāo)頻譜點(diǎn)乘，得到識(shí)別所需的相關(guān)項(xiàng):η (U，ν) =R* (u, v) T (u, v) exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(4)然后取模，將其輸入至振幅型空間光調(diào)制器I η (U，V) I = I R* (U，V) I I T (U，V) I exp {2i π [u Δ χ+ν Δ y]}(5)當(dāng)有激光照射在空間光調(diào)制器上時(shí)，可利用光學(xué)傅立葉透鏡完成傅立葉逆變換，在透鏡的后焦面輸出相關(guān)結(jié)果0 (Λ: = T (xr, )f r) 0 f (l'1, y；) * δ (,￥' + Δ. , y1 + Δ),) (6)
其中為卷積，“ ”為相關(guān)。最終相關(guān)結(jié)果的光斑由PSD接收并進(jìn)行后續(xù)處理，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高速識(shí)別和跟蹤。PSD位置探測(cè)器的工作原理如下:說明書圖4為二維PSD的工作結(jié)構(gòu)圖，PSD基于橫向光電效應(yīng)工作，其結(jié)構(gòu)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成面狀PN結(jié)，表面P層為光敏接受面，形成以面狀分布電阻。在光敏面的兩對(duì)對(duì)邊上的幾何中心點(diǎn)位置引出四個(gè)收集光電流的電機(jī)。當(dāng)入射光束落在光敏面上形成光斑，并在光斑中心位置O產(chǎn)生與入射光能量成正比的光生電荷，同時(shí)在PSD公共引出端加一反向電壓使光電流Itl在光敏面電阻層上以面電流形式擴(kuò)散并被四個(gè)電極收集，電流分別為I1, I2, I3, I4首先討論水平方向上，設(shè)1，2兩電極間距離為2L。如果入射光點(diǎn)位于A點(diǎn)，則電極O的電流Itl等于電極I的電流I1和電極2的電流I2之和，即:Ici=IJI2電極1，2輸出的光電流I1和I2與A點(diǎn)至電極1，2的距離成反比，即
則:
權(quán)利要求
1.一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，包括準(zhǔn)直激光束(I)，探測(cè)器(2)，外部存儲(chǔ)器(3)，反射鏡(4)，嵌入式處理器(5)，空間光調(diào)制器(6)，傅里葉透鏡(7)，PSD位置探測(cè)器(8)，其特征在于，用光學(xué)方法計(jì)算目標(biāo)圖像和模版圖像的相關(guān)峰圖像，采用PSD位置探測(cè)器計(jì)算其位置和強(qiáng)度，具體實(shí)現(xiàn)流程為: 首先利用嵌入式處理器(5)提前選取要識(shí)別的模板圖像作為參考圖像，然后求該圖像的頻譜，最后進(jìn)行二值化并將其存入外部存儲(chǔ)器(3)中，制作完濾波器，光電混合匹配濾波相關(guān)器工作后，嵌入式處理器(5 )將外部存儲(chǔ)器(3 )中的匹配濾波器讀入自身內(nèi)存，在進(jìn)行識(shí)別與跟蹤時(shí)，首先探測(cè)器(2)采集目標(biāo)圖像，嵌入式處理器(5)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理后求其頻譜，對(duì)頻譜相位進(jìn)行二值化，然后嵌入式處理器從自身內(nèi)存中讀出匹配濾波器，與二值化后的頻譜點(diǎn)乘后送入空間光調(diào)制器(6)，準(zhǔn)直激光束(I)經(jīng)反射鏡(4)入射到空間光調(diào)制器(6)，對(duì)空間光調(diào)制器(6)中點(diǎn)乘后的頻譜進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻譜通過傅里葉透鏡(7)進(jìn)行傅立葉逆變換，在傅立葉透鏡的焦平面得到相關(guān)結(jié)果，由PSD位置探測(cè)器(8)接收信號(hào)，并通過運(yùn)放(9)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器(10)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到嵌入式處理器(5)中進(jìn)行處理，最終計(jì)算得到相關(guān)峰的位置結(jié)果，同時(shí)也能探測(cè)出相關(guān)峰的強(qiáng)度； 具體運(yùn)算過程為: 首先利用計(jì)算機(jī)依據(jù)模板圖像提前制作好二值匹配濾波器:即先對(duì)參考圖像rOj)進(jìn)行傅立葉變換，得到機(jī)故V),再取其復(fù)共軛，得到匹配濾波器,(％ tO ; 然后嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)圖像頻譜
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，所述PSD位置探測(cè)器基于橫向光電效應(yīng)工作，其結(jié)構(gòu)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成面狀PN結(jié)，表面P層為光敏接受面，形成以面狀分布電阻，在光敏面的兩對(duì)對(duì)邊上的幾何中心點(diǎn)位置引出四個(gè)收集光電流的電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，所述PSD位置探測(cè)器工作過程為: 當(dāng)入射光束落在光敏面上形成光斑，并在光斑中心位置O產(chǎn)生與入射光能量成正比的光生電荷，同時(shí)在PSD公共引出端加一反向電壓使光電流在光敏面電阻層上以面電流形式擴(kuò)散并被四個(gè)電極收集，電流分別為Ip 12、13、14，水平方向上，設(shè)1，2兩電極間距離為2L，如果入射光點(diǎn)位于A點(diǎn)，則電極O的電流10等于電極I的電流I1和電極2的電流I2之和，即:10 = I1 + I2 電極1，2輸出的光電流I1和〖2與A點(diǎn)至電極1，2的距離成反比，即
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，準(zhǔn)直激光束(2)為固體激光器、光纖激光器、氣體激光器或半導(dǎo)體激光器，通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)得到的準(zhǔn)直激光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，傅里葉透鏡(7)為膠合透鏡或衍射光學(xué)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，空間光調(diào)制器(6)為反射式相位型空間光調(diào)制器或振幅型空間光調(diào)制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，其特征在于，探測(cè)器(2)為CCD 或CMOS圖像傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于PSD位置探測(cè)器的光電混合相關(guān)器，首次將PSD位置探測(cè)器引入到匹配濾波相關(guān)器中，用PSD采集相關(guān)峰信息，根據(jù)光學(xué)相關(guān)變換后目標(biāo)圖像和模板圖像的相關(guān)峰位置信息提取目標(biāo)位置信息。大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電子學(xué)的靈活性與光學(xué)的高速性的有機(jī)結(jié)合。利用電子學(xué)方法事先做好匹配濾波器，將目標(biāo)圖像和模版圖像輸入到空間光調(diào)制器中，通過傅立葉變換透鏡進(jìn)行光學(xué)傅立葉變換，由PSD位置探測(cè)器采集相關(guān)運(yùn)算結(jié)果。本發(fā)明可應(yīng)用于視頻的高速穩(wěn)像以及目標(biāo)的高速識(shí)別與跟蹤等方面。
文檔編號(hào)G06E3/00GK103105887SQ20131004359
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者唐武盛, 隋京高, 張小亞, 陳怡休, 賈輝, 李修建, 程攀攀 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)