CN100588920C - 变焦距全偏振光谱成像探测系统 - Google Patents

Abstract

变焦距全偏振光谱成像探测系统由变焦距光学镜头、滤光片、两片液晶相位可变延迟器LCVR1和LCVR2、偏振片、微距光学镜头、电荷耦合器件、电子驱动器、图像采集卡和计算机组成。该系统的成像系统为变焦距光学系统，通过选用合适的滤光片实现了相应的光谱成像，通过控制加在两片LCVR上的电压值改变其相位延迟，实现了系统的全偏振成像，被测目标的图像信号被计算机采集并作图像处理。本发明具有在可见和近红外的波长范围内，对探测目标实现全偏振光谱探测的能力，并且在同一探测距离上可以实现不同的空间分辨率。

Description

变焦距全偏振光谱成像探测系统

技术领域

本发明涉及变焦距全偏振光谱成像探测系统，尤其指一种用于星载、机载和地面对地的全偏振光谱成像探测的光学系统。

背景技术

偏振光谱成像探测能够提供关于目标的表面粗糙度、纹理走向、表面取向、表面电导率、材料的理化特性、含水量等信息，在云和大气气溶胶的探测、地质勘探、土壤分析、环境监测、资源调查、灾害估计、农林牧业发展、材料分析、海洋开发利用和医学诊断等领域具有广泛的应用前景和经济价值。随着偏振光谱成像探测技术的日趋发展，研制高效可靠的偏振光谱成像探测系统成为国内外研究的重点。

在偏振遥感领域，国外的偏振探测技术已经较为成熟，一些研究机构和公司已经研制出很多偏振探测仪器。美国应用技术联合会、空军实验室、Ball航天技术公司、新墨西哥州立大学电子计算机工程学院联合研制的长波红外偏振成像仪，采用偏振滤光器、微栅格偏光阵列，能够同一时刻得到四幅偏振信息图像，并且能获得热量信息。欧洲航天局/欧洲航天技术中心地球观测计划部门、欧洲气象卫星开发组织研制的航天偏振遥感偏振观测单元，采用两片布儒斯特棱镜结构，可进行地球臭氧观测。法国空间研究中心的POLDER，采用偏振片、滤波片结构，对太阳辐射和偏振度进行全球观测，可提取大气气溶胶和云层信息。蒙大拿州立大学电子与计算机工程学院研制的两片视场成像分光偏振仪可以实现地对空和地对地的偏振探测。BALL航天技术公司研制的BATC成像斯托克斯偏振仪，使用了LCTF(liquid crystaltunable filter，LCTF)和LCVR(liquid crystal variable retarder，LCVR)电光调制器，在可见光范围内任意调节波段，拍摄频率足够高，可用于目标检测。

从国内外的研究可以看出，目前的偏振成像探测光学系统存在的主要问题是：均为定焦系统，在同一探测距离只能实现一定的空间分辨率，而且大部分探测系统所选用的偏振组件在进行偏振测量时需要机械转动，偏振探测精度不够高。

发明内容

本发明所要技术解决问题是：提供一种变焦距全偏振光谱成像探测系统，该探测系统具有在可见和近红外的波长范围内，精确探测目标的全偏振特性的能力，并且在同一探测距离上可以实现不同的空间分辨率。

本发明一种变焦距全偏振光谱成像探测系统，其技术解决方案：该变焦距全偏振光谱成像探测系统，包括下列部分：

变焦距光学镜头，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标一次成像在其焦平面上；

滤光轮，位于变焦距光学镜头的焦平面之后，安装在滤光轮上的滤光片用于实现光谱分光功能；

两片液晶相位可变延迟器LCVR1和LCVR2，位于滤光轮之后，通过改变两片LCVR上的电压值，可以改变入射光的相位延迟；

偏振片，位于LCVR2之后，用于改变入射光的偏振方向；

微距光学镜头，位于偏振片之后，用于将系统第一次所成像进行二次成像；

电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；

电子驱动器，用于控制加在两片LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与两片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；

图像采集卡，用于将CCD光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算机的PCI插槽中；

计算机，用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理。

其中，所述的变焦距光学镜头，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标一次成像在其焦平面上，通过自身的变焦从而实现了整个探测系统的变焦，使得探测系统在同一探测距离上可以分别实现不同的空间分辨率。

