一种光电混合匹配滤波相关器专利检索-匹配滤波器电子零件及设备专利检索查询-专利查询网

一种光电混合匹配滤波相关器

阅读：1775发布：2020-10-13

专利汇可以提供一种光电混合匹配滤波相关器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种光电混合匹配滤波相关器。利用嵌入式处理器实时计算目标图像的二值频谱，并与提前制作好的二值匹配滤波器点乘求取滤波后的图像，然后将其送入至空间光调制器，利用光学2f系统完成傅立叶逆运算，从而得到相关结果。本发明采用光学2f系统，因而光路简单，像差小，体积小，速度快。前级光学2f系统改为由电学的方法实现，克服了空间光调制器对图像大小的限制，从而能够能够进行1：N识别。，下面是一种光电混合匹配滤波相关器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光电混合匹配滤波相关器，包括图像传感器（1），嵌入式处理器（4），空间光调制器（6），准直激光束（5），傅里叶透镜（7），光电探测器（8），其特征在于，图像传感器（1）连接嵌入式处理器（4），空间光调制器（6）位于傅里叶透镜（7）之前，傅里叶透镜（7）位于光电探测器（8）之前；嵌入式处理器（4）将外部存储器中的匹配滤波器读入内存，在进行1：N识别时，首先探测器（1）采集目标图像（2），嵌入式处理器（4）对其进行预处理后求其频谱，对频谱进行二值化处理，其次嵌入式处理器（4）从内存中读出匹配滤波器，与二值化后的频谱点乘后送入空间光调制器（6），在准直激光束（5）的调制下，通过傅里叶透镜（7）进行傅立叶逆运算，在其焦平面上得到相关结果，由探测器（8）接受并传递回嵌入式处理器，嵌入式处理器（4）进行相关计算后输出结果（3）；
依据所用空间光调制器的不同，计算分相位型空间光调制器和振幅型空间光调制器两种，具体内容如下：
（Ⅰ）相位型空间光调制器
设参考图像依次为，
，，，对应的偏移因子依次为，
，，，
计算机依次求取参考图像频谱的复共轭为，，，，
将图像频谱的复共轭与相应偏移因子依次相乘，然后求和得匹配滤波器为
(4)
嵌入式处理器实时计算目标图像频谱
(5)
嵌入式处理器将匹配滤波器和目标频谱点乘，然后输入至相位型空间光调制器，利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆运算，输出相关结果
(6)
其中“ ” 为卷积，“ ”为相关，从（6）式可以看出，输出结果中只有目标图像和模板图像之间的相关项，只要模板图像中有与目标图像相同的图像，就会在相应点出现明亮的光斑；
（Ⅱ）振幅型空间光调制器
设参考图像依次为，，，，对应的偏移因子依次为
，，，，
计算机依次求取参考图像频谱的复共轭为，，，，
将图像频谱的复共轭与相应偏移因子依次相乘，然后求和得匹配滤波器为
(7)
嵌入式处理器实时计算目标图像频谱
(8)
嵌入式处理器将匹配滤波器和目标频谱点乘
(9)
取式（9）实部，得到识别所需功率谱
(10)
然后将式（10）相关项输入至振幅型空间光调制器，利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆运算，输出相关结果
(11)
其中“ ”为卷积，“ ”为相关，从式（11）可以看出，输出结果中只有目标图像和模板图像之间的相关项，只要模板图像中有与目标图像相同的图像，就会在相应点出现明亮的光斑，从而能够进行1：N识别。
2.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，滤波器提前利用计算机制作，根据1：N识别的模板图像数N，取N幅模板图像，利用计算机提前分别计算频谱、取复共轭、与偏移因子相乘后求和，然后进行二值化并存入存储器中，依次直到取完所有模板图像，制作完成滤波器。
3.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，嵌入式处理为FPGA或DSP芯片。
4.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，准直激光束（5）为固体激光器、光纤激光器、气体激光器、半导体激光器中的一种，体积紧凑的激光器，通过扩束准直系统得到的准直激光束。
5.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，傅里叶透镜（7）为胶合透镜或衍射光学元件。
6.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，光电探测器（1）为光电管阵列或为高速图像传感器。
7.根据权利要求1所述的光电混合匹配滤波相关器，其特征在于，空间光调制器（6）为相位型空间光调制器或振幅型空间光调制器。

