基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统及其校正像面漂移的方法

摘要

本发明公开了基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统，包括红外镜头、红外声光可调谐滤光器、红外成像相机、声光可调谐滤光器驱动器、图像采集模块、计算机和自动校正像面漂移控制装置。自动校正像面漂移控制装置包括用于对红外镜头进行调焦的步进电机、步进电机驱动电路、用于检测红外镜头的调焦位置的位置检测传感器以及控制器。控制器的第一信号输入端与计算机的接口连接，第二信号输入端与位置检测传感器的信号输出端连接，控制输出端与步进电机驱动电路的输入端相连。本发明还提供了上述成像取证系统校正像面漂移的方法。本发明使红外线的成像波段更精准。此外，本发明还能够调整红外镜头的调焦位置，得到最清晰的图像。

说明书

技术领域

本发明涉及法庭科学刑事案件现场取证的技术，尤其涉及基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统及其校正像面漂移的方法。

背景技术

红外线是一种人眼不可见的热射线，它遵守光的直线传播、反射和折射等定律。自然界里的很多物质对红外线的吸收、反射、穿透等能力与可见光、紫外线不同，红外线穿透能力较强，可以进入物质内部到达更深层部位，甚至可以穿透一些可见光和紫外线不能通过的物质。因此，对物体进行红外成像，可以获得与可见光和紫外成像不同的物体信息或细节。

在法庭科学和物证鉴定领域，经常采用红外照相技术来显现和提取潜在物证。如：显现各类书写文字及被涂抹的字迹;进行真伪币的鉴别;对烧焦纸张上的字迹进行拍照还原;对室外阴霾烟尘现场进行拍照;对枪晕痕迹与灰尘足迹进行显现;对深色布上的字迹、印章、血迹等进行拍照显现。当前受照相器件的限制，现场取证的红外线滤光器通常采用长波通滤光镜，由于长波通滤光镜波长范围较宽，不利于物证的鉴别。

此外，在法庭科学和物证鉴定领域，常用的红外照相波段为700-1200nm。由于红外线波长越长其穿透能力也越强，因此，有必要研发波长大于1200nm的红外成像设备，以提高现场潜在物证的提取能力，为侦查破案提供技术支撑。

成像光谱仪由红外行扫描仪和多光谱扫描仪等多种遥感仪的原理发展而来，能够同时实现了扫描成像和精细分光。它是在扫描成像原理的基础上，将成像辐射的波段划分成更为狭窄的多个波段进行成像，对同一景物获得更多个光谱波段的图像。成像光谱仪包括成像单元和光谱分光单元两部分，成像单元用于对地物目标的空间成像，分光单元用于光谱波段分割或光谱维扫描。光谱探测仪器按分光方式的不同可以分为滤光片型、光栅型、傅立叶型、二极管阵列型、声光可调谐滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter，简称AOTF）型等。

声光可调谐滤光器(AOTF)是一种电控滤光器，它基于声光效应的原理，当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。声光可调谐滤光器主要分为共线型声光可调谐滤光器和非共线型声光可调谐滤光器，由于非共线型声光可调谐滤光器具有较大的口径和视场角，同时衍射光和未衍射光有一定的分离角度，在空间上实现了分离，晶体材料易于获得，可以对自然光进行衍射，成为目前普遍使用的类型。当晶体振动频率改变时，衍射光波长也相应改变，这就是声光可调谐滤光器分光的基本原理。

由于声光可调谐滤光器的分光原理区别于传统的色散元件(如棱镜和光栅)，它的衍射分离角，即衍射光与未衍射光的空间分离角随波长而变，并不是固定值，因此将会导致图像的色散漂移问题。色散漂移的根本原因是声光可调谐滤光器的TeO₂晶体本身所具有的色散特性，衍射光的衍射角随波长的变化而变化。因此，不同波段的图像在面阵探测器上会有色差，发生漂移，从而会出现光谱图像不清晰的现象，给声光可调谐滤光器光谱数据的像元配准带来较大的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在刑事案件现场进行红外线成像取证、具有较高的红外线成像的精准度、并带有自动校正像面漂移功能的红外线成像取证系统。