其中，所述的变焦距光学镜头为变焦距望远镜头。

其中，所述的两片LCVR是基于液晶的电控两片折射特性而制成的，采用电控即可使通过LCVR的光产生相位延迟，无需运动部件，而且LCVR的响应时间短，属于毫秒级；所述的偏振片是由高质量光学玻璃间压制一层二向色偏振材料制成的精确偏振片，该精确偏振片与两片LCVR构成具有可精确探测目标4个全斯托克斯矢量的功能的偏振测量组件。

本发明的工作原理为：系统的光谱测量功能使用滤光片作为分光元件，6片滤光片分别安装在带6个滤光槽的滤光轮上，通过旋转滤光轮从而改变通过探测系统的波长，得到目标在该波长处的图像，实现系统的成像光谱探测功能。系统的全偏振探测功能由两片LCVR和精确偏振片组成的偏振测量组件实现，调整精确偏振片的偏振轴方向只让一个固定方向的偏振光通过，通过计算机控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，设置4组不同的相位延迟值，分别采集图像，可获得到4个图像强度值，得到一个线性方程组，利用Mueller矩阵反演得到全斯托克斯矢量的4个分量的值。系统的变焦距功能通过探测系统最前端的变焦距光学镜头实现，使得探测系统在同一探测距离上可以分别实现不同的空间分辨率。

本发明一种变焦距全偏振光谱成像探测系统，具有如下优点：

(1)该全偏振探测系统为变焦距系统，在同一探测距离上可以分别实现不同的空间分辨率。

(2)两片LCVR的相位延迟由电压控制，无需运动部件，而且响应时间短，属于毫秒级，与精确偏振片构成的偏振测量组件可以精确、快速的探测被测目标的全Stokes矢量。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理框图；

图2为本发明的变焦距光学镜头结构图；

图3为本发明的滤光轮结构图；

图4为本发明的LCVR在不同电压控制下相位延迟示意图；

图5为本发明的工作流程图。

图中具体标号如下：

1、变焦距光学镜头    2、滤光轮

3、LCVR1、2

4、偏振片      5、微距光学镜头  6、CCD

7、图像采集卡  8、计算机        9、电子驱动器

具体实施方式

如图1所示，本发明包括变焦距光学镜头1、滤光片2、两片LCVR、偏振片4、微距光学镜头5、CCD 6、电子驱动器9、图像采集卡7和计算机8，CCD6输出的图像信号经图像采集卡7送入计算机8，电子驱动器9与计算机8串口相连，旋转滤光轮可以改变通过探测系统的波长，得到目标在该波长处的图像，偏振测量组件由两片LCVR和精确偏振片组成，调整精确偏振片的偏振轴方向只让一个固定方向的偏振光通过，通过计算机控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，设置4组LCVR相位延迟的取值，分别采集图像，可得4个图像强度值，得到一个线性方程组，利用Mueller矩阵反演得到全斯托克斯矢量的4个分量的值，即可实现全偏振光谱成像探测的功能，其中，4组LCVR相位延迟的取值和偏振片偏振轴方向的选取是根据矩阵理论中的良态矩阵理论优化得来。改变变焦距光学镜头的焦距可以使得探测系统在同一探测距离上分别实现不同的空间分辨率。

如图2所示，本发明的变焦距光学镜头为变焦距望远镜头，其焦距变化值范围由探测系统的空间分辨率变化值范围确定。在同一探测距离上，需要探测系统实现不同的空间分辨率时，通过变焦距望远镜头的变焦即可实现。

如图3所示，滤光轮带有6个滤光槽，可以安装6片滤光片，通过旋转滤光轮从而改变通过探测系统的波长，得到目标在该波长处的图像，实现系统的成像光谱探测功能。滤波片的波长和带宽可选范围较广，根据被测目标的特征可以随时更换滤光轮上的滤波片。

如图4所示，LCVR是受电压控制的光学器件，在不同电压控制下对入射线偏光的作用各不相同。当加上适当的电压时，LCVR可以非常有效的控制光学系统中光的偏振状态。利用两片LCVR与精确偏振片构成具有可精确探测目标4个全斯托克斯矢量的功能的偏振测量组件。

系统安装时，调整精确偏振片的偏振轴方向只让水平偏振光通过，LCVR1和LCVR2的快轴方向相对于精确偏振轴方向的夹角分别为22.5°和45°。用Mueller矩阵运算来表征通过精确偏振片LP偏振面的透射光。从LP出来的光可用Stokes矢量S₀＝(LP)(VR2)(VR1)S_i来表示，其中S_i＝(I，Q，U，V)是按传统符号表示的输入Stokes矢量，亦即I是的总光强，Q是水平线偏振与垂直线偏振的光强差值，U是45°线偏振与135°线偏振的光强差值，V是右旋圆偏振与左旋圆偏振的光强差值。系统中精确偏振片和两个线性延迟器LCVR的Mueller矩阵分别如式(1)、(2)和(3)所示。

