CN101153914A - 遥感机理测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

遥感机理测试装置及方法，包括照明光源、全光参量集成探测系统、测试平台和地物目标等部分。照明光源用于提供遥感过程的入射电磁波，其方向、位置、强度、偏振态、光谱范围等参量均可调节；全光参量集成探测系统用于获取目标反射或辐射电磁波像元尺度对应的高光谱、全偏振和相位信息；测试平台是测试装置的硬件框架，包括载物实验平台、两个旋转曲臂和垂直三角架等。用于固定和带动照明光源、全光参量集成探测系统作平移和旋转运动，并能显示其所在方位值；地物目标可根据遥感机理研究的实验目的更改其组成材料、三维结构、表面特征和含水量等参量。本发明设计了一种描述电磁波与地物目标相互作用过程的测试装置及方法，该装置可描述入射矢量电磁波、反射矢量电磁波以及目标三维结构特征等信息。

Description

遥感机理测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于遥感机理研究的全面测试入射电磁波和反射或辐射电磁波以及目标结构特征的装置及方法。

背景技术

遥感的优势在于频繁和持久的提供地表特征的面状信息，给传统的以稀疏离散点为基础的对地观测手段带来一场革命性的变化。但由于对遥感观测的成像机理了解不够，传统物理定理、定律、概念在遥感像元尺度上又很难适用，在一个遥感像元尺度上建立的模型在另一像元尺度也不一定适用，使得对遥感观测的面状信息缺乏理解，难以进行面状信息的准确反演。从遥感本质来看，遥感实际上是个反演问题，即从接收的电磁波或电磁波的信息反推出地物的特征，而反演问题的关键点是反演模型的准确与否。但由于缺乏理想的目标特征参量化手段，目前的遥感模型是在随机统计或者局部随机统计的基础上建立起来的，导致反演模型复杂，实用范围有限，反演精度不高。因此，一个全面准确的遥感成像测试装置及方法就成为当前遥感机理研究的迫切所需。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为遥感机理研究提供准确可靠的参量化手段，本发明设计了一种准确描述电磁波与地物目标相互作用过程的测试装置，该装置可描述入射矢量电磁波、反射矢量电磁波以及目标三维结构特征等信息。

本发明的技术解决方案：遥感机理测试装置及方法，其特征在于包括：

照明光源，用于提供遥感过程的入射电磁波，其方向、位置、强度、偏振态、光谱范围等参量均可调节；

全光参量集成探测系统，用于获取目标反射或辐射电磁波像元尺度对应的高光谱、全偏振和相位结构信息。

测试平台，测试装置的硬件框架，包括载物实验平台、两个旋转曲臂和垂直三角架等。用于固定照明光源、全光参量集成探测系统，并带动照明光源和全光参量集成探测系统作平移和旋转运动，且能显示其所在位置值；

地物目标，测试对象，可根据遥感机理研究的实验目的更改其组成材料、三维结构、表面特征和含水量等参量。

本发明的工作原理：照明光源装在旋转曲臂上，旋转曲臂可水平旋转，沿实验平台的径向方向水平移动，并且照明光源可绕旋转曲臂的圆心在曲臂上旋转，这样即可调节照明光源的距离、方位角和天顶角。另外在照明光源的前面加装偏振片和波片，实现照明光源偏振态的改变，且照明光源本身可替换，以便提供不同光谱范围的照明。照明光源的光照射地物目标的表面后，经地物目标反射进入全光参量集成探测系统，全光参量集成探测系统加装于垂直三角架，在不同高度使用不同焦距探测目标像元尺度对应的相位、高光谱和全偏振分量；也可加装于另一旋转曲臂上，在不同方位角、天顶角和距离上探测目标的矢量电磁波反射或辐射信息；也可以在垂直三角架上使用全光参量集成探测系统和在旋转曲臂上加装光谱辐射度计组合探测目标反射参量。测试平台所有旋转和移动环节均配有角度和位移测量装置可自动显示或精确读出当前照明光源和全光参量集成探测系统所在方位值。如上所述，测试装置可完全描述遥感过程中，不同方位角入射和反射或辐射电磁波的全部信息，以及目标三维结构特征等信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)全面准确地描述遥感过程中入射电磁波和反射或辐射电磁波的全部信息，不仅包括电磁波的强度信息，还包括相位和偏振态信息；