本发明还提供了一种红外线成像取证系统校正像面漂移的方法，其能够克服现有声光可调谐滤光器型光谱成像系统存在的由于图像发生漂移造成对焦不清晰的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统，包括红外镜头、红外声光可调谐滤光器、红外成像相机、声光可调谐滤光器驱动器、图像采集模块、计算机和自动校正像面漂移控制装置；

红外声光可调谐滤光器位于所述的红外镜头之后，红外成像相机位于红外声光可调谐滤光器之后，图像采集模块用于采集红外成像相机输出的图像信号，并将采集的图像信号发送给计算机，计算机的第一接口与声光可调谐滤光器驱动器的输入端连接，声光可调谐滤光器驱动器的输出端与红外声光可调谐滤光器的信号输入端连接；

该自动校正像面漂移控制装置包括用于对红外镜头进行调焦的步进电机、步进电机驱动电路、用于检测红外镜头的调焦位置的位置检测传感器以及控制器；控制器的第一信号输入端与计算机的第二接口连接，控制器的第二信号输入端与所述位置检测传感器的信号输出端连接，控制器的控制输出端与所述步进电机驱动电路的输入端相连，步进电机驱动电路的输出端与步进电机连接。

本发明还公开了一种上述的基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统校正像面漂移的方法，包括以下步骤：

步骤一、自动校正像面漂移控制装置的控制器设定步进电机的步进运动范围及步长，通过步进电机驱动电路驱动步进电机走完该步进运动范围，根据从图像采集模块接收的图像信号和从位置检测传感器接收的位置检测信号，计算出在红外镜头的每一调焦位置的图像调焦评价函数值，并通过比较得到该步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值及其相应的步进位置；

步骤二、然后，自动校正像面漂移控制装置的控制器再次设定步进电机的步进运动范围及步长，再次设定的步进运动范围的起点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的前一步进位置，再次设定的步进运动范围的终点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的后一步进位置，再次设定的步长小于前一次设定的步长；通过步进电机驱动电路驱动步进电机走完该再次设定的步进运动范围，根据从图像采集模块接收的图像信号和从位置检测传感器接收的位置检测信号，计算出在红外镜头的每一调焦位置的图像调焦评价函数值，并通过比较得到再次设定的步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值及其相应的步进位置；

步骤三，重复上述的步骤二达到N次，N大于等于0，该自动校正像面漂移控制装置的控制器通过比较得到在所有步进运动范围中的一个最大图像调焦评价函数值，并控制步进电机带动红外镜头移动到与该所有步进运动范围中的最大图像调焦评价函数值相对应的调焦位置。

采用上述技术方案后，本发明具有以下优点：

1、本发明以红外声光可调谐滤光器代替传统的长波通红外线滤光镜，使红外线的成像波段更精准，从而增强了红外线成像对相似物证的鉴别能力；

2、本发明设置了自动校正像面漂移控制装置，其能够根据图像采集模块采集的图像信号和位置检测传感器检测到的镜头调焦位置检测信号调整红外镜头的调焦位置，得到最清晰的图像，从而解决了由于声光可调谐滤光器本身特性造成的不同波段的图像在面阵探测器上会有色差、发生漂移，从而会出现光谱图像不清晰的现象；

3、本发明采用了铟镓砷面阵CCD红外图像传感器进行成像，使红外线成像取证的波段达到1000 nm -1700nm，具有更强的穿透能力，从而增强了红外线成像对潜在物证的探测能力。                      

附图说明

图1是根据本发明一实施例的基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统的原理框图。

图2示出了根据本发明一实施例的自动校正像面漂移控制装置的原理框图。

图3是爬山搜索算法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

请参考图1。根据本发明一实施例的基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统，包括红外镜头1、红外声光可调谐滤光器2、红外成像相机3、声光可调谐滤光器驱动器4、图像采集模块5、计算机6和自动校正像面漂移控制装置7。

红外声光可调谐滤光器2位于红外镜头1之后。红外声光可调谐滤光器可采用美国Brimrose公司的TeO₂非共线型声光可调谐滤光器，工作波段为1000~1700nm，通光口径10×10mm，光谱分辨率随衍射中心波长而变，变化范围为0.6~8nm。峰值衍射效率为75%，射频信号调频频率为60~130MHz ~208MHz。