说明书全文

一种光电混合匹配滤波相关器

技术领域

[0001] 本发明属于信息光学领域，涉及一种新型光电混合匹配滤波相关器，主要应用于图像识别等光信息处理领域。与传统的光学相关器相比，在减小体积的同时提高了速度、精度，为实用化小型光学相关器奠定基础。

背景技术

[0002] 光学相关器（Optical Correlator）最早由A.Vander Lugt提出（"Signal detection by complex spatial filtering," IEEE Trans. Inf. Theory IT-10, 139-145 (1964)）。光学相关器利用光学方法实现目标图像与参考图像的相关运算，从而实现图像的识别与跟踪。光学相关技术具有高速度和并行处理特点，适合于处理二维图像信息，可精确快速识别具有复杂背景的图像目标，在超高速海量图像识别方面具有较大的优势。

[0003] 空间匹配滤波相关器（Vander Lugt Correlator，VLC）是最早的具有代表性的光学模式识别系统。1964年，Vander Lugt提出了使用离轴全息方法制作空间匹配滤波器，构成空间匹配滤波相关器，通过光学相关运算识别目标（"Signal detection by complex spatial filtering," IEEE Trans. Inf. Theory IT-10, 139-145 (1964)）。这标志着空间匹配滤波相关器的诞生。

[0004] 空间匹配滤波相关器对图像的识别是在空间滤波的基础上实现的，其方法是在4f系统的频谱平面上放置一个匹配滤波器，在频率域中对输入信号进行相位补偿，从而在输出平面上产生相关光斑。空间匹配滤波相关器进行图像识别其原理如图1所示。

[0005] 输入参考图像为f(x,y)，在单位复振幅单色平面相干光的照明下，经傅立叶透镜L1，在其像焦平面（频谱平面）频谱为

[0006]* *

[0007] F(u,v)的复共轭函数为F(u,v)，复振幅透过率函数为H(u,v)=F(u,v)的滤波器称为输入参考图像f(x,y)的匹配滤波器，将匹配滤波器放置在平铺平面进行空间滤波，滤波后的频谱为

[0008] O(u,v)=F(u,v)H(u,v) (2)

[0009] 经傅立叶透镜L2后，在4f系统输出平面能够得到的图像为

[0010]

[0011] （3）式输出为一明亮的光斑，依据光斑的有无便可进行图像识别。 [0012] 但是传统的空间匹配滤波相关器要想达到很好的识别效果，必须将滤波器的中心与目标频谱的中心完全重合，而这点在工程上很难实现；其次，传统的空间匹配滤波相关器依靠完整的4f系统，造成系统光路复杂、体积大、信噪比低，这些都是传统空间匹配滤波器没有实用化的原因。因此，需要新的方案来使传统的空间匹配滤波相关器的小型化、实用化。

发明内容

[0013] 1.本发明目的和总体特点

[0014] 通过前述可知，制约空间匹配滤波相关器实用化关键因素在于空间匹配滤波相关器采用完整的光学4f（f指焦距）系统，造成光路复杂、像差大、体积大、信噪比低、滤波器的中心与目标频谱的中心难以完全重合。本发明提出用电学的方法直接计算滤波后的图像，再利用光学系统完成一次傅立叶逆运算。从而取消了一次光学2f系统的傅立叶变换运算，同时避免了目标频谱与滤波器的空间配准问题，简化了光路，缩小了像差，减小了体积。与此同时，由于前级光学2f系统改为由电学的方法实现，克服了空间光调制器对图像大小的限制，从而能够实现1：N（N为大于等于1的正整数）识别。