(2)可以在不同高度上以不同焦距获取不同尺度的反射电磁波像元尺度对应的高光谱、全偏振和相位信息，有利于遥感尺度问题的研究；

(3)照明光源和全光参量集成探测系统均可在0～360度方位角和0～90度天顶角范围内任意位置照射和探测，有利于包括偏振信息的地物目标二向反射函数的测定和研究。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明的全光参量组成结构框图。

图3为声光可调谐滤波片AOTF的工作示意图；

图4为波矢量在TeO₂AOTF中相互作用原理图；

图5为全光参量探测系统波长选择原理图；

图6为AOTF内部结构与光矢量和超声矢量的对照图；

图7为全光参量探测系统三维形貌测量原理示意图；

图8为基于声光偏转器的自适应结构光投射装置结构示意图；

图9为全光参量探测系统中线性相位延迟器结构示意图；

图10为全光参量探测系统探测流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由照明光源、全光参量集成探测系统、测试平台和地物目标组成，照明光源夹装在旋转曲臂1上，旋转曲臂可水平旋转，沿实验平台的径向方向水平移动，并且照明光源可绕旋转曲臂的圆心在曲臂上旋转，这样照明光源方位角、天顶角和距离就都可调节。另外在照明光源的前面可加装不同偏振方向的偏振片和λ/4波片，实现照明光源入射光波偏振态的改变，并且照明光源本身可替换(例如氙灯、钨-石英-卤素灯、荧光灯、水银-氩灯、白炽灯等)，以便提供不同光谱范围和光谱强度的照明。照明光源的电源使用高精度精密电源，其输入电压和电流可无极调节，从而实现照明光源输出光强的调节。照明光源的光照射到载物实验平台的地物目标，经地物目标反射的光进入全光参量集成探测系统，全光参量集成探测系统加装于垂直三角架，垂直三角架可上下调节，从而可调节全光参量集成探测系统的探测距离或高度，全光参量集成探测系统的光学成像可调焦和变焦，从而实现全光参量集成探测系统在不同高度使用不同焦距探测目标像元尺度对应的相位、高光谱和全偏振分量的目的；全光参量集成探测系统也可加装于另一旋转曲臂2上，从而以不同方位角、天顶角和距离探测地物目标的矢量电磁波反射信息；也可在垂直三角架上加装全光参量集成探测系统，且在旋转曲臂2上加装商用光谱辐射度计，将二者组合对目标反射参量进行探测，既探测垂直方向上不同尺度的高光谱、全偏振和相位信息，也探测不同方位角、天顶角和距离处的反射光谱信息，以便实现二向光谱反射函数的测试和验证研究。测试平台所有旋转和移动环节均配有角度和位移测量装置可自动显示或精确读出当前照明光源和全光参量集成探测系统所在方位值；地物目标可为天然目标、也可为人工目标；可以是单一材料物质，也可是混合材料物质；物质结构及粗糙度可保持天然状态或经人工加工；也可人为改变其含水量。这样，即可完全描述遥感过程中，不同方位角入射和反射电磁波的全部信息，以及目标三维状态等信息。