红外成像相机3位于红外声光可调谐滤光器2之后。该红外成像相机3优选为铟镓砷面阵CCD红外图像传感器，有效像素数320(H)×256(V) ，对1000-1700nm波长范围的红外线敏感，从而具有更强的穿透能力。该面阵CCD图像传感器完成信号的光电转换、电荷读出、A/D转换和数字信号输出，并附带有控制器和皮尔贴制冷组件。

声光可调谐滤光器驱动器4的信号输出端与红外声光可调谐滤光器2的信号输入端连接，可实现频率分辨率为Hz级的射频驱动信号的发生、调理、放大和输出，控制红外声光可调谐滤光器2的工作，即控制系统的光谱选择性。

图像采集模块5用于采集红外成像相机3输出的图像信号，并将采集的图像信号发送给计算机6。图像采集模块4优选采用Camera Link图像采集卡，插在计算机6的插槽中。

计算机6的第一接口与声光可调谐滤光器驱动器4的输入端连接。计算机6用于实现系统的总体控制和调度，包括配置声光可调谐滤光器驱动器4的输出参数并控制其工作状态、通过图像采集模块5配置红外成像相机3的工作参数并控制其曝光过程、存储采集的图像信号、维持装置之间的同步性等。

如图2所示。自动校正像面漂移控制装置7包括用于对红外镜头1进行调焦的步进电机71、步进电机驱动电路72、用于检测红外镜头1的调焦位置的位置检测传感器73以及控制器74。控制器74的第一信号输入端与计算机6的第二接口连接，通过计算机6接收图像采集模块5采集到的图像信号，控制器74的第二信号输入端与位置检测传感器73的信号输出端连接，接收位置检测传感器73输出的镜头调焦位置检测信号，控制器74的控制输出端与步进电机驱动电路72的输入端相连，步进电机驱动电路72的输出端与步进电机71连接，用以驱动步进电机71的动作。位置检测传感器73可采用光栅尺。红外成像相机3输出的图像信号，在经过图像采集模块5采集后送入计算机6进行实时显示的同时也送入自动校正像面漂移控制装置7的控制器74进行运算处理。控制器74根据采集到的图像进行分析，向步进电机驱动电路72发出控制信号，调节前端的红外镜头1，实现自动调焦，得到最清晰的图像。

控制器74进一步包括图像信号接收单元741、位置检测信号接收单元742、驱动控制单元743和调焦控制单元744。

图像信号接收单元741用于通过计算机6接收图像采集模块5采集到的图像信号。位置检测信号接收单元742用于接收位置检测传感器73输出的镜头调焦位置检测信号。驱动控制单元743用于通过步进驱动电路72驱动步进电机71。调焦控制单元744用于多次设定步进电机71的步进运动范围及步长,通过驱动控制单元743驱动步进电机71走完每次设定的步进运动范围，根据图像接收单元741接收的图像信号和位置检测信号单元742接收的镜头调焦位置检测信号，计算出在红外镜头1的每一调焦位置的图像调焦评价函数值，并通过比较得到每一步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值及其相应的步进位置；其中，从第二次设定步进电机71的步进运动范围及步长开始，后一次的步进运动范围的起点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的前一步进位置，后一次的步进运动范围的终点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的后一步进位置，后一次设定的步长小于前一次设定的步长；在驱动步进电机71走完所有设定的步进运动范围后，该调焦控制单元744通过比较得到在所有步进运动范围中的一个最大图像调焦评价函数值，并控制步进电机71带动红外镜头1移动到与该所有步进运动范围中的最大图像调焦评价函数值相对应的调焦位置，从而获得最清晰的图像。在一具体的实施例中，上述的多次为至少3次，上述的图像调焦评价函数值可采用空域的图像调焦评价函数值，其具体算法为公知，算出的图像调焦评价函数值越大代表图像越清晰。