[0015] 2.本发明的原理

[0016] 本发明基本原理：本发明建立在空间匹配滤波的基础上。该光电混合匹配滤波相关器包括图像传感器1、嵌入式处理器4、空间光调制器6、准直激光束5、傅里叶透镜7、光电探测器8，其特征在于，图像传感器1连接嵌入式处理器4，空间光调制器6位于傅里叶透镜7之前，傅里叶透镜7位于光电探测器8之前；嵌入式处理器4将外部存储器中的匹配滤波器读入内存，在进行1：N识别时，首先探测器1采集目标图像2，嵌入式处理器4对其进行预处理后求其频谱，对频谱进行二值化处理，其次嵌入式处理器4从内存中读出匹配滤波器，与二值化后的频谱点乘后送入空间光调制器6，在准直激光束5的调制下，通过傅里叶透镜7进行傅立叶逆运算，在其焦平面上得到相关结果，由探测器8接受并传递回嵌入式处理器，嵌入式处理器4进行相关计算后输出结果3，其实现流程为：嵌入式处理器实时计算目标图像的频谱并与提前计算的匹配滤波器依次点乘求取滤波后的图像，然后将其输入至空间光调制器，利用光学系统完成傅立叶逆运算，得出相关结果。依据所用空间光调制器的不同，计算分相位型空间光调制器和振幅型空间光调制器两种，具体原理分别介绍如下。

[0017] （1）相位型空间光调制器

[0018] 设参考图像依次为f1(x,y)，f2(x,y)，…，fn(x,y)，对应的偏移因子依次为，，…，。

[0019] 计算机依次求取参考图像频谱的复共轭为F1*(u,v)，F2*(u,v)，…，Fn*(u,v)。

[0020] 将图像频谱的复共轭与相应偏移因子依次相乘，然后求和得匹配滤波器为[0021]

[0022] 嵌入式处理器实时计算目标图像频谱

[0023]

[0024] 嵌入式处理器将匹配滤波器和目标频谱点乘，然后输入至相位型空间光调制器，利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆运算，输出相关结果

[0025]

[0026] 其中“*” 为卷积，“ ”为相关。从（6）式可以看出，输出结果中只有目标图像和模板图像之间的相关项，只要模板图像中有与目标图像相同的图像，就会在相应点出现明亮的光斑。

[0027] （2）振幅型空间光调制器

[0028] 设参考图像依次为f1(x,y)，f2(x,y)，…，fn(x,y)，对应的偏移因子依次为，，…，。* * *

[0029] 计算机依次求取参考图像频谱的复共轭为F1(u,v)，F2(u,v)，…，Fn(u,v)。

[0030] 将图像频谱的复共轭与相应偏移因子依次相乘，然后求和得匹配滤波器为[0031]

[0032] 嵌入式处理器实时计算目标图像频谱

[0033]

[0034] 嵌入式处理器将匹配滤波器和目标频谱点乘

[0035]

[0036] 取式（9）实部，得到识别所需功率谱

[0037]

[0038] 然后将式（10）相关项输入至振幅型空间光调制器，利用光学傅立叶透镜完成傅立叶逆运算，输出相关结果

[0039]

[0040] 其中“*”为卷积，“ ”为相关。从式（11）可以看出，输出结果中只有目标图像和模板图像之间的相关项，只要模板图像中有与目标图像相同的图像，就会在相应点出现明亮的光斑，从而能够进行1：N识别。

[0041] 本发明在上述基础上包含三个步骤：

[0042] 1、提前制作匹配滤波器

[0043] 匹配滤波器为二值滤波器。制作方法是：取N幅模板图像，利用计算机提前分别求出频谱、取复共轭、与偏移因子相乘后求和，然后进行二值化并存入存储器中。光电混合匹配滤波相关器工作时，在嵌入式处理器的控制下从存储器中读入匹配滤波器，将其放入内存。

[0044] 2、匹配滤波器和目标图像的频谱

[0045] 为提高系统的运行速度，匹配滤波器和目标图像的频谱均为二值图像。

[0046] 3、1：N识别

[0047] 光电混合匹配滤波相关器能进行1：N识别。在进行1：N识别时，需提前制作好与之相应的匹配滤波器。

[0048] 4、偏移因子

[0049] 对于相位型空间光调制器，偏移因子的形式为；对于振幅型空间光调制器，偏移因子的形式为。

[0050] 本发明与传统的光学相关器相比，有以下优点：

[0051] 信噪比高，像差低，易于实用化，可以实现1：N识别，体积可缩小1/2，速度至少可提高1000倍。附图说明

[0052] 图1为传统匹配滤波相关器系统图，

[0053] 图2为光电混合匹配滤波相关器实施例一。

具体实施方式

[0054] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0055] 实施例一：利用相位型空间光调制器