$\mathrm{LP}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}q+r& q-r& 0& 0\\ q-r& q+r& 0& 0\\ 0& 0& 2\sqrt{\mathrm{qr}}& 0\\ 0& 0& 0& 2\sqrt{\mathrm{qr}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\mathrm{VR}1\left({\mathrm{\δ}}_1\right)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{2}(1+\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))& \frac{1}{2}(1-\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))& -\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& \frac{1}{2}(1-\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))& \frac{1}{2}(1+\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))& \frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& \frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& -\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\mathrm{VR}2\left({\mathrm{\δ}}_2\right)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中q和r是线偏振器的两片重衰减系数，对于理想偏振器q＝1，r＝0，δ₁和δ₂是相位延迟器的相位延迟。因为探测器只对光强度产生响应，所以S₀只需I₀分量，I₀值能用矩阵(LP)的第一行乘以积矩阵(VR2)(VR1)的各项求得，给出的结果是：

$I_0=\frac{1}{2}I+\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(1+\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)-\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)]Q$

$+\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(1-\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right))\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)]U---\left(4\right)$

$-\frac{1}{2}[\frac{1}{2}\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+\frac{1}{\sqrt{2}}\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)]V$

为了找到输入Stokes矢量的4个分量，设置4组不同的相位延迟值(δ₁，δ₂)＝(0°，35°)，(0°，145°)，(180°，145°)和(180°，35°)，采集图像得到4个I₀值，得到一个线性方程组，利用对S_i的反演S_i＝(B)^-1I₀得到入射光的四个4个分量，其中(B)每一行是对应于4组延迟(δ₁，δ₂)的上面每个方程中变量I，Q，U和V的系数。

本发明的工作流程图如图5所示。首先，设置前置变焦距光学系统的焦距，旋转滤光轮到所需探测波长，通过计算机设置两片LCVR的相位延迟值都为0，得到目标在该波长上的图像，从而实现了系统的成像光谱探测功能；然后依次改变LCVR1和LCVR2的相位延迟值，得到图像在该波长上的4个光强值，解线性方程组就可得目标的4个Stokes偏振分量值，从而完成了目标的全偏振光谱特性探测；根据不同空间分辨率的要求，改变变焦距光学镜头的焦距，重复上述操作，即可实现同一探测距离不同空间分辨率的全偏振光谱探测。

Claims (3)

1、变焦距全偏振光谱成像探测系统，其特征在于：该系统包括下列部分：

变焦距光学镜头，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标一次成像在其焦平面上；

滤光轮，位于变焦距光学镜头的焦平面之后，安装在滤光轮上的滤光片用于实现光谱分光功能；

两片液晶相位可变延迟器LCVR1和LCVR2，位于滤光轮之后，通过改变两片LCVR上的电压值，可以改变入射光的相位延迟；

偏振片，位于LCVR2之后，用于改变入射光的偏振方向；

微距光学镜头，位于偏振片之后，用于将系统第一次所成像进行二次成像；

电荷耦合器件，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；

电子驱动器，用于控制加在两片LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与两片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；

图像采集卡，用于将电荷耦合器件光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算机的PCI插槽中；

计算机，用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理；

所述的变焦距光学镜头，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标一次成像在其焦平面上，通过自身的变焦从而实现了整个探测系统的变焦，使得探测系统在同一探测距离上可以分别实现不同的空间分辨率。

2、根据权利要求1所述的变焦距全偏振光谱成像探测系统，其特征在于：所述的变焦距光学镜头为变焦距望远镜头。

3、根据权利要求1所述的变焦距全偏振光谱成像探测系统，其特征在于：所述的两片LCVR是基于液晶的电控双折射特性而制成的，采用电控即可使通过LCVR的光产生相位延迟，无需运动部件，而且LCVR的响应时间短，属于毫秒级；所述的偏振片是由高质量光学玻璃间压制一层二向色偏振材料制成的精确偏振片，该精确偏振片与两片LCVR构成具有可精确探测目标4个全斯托克斯矢量的功能的偏振测量组件。

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