CN101526621B - 快速多光谱遥感偏振成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速多光谱遥感偏振成像仪，该系统可以工作在主动和被动模式，通过控制入射光的偏振状态和波长可以提高目标的探测能力。该系统主要有发射、接收、控制以及图像处理四部分组成。发射部分主要由多波长脉冲光源、偏振模块和光束整形、准直扩束部分组成；接收部分由扫描接收望远镜、偏振模块，以及多光谱相机组成；控制系统主要控制发射和接收部分的偏振状态，实现在多种偏振模式获取图像；图像处理部分实现强度图像以及偏振度图像的伪彩色编码。入射光的偏振状态采用快速可调的液晶波片调节，通过扫描接收的方式扩大成像范围，最后通过图像处理消除噪声，实现准实时强度和偏振度伪彩色编码图像。

Description

快速多光谱遥感偏振成像仪

1.技术领域

本发明涉及光学遥感偏振成像领域，提出了一种快速多光谱遥感偏振成像的实验系统，融合了强度、多光谱和偏振的优点。应用多波长光学参量振荡器、液晶可调波片和滤光片，在多波长下实现强度和偏振度伪彩色编码成像，可以应用于植被、矿产、环境遥感的成像分析，目标探测、识别、分类，以及深空探测等领域，适于地面、机载和空载应用，该发明还可应用于医学成像领域，如皮肤组织探测等。

2.背景技术

传统的光学遥感采用强度、相干、光谱成像或探测的方式，鉴于目标的偏振特性在探测的方面的独特优势，目前偏振遥感技术迅猛发展。但是仅利用目标散射光的强度、光谱、和偏振等信息有一定的局限性。散射光的强度反映了其反射特性，光谱体现了其材料特性，偏振信息反映了目标的内部机理、物理特性、表面特性等，偏振的利用为遥感开创了新的空间，虽然和强度探测相比偏振信息的利用提高了目标探测的对比度，但是不能反映目标周围的环境特性，强度信息对反射率相同的目标亦无能为力，光谱成像在有噪声存在时往往会出现同物异谱或同谱异物的现象，很难确定物质的化学性质等，而且很容易发生误判。针对以上遥感的缺点和不足，本发明公开了一种快速多光谱成像系统，可工作于主动和被动模式，利用了目标散射光的强度、偏振、光谱信息，并采用伪彩色编码技术，提高对比度较低目标的探测能力，采用液晶可调波片和滤光片，可以实现准实时强度、偏振成像。

在对地和大气偏振观测中，1990年，美国航天局研制了地球观察扫描偏振成像仪器(EOSP)，用于气溶胶的遥感监测。1996年，法国研制出测量地球反射率的偏振和方向的仪器(POLDER)，有8个偏振通道用于大气、气溶胶、陆地以及海洋表面状况的测量。1998年美国犹他州立大学研制了机载红外超光谱偏振成像计，以铁电液晶偏振计、透射式衍射光栅为基础，利用推帚式成像技术成像。美国空军实验室研制的可变相位延迟、傅里叶变换光谱仪(VRFTSP)，可以提高目标的空间、光谱和偏振信息独立的光谱偏振图像。2001年以来法国Thales中心研究实验室一直致力于研究多光谱偏振成像仪器，目前已取得了较好的试验结果。2006年美国和法国联合研制的CALIPSO卫星带有双波长偏振激光雷达，通过不同波长的后向散射光研究云层、气溶胶的分布情况。

90年代以来上海技术物理研究所也致力于研究多光谱成像仪器，目前仍在研究地物目标散射光的偏振光谱成像的研究。中国科学院安徽光学精密机械研究所地面多波段偏振CCD相机原理样机，有4个测量通道。以上研究多是基于被动成像或探测，利用目标反射的自然光或自身的辐射特性，不能对入射光的性质进行控制。专利号为CN1900740A的专利中公开了一种“高光谱全偏振遥感成像系统”，该系统工作在被动状态，受光照、温度等环境的影响较明显。鉴于被动探测的缺点，本发明提出了一种快速多光谱遥感偏振成像系统，该系统即可工作于主动模式，又可工作在被动模式，可以消除环境因素的影响，充分利用了目标散射光的强度、光谱和偏振信息，在遥感、深空探测、医学等领域具有重要的应用价值。

3.发明内容

本发明提出的快速多光谱遥感偏振成像仪，充分利用了目标后向散射光的强度、光谱、偏振信息，具有光谱成像和偏振成像的优点。发射、接收、控制和处理四部分采用模块化的设计方案，可以根据具体的应用更换光源和探测器，实现不同目的的探测。该发明弥补了传统激光遥感采用单一参量的缺点，是传统光学遥感的重要改进和提高。

本发明所提出的快速多光谱遥感偏振成像仪采用如下技术方案：

(1)发射模块：发射模块主要实现多波长光源的产生、空间相干性的消除、偏振状态的控制，以及光束的整形。光源采用多波长光学参量振荡器，由泵浦激光源、谐振腔和非线性晶体组成，利用半导体二极管激光器作为泵浦源，激励非线性晶体，可以根据需要产生多个波长，通过调节其相位匹配即可调节波长。由于光源的相干性，在目标后向散射光中会有斑点噪声，因此需要漫射体消除空间相干性的影响。偏振状态部分由偏振片(格兰激光棱镜)和液晶可调波片组成，实现任意偏振状态光的产生。光束整形部分调整光束的形状实现照明的均匀性，使照射到目标的光场强度分布均匀，减小照明不均匀性对成像质量的影响。

(2)望远镜：望远镜是发射和接收模块的公共部分，对于发射模块，它主要起到准直扩束的功能，使入射到目标的光近似平行光，接收时望远镜用于收集目标信息。发射和接收采用同一望远镜减小了系统的复杂度，保证了照明和接收为同一目标。望远镜放置于旋转装置上，可以实现扫描探测，扩大了成像范围。

