一种自动红外光谱图像测量对准装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学检测领域，尤其涉及一种自动红外光谱图像测量对准装置。


背景技术：

2.红外光谱测量分为成像类与非成像类，其中非成像光谱测量相对于成像光谱测量具有价格便宜的优势，更易于推广。
3.目前使用最广泛的是分光模式测量方案，分光模式测量方案具有扫描速率快，分辨率高的特点，但分光模式测量方案的分光必然会造成大量能量损失，对于探测精度较高、温差小、信号弱的场景，如危化品气体检测，超远距离红外探测等，分光模式探测效果差，严重影响测量准确性。
4.而现有技术中的一种激光测距机收发光轴平行性测量方法(公布号：cn1092387824a)，该实用新型所采用的技术方案是平行光路测量方案，平行光路测量方案可以有效避免分光造成的信号损失，但是平行光路会根据探测距离变化光路之间的偏差变化而相应变化，严重影响测量准确性，并且光谱测量平行光路方案主要依靠操作者目视观察对准，主观性强，要求操作者经验丰富，不能实现自动对准，且容易出现误差，一旦出现多目标距离较近时，难以实现精确对准测量，即无法在测量时同步动态对准红外光谱图像，无法实现所见即所得。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种自动红外光谱图像测量对准装置，针对平行光路难以对准、操作复杂的问题，采用平行光路非成像光谱测量结合视觉相机方案，实现了精确对准，点击相机图像的任意位置，都可显示相应的红外光谱图像，真正实现所见即所得，可同时对同一图像上的多个物体可实现精准红外光谱区分，还能方便存储、保留目标图像。
6.基于上述目的，本实用新型采用的技术方案：
7.一种自动红外光谱图像测量对准装置，包括红外定位目标及红外光谱探测器，所述红外光谱探测器用于探测所述红外定位目标，还包括视觉相机、控制器及云台，所述红外光谱探测器与所述视觉相机均设于所述云台上所述云台、所述视觉相机及所述红外光谱探测器分别与所述控制器连接。红外光谱探测器与视觉相机相结合，点击视觉相机的任意位置，都可显示相应的红外光谱图像，实现所见即所得，同时对同一图像上的多个物体可实现精准红外光谱区分，还能方便存储、保留目标图像。
8.作为一种可选的方案，所述视觉相机包括摄像头安装座和摄像头，所述摄像头安装座设在所述云台上。
9.作为一种可选的方案，所述红外光谱探测器为四象限红外光谱探测器。
10.作为一种可选的方案，所述云台包括云台驱动器、水平方向传感器、俯仰方向传感器、俯仰驱动电机、水平驱动电机，所述控制器通过所述云台驱动器控制所述俯仰驱动电机和所述水平驱动电机，所述水平方向传感器设于所述云台的水平方向，所述俯仰方向传感
器设于所述云台的俯仰方向，所述水平方向传感器与所述俯仰方向传感器分别与所述控制器连接，所述水平驱动电机连接所述水平方向传感器，所述俯仰驱动电机连接所述俯仰方向传感器。
11.作为进一步的方案，所述水平方向传感器以及所述俯仰方向传感器是角位移传感器。角位移传感器是位移传感器的一种型号，采用非接触式专利设计，与同步分析器和电位计等其它传统的角位移测量仪相比，有效地提高了长期可靠性。
12.作为进一步的方案，所述控制器为工控电脑、plc或mcu。工控电脑是基于嵌入式系统的操作平台，实现对所述云台、所述视觉相机及所述红外光谱探测器的控制，plcprogrammable logic controller的简称，是可编程逻辑控制器，是一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行；mcu是microcontroller unit的简称，是微控制单元，又称单片微型计算机(single chip microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。
13.本实用新型所实现的有益效果：
14.红外光谱探测器与视觉相机相结合，点击视觉相机的任意位置，都可显示相应的红外光谱图像，实现所见即所得，同时对同一图像上的多个物体可实现精准红外光谱区分，可获取实时精准的红外光谱检测信息，可实现对设备周边360
°
无死角探测，还能方便存储、保留目标图像，符合消防应急救援装备要求。
附图说明
15.图1为本实用新型的实施例示意图；
16.图2为本实用新型的云台与控制器连接示意图。
17.其中：10、红外定位目标，20、红外光谱探测器，21、红外光谱图像，30、视觉相机，31、相机实时图像，40、反射镜，50、透反镜，60、透镜，70、云台，71、云台驱动器，72、俯仰驱动电机，73、水平驱动电机，74、俯仰方向传感器，75、水平方向传感器，100、控制器。
具体实施方式