如图2所示，全光参量集成探测系统由成像镜头，基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置、焦平面阵列、图像采集卡、声光可调谐滤波片AOTF、控制电路、线性相位延迟器LCVR、电子控制器、计算机组成，成像镜头位于全光参量集成探测系统的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦条纹，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率，线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器LCVR和声光可调谐滤波片AOTF的偏振功能构成了全光参量集成探测系统的偏振测量组件，通过电子控制器与计算机连接，声光可调谐滤波片AOTF位于线性相位延迟器LCVR的后面，用于光谱分光功能，与计算机的串口相连；焦平面阵列为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号送入图像采集卡；图像采集卡将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；电子控制器控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；计算机为整个系统的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的控制信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，实现了系统的成像光谱探测功能；同时控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；控制基于声光偏转器的自适应结构光投射装置向被测物表面投射多幅正弦光栅，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率，实现目标的三维形貌的测量；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，实现了偏振测量。

目前广泛使用的方法是使用多个探测系统放在一个平台上进行目标的探测，这样也可实现目标的相位、光谱和偏振信息的获取，但因为不是使用同一个光电转换器件，这些值需要匹配，相互之间很难对应起来，全光参量集成探测系统使用同一个焦平面阵列实现目标的相位、光谱和偏振信息的同时获取，无须匹配，就可实现目标像素级对应的相位、光谱和偏振信息。

如图3所示，对于成像光谱的测量，全光参量集成探测系统使用分光元件为声光可调谐滤波片AOTF，AOTF的工作原理是使光束和超声波在透明介质里相互作用。AOTF是由压电换能器和沿适当方向切割的双折射单轴晶体组成。通过控制信号来驱动压电换能器使晶体中传导超声波。超声波使得晶体内部的折射率发生周期性变化。这种超声波组成一列超声相位光栅，使得入射到双折射晶体中的光波中只有特定波长的光波能够满足特定的动量匹配条件而发生衍射。通过改变控制信号的频率AOTF能够迅速的改变通过的波长范围，在极短的时间内扫描整个光谱范围。

这种声光相互作用不仅仅只是具有选择单一波长的光的作用，同时它也改变了衍射光的偏振状态。这种单轴晶体作为AOTF晶体介质使入射的自然光分为两束(o光和e光)，它们的偏振方向正交，传播速度和方向不同。图4所示为一个典型的AOTF工作图，当一束自然光以入射角度θ_i直接入射到AOTF的晶体内，该光束中波长满足式(1)条件的光才可能发生衍射。

${\stackrel{\⊥}{k}}_d={\stackrel{\⊥}{k}}_a\±{\stackrel{\⊥}{k}}_i---\left(1\right)$

其中

为分别为衍射光和入射光矢量；

为超声矢量。

$\left|{\stackrel{r}{k}}_i\right|=\frac{2\mathrm{\π}{n}_i}{\mathrm{\λ}},\left|{\stackrel{r}{k}}_d\right|=\frac{2\mathrm{\π}{n}_d}{\mathrm{\λ}},\left|{\stackrel{r}{k}}_a\right|=\frac{2\mathrm{\πf}}{V}---\left(2\right)$

式中λ是光波长；f为超声频率；V是声波在晶体内的传播速度；n_i，n_d分别为入射光和衍射光的折射率，它们满足以下关系：

$\frac{1}{n_i^2}=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i}{n_o^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{n_e^2}---\left(3\right)$

TeO₂AOTF的双折射晶体的波长矢量椭球，入射光矢量在超声矢量

的作用下，变为偏振态相互垂直的o光衍射光k_d ^o和e光衍射光k_d ^e。遮挡e光衍射光k_d ^e和未发生衍射的少部分光，则出射光即为具有很窄带宽的线偏振光。

AOTF波长选择原理如图5所示，含有不同波长的光射入AOTF，当超声波矢量为k_a ^f1时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有k_d ^λ1，因此就只有波长为λ₁的光穿过AOTF，依此类推，当超声波矢量为k_a ^fn时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有k_d ^λn，因此也就只有波长为λ_n的光穿过AOTF。这样，AOTF就起到了分光滤波的作用。

如图6所示，如果将光矢量图和超声矢量图与非同向声光互作用AOTF结构图放在一起，并对应了相同角度，可以直观得到声光相互作用的原理，及其中各个矢量之间的角度对应关系。