根据本发明一实施例的基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统的工作过程大致如下：目标光谱通过红外镜头1入射到红外声光可调谐滤光器2中，声光可调谐滤光器驱动器4产生射频电信号作用到红外声光可调谐滤光器2上。红外声光可调谐滤光器2中的TeO₂ 晶体一端的换能器在射频信号作用下激励晶体表面产生超声波，在晶体表面形成衍射光栅，影响通过晶体表面光波的传播，这样通过改变射频信号源频率大小，就可以改变通过红外声光可调谐滤光器2的光波的波长，从而有目的选择光谱波长，达到分光的目的。经过红外声光可调谐滤光器2后，所选择的光谱波段的光被红外成像相机3探测到，形成了对应光谱波段的光谱图像，通过自动校正像面漂移控制装置7，微调光学红外镜头1，得到最清晰图像，最后由图像采集模块5采集存储到计算机6中。

本发明还公开了一种基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统校正像面漂移的方法，包括以下步骤：

步骤一、自动校正像面漂移控制装置7的控制器74设定步进电机71的步进运动范围及步长，通过步进电机驱动电路72驱动步进电机71走完该步进运动范围，根据从图像采集模块5接收的图像信号和从位置检测传感器73接收的位置检测信号，计算出在红外镜头1的每一调焦位置的图像调焦评价函数值，并通过比较得到该步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值及其相应的步进位置；步进电机71的步进位置与调焦位置是一一对应的关系，步进电机71每走一个步进位置，相应地会驱动红外镜头1行进到一个调焦位置；

步骤二、然后，自动校正像面漂移控制装置7的控制器74再次设定步进电机71的步进运动范围及步长，再次设定的步进运动范围的起点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的前一步进位置，再次设定的步进运动范围的终点设定在与前一次步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值相对应的步进位置的后一步进位置，再次设定的步长小于前一次设定的步长；通过步进电机驱动电路72驱动步进电机71走完该再次设定的步进运动范围，根据从图像采集模块5接收的图像信号和从位置检测传感器73接收的位置检测信号，计算出在红外镜头的每一调焦位置的图像调焦评价函数值，并通过比较得到再次设定的步进运动范围内的最大图像调焦评价函数值及其相应的步进位置；

步骤三，重复上述的步骤二达到N次，N大于等于0，该自动校正像面漂移控制装置的控制器74通过比较得到在所有步进运动范围中的一个最大图像调焦评价函数值，并控制步进电机71带动红外镜头1移动到与该所有步进运动范围中的最大图像调焦评价函数值相对应的调焦位置。

上述的校正像面漂移的方法基于的是一种优化的爬山搜索算法，该算法先得出在红外镜头的整个行程内调焦评价函数值的最大值，然后减小搜索范围，提高搜索精度，在最大值附近重新搜索，这个过程反复进行，直到得到最高精度的搜索值。其原理如图3所示。

在一个具体的实施例中，该基于声光可调谐滤光器的红外线成像取证系统校正像面漂移的方法包括以下步骤：

A、设定步进电机71的步进运动范围L = [a,b]，步长为λ，a、b分别为步进电机的起点步进位置和终点步进位置； 令λ=(b?a)/5；

B、以 a 为起点，以λ为步长采集全部 L /λ个调焦位置的图像并计算其调焦评价函数值；

C、比较 L /λ个调焦评价函数值，记录与最大的调焦评价函数值相对应的步进位置为第 x 站；

D、以λ为步长返回 （x-1 ）站；

E、令步进电机71的步进运动范围L = [（x-1）站,（x+1）站]，λ=(b?a)/10；

F、以（x-1）站为起点，以λ=(b?a)/10为步长采集全部 L /λ个调焦位置的图像并计算其调焦评价函数值；

G、比较 L /λ个调焦评价函数值，记录与最大的调焦评价函数值相对应的步进位置为第 x1 站；

H、以λ=(b?a)/10为步长返回 （x1-1 ）站；

I、令步进电机71的步进运动范围L = [（x1-1）站,（x1+1）站]，λ=(b?a)/30；

J、以（x1-1）站为起点，以λ=(b?a)/30为步长采集全部 L /λ个调焦位置的图像并计算其调焦评价函数值；

K、比较 L /λ个调焦评价函数值，当调焦评价函数值出现下降时，返回三个步进运动范围中最大的调焦评价函数值，并控制步进电机71带动红外镜头1移动到与该三个步进运动范围中的最大图像调焦评价函数值相对应的调焦位置，从而完成调焦。