18.如图1～2所示，一种自动红外光谱图像测量对准装置，包括红外定位目标10及红外光谱探测器20，红外光谱探测器20用于探测红外定位目标10，还包括视觉相机30、控制器100及云台70，红外光谱探测器20、视觉相机30、反射镜40、透反镜50及透镜60均设于云台70上，云台70、视觉相机30及红外光谱探测器20分别与控制器100连接并受控制器100控制。云台70包括云台驱动器71、水平方向传感器75、俯仰方向传感器74、俯仰驱动电机72、水平驱动电机73，控制器100通过云台驱动器71控制俯仰驱动电机72和水平驱动电机73，水平方向传感器75设于云台70的水平方向，俯仰方向传感器74设于云台70的俯仰方向，水平方向传感器75与俯仰方向传感器74分别与控制器100连接，水平驱动电机73连接水平方向传感器75，俯仰驱动电机72连接俯仰方向传感器74。
19.具体说来，视觉相机10包括摄像头安装座和摄像头，摄像头安装座设在云台70上；红外光谱探测器20为四象限红外光谱探测器；水平方向传感器75以及俯仰方向传感器74是
角位移传感器，角位移传感器是位移传感器的一种型号，采用非接触式专利设计，与同步分析器和电位计等其它传统的角位移测量仪相比，有效地提高了长期可靠性。
20.自动红外光谱图像测量对准装置的具体实现过程，包括以下步骤：
21.a1:红外光谱探测器20探测红外定位目标10形成红外光谱图像21；
22.a2:视觉相机30对红外定位目标10进行实时图像采集形成相机实时图像31；
23.a3:建立红外光谱图像21与相机实时图像31的空间映射关系，根据所述空间映射关系以及相机实时图像31对准所述红外定位目标10。
24.其中，红外光谱图像测量对准的具体过程如下：
25.1，设备方案
26.如图1或2所示，通过视觉相机30采取实时图像数据获得相机实时图像31，并通过控制器100改变反射镜40或透反镜50的位置、方向，可采集整个图像任意位置的实时红外光谱图像得到红外光谱图像21，工控机100处理红外光谱图像21，控制器100将控制变量上传到工控机。
27.2，标定
28.使用前，为实现红外光谱图像21与相机实时图像31的对应关系，需要对视觉相机30与红外光谱探测器20进行标定，标定的目的是得到视觉相机30与红外光谱探测器20的精确安装位置偏差，设备只需进行一次标定，后续除非结构位置有变动，否则其标定参数可一直使用，标定方法如下：
29.a)设定红外定位目标10为红外光源，设定视觉相机30的目标为红外光源及棋盘格标定板，制作棋盘格标定板；
30.b)将红外光源固定在棋盘格标定板的中央位置；
31.c)水平移动棋盘格标定板，确保红外光谱仪探测器20到红外光源；
32.d)通过视觉相机30获得的相机实时图像31得到此时红外光源在相机实时图像31中的位置；
33.e)重复c),d)步骤3次以上；
34.f)使用最小二乘法求得视觉相机30与红外光谱探测器20的旋转矩阵r0及平移矩阵t0；
35.g)分别垂直移动棋盘格标定板，根据实际使用情况让棋盘格标定板与设备(视觉相机30与红外光谱探测器20)相距不同的距离，重复c)-》f)过程，得到不同距离下的旋转矩阵及平移矩阵。
36.红外光谱图像21与相机实时图像31的空间映射关系为等积变换关系，红外光谱图像21与相机实时图像31的空间映射关系满足笛卡尔坐标变换关系。
37.3，通过控制器100得到旋转矩阵r1及平移矩阵t1；
38.4，视觉相机30的相机内参矩阵为k；
39.5，最终建立实时视频图像与红外光谱传感器映射；
40.p1＝r0*p0 t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
41.p2＝r1*p1 t2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
42.p3＝k*p2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
43.其中p0为红外光谱探测器20探测到的红外光谱位置，p3为视觉相机30的最终坐标
位置，p1为视觉相机30的第一次旋转矩阵及第一次平移矩阵的坐标位置，p2为视觉相机30的第二次旋转矩阵及第二次平移矩阵的坐标位置；
44.通过公式(2)、(3)、(4)建立了红外光谱探测器20探测到的红外光源位置与视觉相机30获得的相机实时图像31坐标的映射关系。
45.6，最终，红外光谱探测器20对应的目标点，即红外光谱图像21可通过软件在相机实时图像31标记出来，实现所见即所得。
46.7，同理，也可以通过点击相机实时图像31上任意点，通过控制器100实现红外光谱探测器20的对准。
47.8，最后，通过云台控制设备自由转动，实现对设备周边360
°
无死角探测、对准。
48.控制器100可以是工控电脑、plc或mcu。工控电脑是基于嵌入式系统的操作平台，实现对所述云台、所述视觉相机及所述红外光谱探测器的控制，plc是programmable logic controller的简称，是可编程逻辑控制器，是一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行；mcu是microcontroller unit；mcu的简称，是微控制单元，又称单片微型计算机(single chip microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。
49.最后需要说明的是，上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。