在AOTF结构图里，特别调整了出射平面的角度，这样可以使不同波长的光波发生衍射后，虽然衍射角不同，但是出射光的方向却相同。从而有效减小了不同波长所对应的图像之间纵向像差。

从以上原理分析可以看出，AOTF作为分光器件，可以很好地完成系统对目标的光谱信息测量功能。

对于三维形貌测量，本发明采用投影栅相位法进行目标的三维测量，如图7，声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置将条纹光投射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，该三维图像由处于另一位置的图像采集系统探测，从而获得光条二维畸变图像，光条的畸变程度取决于结构光投射器与图像采集系统之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上，沿光条显示出的位移(或偏移)与物体表面高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙，当声光偏转器的自适应结构光投射装置与图像采集系统之间的相对位置一定时，由畸变的光条图像坐标便可重现物体表面形廓。变形光栅的光强一般形式为：

I(x，y)＝γ(x，y){I_DC+I_mcos[Φ(x，y)]}    (4)

其中γ(x，y)为投射光栅区域的反射系数；I_DC为光栅正弦条纹的直流分量；I_m为系统对比度；Φ(x，y)为相位，它是目标形状h(x，y)的函数。采用三相算法，使条纹相位φ为{φ＝0，φ＝π/2，φ＝π}的三种正弦投射光栅图像，进行相位解算。相位Φ(x，y)可以根据三幅相差π/2的CCD像点的灰度值I₀，I_π/2，I_π来确定，公式如下：

I₀＝γ(I_DC+I_m sinΦ)

I_π/2＝γ(I_DC+I_m cosΦ)    (5)

I_π＝γ(I_DC-I_m sinΦ)

$\mathrm{\Φ}={\tan }^{-1}\left[\frac{I_0-I_{\mathrm{\π}}}{2I_{\mathrm{\π}/2}-(I_0+I_{\mathrm{\π}})}\right]---\left(6\right)$

求出Φ(x，y)后，因为它是目标形状h(x，y)的函数，根据标定出的摄像机模型和传感器的结构参数，就可计算出目标表面点的三维坐标。

如图8所示，基于声光偏转器的自适应结构光投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的平凸透镜聚焦产生正弦干涉波纹，所产生的正弦干涉条纹的相位和间距分别由激光器调制信号与声光驱动信号的相位差和声光偏转器两个驱动信号间的频差有关。当激光光束进入声光偏转器后，混频信号将入射光束分成两束，随着前端驱动信号的增大，两光束的夹角也变大，所得到的干涉条纹的周期变小，即使得条纹变细、间距变小。当前端驱动信号减小，两光束的夹角变小，所得到的条纹变粗、间距变大。调制激光器的控制信号和声光偏转器的控制信号之间存在相位差，使得两光束在声光偏转器中的传播的时间不同，产生恒定的相位差，这样就使经透镜汇聚后的两光点产生恒定的相位差，干涉条纹的相位因此就可以通过改变控制信号的相位差来改变，可以实现驱动信号的自动控制，达到不移动任何部件而完成投射条纹的相位和间距变化。

对于偏振的测量，本发明的偏振测量组件由两块电压控制的可变液晶相位延迟器LCVR以及AOTF本身所具有的线性滤波面LP构成，调整AOTF的方向只让水平偏振光通过。LCVR的固定轴方向与AOTF的偏振面LP方向成0度～180度范围内的一个角度。根据系统所测量的四个斯托克斯分量的信噪比均衡性可对这三个偏振方向的夹角进行优化设计，得到最佳夹角。