[0056] 包括图像传感器1、嵌入式处理器4、空间光调制器6、准直激光束5、傅里叶透镜7、光电探测器8，图像传感器1连接嵌入式处理器4，空间光调制器6位于傅里叶透镜7之前，傅里叶透镜7位于光电探测器8之前；

[0057] 滤波器提前利用计算机制作，根据1：N识别的模板图像数N（N为大于等于1的正整数），取N幅模板图像，利用计算机提前分别计算频谱、取复共轭、与偏移因子相乘后求和，然后进行二值化并存入存储器中，依次直到取完所有模板图像，制作完成滤波器。光电混合匹配滤波相关器工作后，嵌入式处理器4将外部存储器中的匹配滤波器读入内存。在进行1：N识别时，首先探测器1采集目标图像2，嵌入式处理器4对其进行预处理后求其频谱，对频谱相位二值化，其次嵌入式处理器4从内存中读出匹配滤波器，与二值化后的频谱点乘后送入相位型空间光调制器6，在准直激光束5的调制下，通过傅里叶透镜7进行傅立叶逆运算，在其焦平面上得到相关结果，由探测器8接受并传递回嵌入式处理器。嵌入式处理器4进行相关计算后输出结果3。具体结构如图2所示。

[0058] 上述的空间光调制器6为相位空间光调制器，嵌入式处理器4可以为在现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）等具备数字图像处理和控制功能的嵌入式芯片；准直激光束5可通过固体激光器、气体激光器、光纤激光器或半导体激光器等紧凑型激光器经过扩束准直系统得到；傅里叶透镜7可以为衍射光学元件等其他起到透镜作用的光学元件；探测器1可以为CCD，CMOS等图像传感器；探测器8为光电管阵列。

[0059] 实施例二：利用振幅型空间光调制器

[0060] 根据1：N识别的模板图像数N（N大于等于1），取N幅模板图像，利用计算机提前分别计算频谱、取复共轭、与偏移因子相乘后求和，然后进行二值化并存入存储器中，依次直到取完所有模板图像，制作完滤波器。光电混合匹配滤波相关器工作后，嵌入式处理器4将外部存储器中的匹配滤波器读入内存。在进行1：N识别时，首先探测器1采集目标图像2，嵌入式处理器4对其进行预处理后求其频谱并进行二值化，其次嵌入式处理器4从内存中读出相应的匹配滤波器，与目标图像的频谱点乘，最后将其结果送入至振幅型空间光调制6，在准直激光束5的调制下，通过傅里叶透镜7进行傅立叶逆运算，在其焦平面上得到相关结果，由探测器8接受并传递回嵌入式处理器2。嵌入式处理器2进行计算后形成相关运算的输出结果4。具体结构与利用相位型空间光调制器的结构相同。

[0061] 上述的空间光调制器6为透射式或反射式振幅型空间光调制器，嵌入式处理器4可以为在现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）等具备数字图像处理和控制功能的嵌入式芯片；准直激光束5可通过固体激光器、气体激光器、光纤激光器或半导体激光器等紧凑型激光器经过扩束准直系统得到；傅里叶透镜7可以为衍射光学元件等其他起到透镜作用的光学元件；探测器1可以为CCD，CMOS等图像传感器。

标题	发布/更新时间	阅读量
基于射频隐身的多基雷达辐射参数多目标联合优化方法	2020-05-08	204
基于张量稀疏表示的MIMO雷达成像方法	2020-05-11	485
近恒模合成(STORM)波形的高效设计与实现	2020-05-11	54
一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法	2020-05-12	342
一种降低稳态误差的定时同步方法	2020-05-08	996
基于迭代干扰消除的超奈奎斯特系统符号估计方法	2020-05-08	184
混合干扰信号生成方法、装置、设备及介质	2020-05-08	774
一种基于RD算法的SAR海浪成像仿真方法	2020-05-08	59
基于分布式光纤声波传感系统的振动传感系统	2020-05-08	826
基于OFDM技术的可见光通信系统	2020-05-08	123

一种光电混合匹配滤波相关器

一种光电混合匹配滤波相关器

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：