如图9所示，线性相位延迟器LCVR由上下两边是硼硅酸盐或熔融石英材料制成的两块玻璃板，玻璃板被分立于两端的间隔装置分开，中间填充液晶LC，液晶LC经玻璃内表面的磨面聚酰亚胺PI对齐，使得液晶与玻璃平板平行。LCVR的电子控制器为高精度精密稳压电源，与一般电压源原理相同。采用Muller矩阵运算来表征通过AOTF的偏振面LP的透射光。从LP出来的光可用Stokes矢量S₀＝(LP)(VR)S_i来表示，其中S_i＝(I，Q，U，V)是按传统符号表示的(未知的)输入Stokes矢量，亦即I是未偏振光的光强，Q是水平线偏振减垂直线偏振，U是45°线偏振减135°线偏振，V是右旋圆偏振减左旋圆偏振的差值。

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)行是对应于4对延迟值(δ，Δ)的上面每个方程中变量I， Q，U和V的系数。

如图10所示，全光参量集成探测系统的计算机对被测目标的采集及数据处理过程为：首先设置LCVR的相位延迟值都为0°，改变AOTF的RF驱动频率，使其从初始波长位置开始逐步扫描直到结束波长，从中提取数据立方体中与基于声光偏转器的自适应结构光投射装置中的调制激光器波长相同的图像，进行一系列图像数据处理后获得目标的三维信息；然后依次改变LCVR的相位延迟值°，改变AOTF的RF频率使其在全部波长范围内扫描采集图像，得到一景图像中任一像素在各个波长的4个I₀值，解线性方程组就可得4个像元尺度对应的目标高光谱Stokes偏振分量值，这样就可获得一景图像中每一像元上像元尺度对应的高光谱、全偏振和三维空间信息。

Claims (7)

1.一种遥感机理测试装置，其特征在于包括下列部分：

照明光源，用于提供遥感过程的入射电磁波，其方向、位置、强度、偏振态、光谱范围等参量均可调节；

全光参量集成探测系统，用于获取目标反射电磁波像元尺度对应的高光谱、全偏振和相位信息；

测试平台，测试装置的硬件框架，包括载物实验平台、两个旋转曲臂和垂直三角架，用于固定照明光源、全光参量集成探测系统，并带动照明光源和全光参量集成探测系统作平移和旋转运动，且能读出或自动显示其所在位置值；

地物目标，测试对象，可根据遥感机理研究的实验目的更改其组成材料、三维结构、表面特征和含水量等参量。

2.根据权利要求1所述的遥感机理测试装置，其特征在于：上述全光参量集成探测系统包括成像镜头、声光可调谐滤波片AOTF、控制电路、线性相位延迟器LCVR、电子控制器，可实现反射或辐射电磁波像元尺度对应的高光谱、相位和全偏振信息。

3.根据权利要求1所述的遥感机理测试装置，其特征在于：上述全光参量集成探测系统加装于垂直三角架上，可在不同高度以不同焦距获取不同尺度的目标反射或辐射电磁波的信息。

4.根据权利要求1所述的遥感机理测试装置，其特征在于：上述全光参量集成探测系统加装于旋转曲臂上，可在0～360度方位角和0～90度天顶角范围内任意位置以不同焦距获取目标反射或辐射电磁波的信息。

5.根据权利要求1所述的遥感机理测试装置，其特征在于：上述照明光源可在0～360度方位角和0～90度天顶角范围内任意位置照射地物目标，照明光源的前面可加装偏振片和波片，实现照明光源偏振态的改变，且照明光源本身可替换，以便提供不同光谱范围的照明。

6.根据权利要求1所述的遥感机理测试装置，其特征在于：上述地物目标可为天然目标、也可为人工目标；可以是单一材料物质，也可是混合材料物质；物质结构及粗糙度可保持天然状态或经人工加工；含水量也可人为改变。

7.一种遥感机理测试方法，其特征在于包括以下步骤：

调节照明光源的方向、位置、强度、偏振态、光谱范围等参量，以使不同参量的入射光波照射地物目标表面；

地物目标可根据遥感机理研究的目的更改其组成材料、三维结构、表面特征和含水量等参量；

入射光波经地物目标反射到全光产量集成探测系统的入瞳，然后探测系统获取目标反射电磁波像元尺度对应的高光谱、全偏振和相位信息。

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