(3)接收模块：接收模块主要实现目标散射光的接收和偏振状态的检测，配合发射模块中的偏振状态产生模块，通过调整发射和接收的偏振状态，通过16次测量实现Mueller矩阵的计算。接收模块主要由狭缝、液晶可调波片、偏振片(格兰激光棱镜)、透镜、光栅或液晶滤光片，以及多光谱相机组成。狭缝用于消除目标散射光中杂散光的影响，偏振片和波片组成偏振状态检测部分。为了根据要求区分波长可以采用光栅分光或滤光片滤光的方式，然后用多光谱相机接收。

(4)信号接收和图像处理：目标的后向散射光经过多光谱相机接收后，计算目标的Mueller矩阵，并求解强度和偏振度等参数，确定目标对入射光的衰减、延迟及消偏振情况，然后通过强度、偏振度以及伪彩色编码的方式显示，同时图像处理部分还可实现噪声的处理、目标识别和分类等功能。

(5)控制模块：控制模块首先调整发射和接收系统的同步，实现被动和主动成像，控制步进电机实现发射和接收模块的扫描成像。同时，控制模块根据初始设定控制波片的延迟，实现Mueller矩阵的快速测量。当接收模块采用液晶滤光片时，控制模块按要求实现滤光片滤光，选择所要求的波长的功能。

本发明的主要特色：强度成像反映了目标的反射特性；多光谱成像可以获得目标的结构信息、频谱信息、化学信息，在遥感中可以用于目标探测、植被、大气、海洋等环境监测；目标的偏振信息反映了目标的材料特性、内部机理、表面特性等信息。本发明融合了多光谱和偏振成像的优点，可以大幅度提高目标的探测识别能力，采用强度和波长、偏振度与波长伪彩色编码的方法，还可以达到目标分类的目的。采用液晶可调的波片和滤光片，提高了测量速度，可以实现目标的准实时多光谱偏振成像。采用模块化的设计方案，易于调整、组合，实现其在不同领域的应用。

本发明的效益与应用前景：

本发明可以实现强度、多光谱、偏振，及其三个参数的融合编码成像，主要有一下应用前景：

(1)植被遥感：首先该发明可以用于植被覆盖的探测、农作物生长态势及健康状态分析、农作物分类、估产等。

(2)矿产分析：由于金属元素的光谱特性和偏振特性有别于其他自然目标，因此利用偏振和多光谱可以分析矿产的分布。

(3)环境监测：该发明可以用于大气、河流等污染监测，如发射模块采用脉冲激光器，接收采用光电探测器或光子计数器可以用于气溶胶、云层、沙尘暴等环境探测。

(4)目标识别、探测、识别分类：不同目标具有不同的消偏振特性和光谱特性，对于反射率相同，消偏振特性不同的目标，可以应用该设备实现目标的识别、探测与分类。

(5)深空探测、天文观测：星体发射光或自身发射光的光谱特性表明了该星体所含有的化学元素，利用该发明同时具有光谱和偏振的优点可以实现深空探测、天文观测等目的。

(6)医学应用：根据正常皮肤组织和癌变组织的内部结构不同，利用偏振特性可以得到很好的诊断，因此，该发明可以用于皮肤组织的探测，及早发现皮肤癌变。

4.附图说明

图1为快速多光谱遥感偏振成像仪原理图。

图2为系统工作流程图。

5.具体实施方式

图1所示为快速多光谱遥感偏振成像仪的原理图，首先通过控制模块(17)对系统进行初始化，根据要求设定光学产量振荡器(1)的脉冲频率、波长范围等，多光谱相机(16)的接收频率，为液晶波片(4)和(13)设定所施加的电压(当采用液晶滤光片(14)时也需要设置其电压，以选择合适的波长)，并设定液晶波片的组合规律，以及扫描装置(21)的扫描范围和扫描频率。

光学参量振荡器发出的光首先经过漫射体(2)，降低光的空间相干性，然后通过格兰激光棱镜(3)产生完全线偏振光，经过液晶可调波片(4)产生特定状态的偏振光，经过光束整形器件(5)后，由反射镜(6)反射和凹透镜(7)扩束后经分光棱镜(8)进入准直扩束望远镜(9)照射至目标。

目标的后向散射光经过望远镜(9)接收后，通过分光棱镜(8)，经小孔(10)消除背景杂散光，然后通过透镜(11)准直后，经格兰激光棱镜(12)和液晶可调波片(13)组成的偏振状态检测器判断偏振状态后，再经过光栅(14)分光(或液晶滤光片(14)滤光)后，经透镜(15)聚焦到多光谱相机成像(16)。为了扩大成像范围，整个接收装置(21)可以进行水平扫描，该装置的扫描可以通过控制系统(17)控制步进电机实现。

由多光谱相机(16)接收到的信号可以直接通过显示器(18)显示，同时还可以通过存储器(19)存储，及DSP信号处理器(20)进行噪声消除和编码处理，实现目标的探测、识别和分类等功能。

假设光学参量振荡器(1)发出的其中一个波长的光的Stokes矢量为S_Emitted，发射模块中格兰激光棱镜(3)的Mueller矩阵为M_P1(θ₁)，液晶波片(4)的Mueller矩阵为M_C1(θ₂，δ₁)，接收模块中格兰激光棱镜(12)的Mueller矩阵为M_P2(θ₃)，液晶波片(13)的Mueller矩阵为M_C2(θ₄，δ₂)。其中偏振片和波片的Mueller矩阵由其光轴的角度θ和相位延迟δ决定。假设目标的Mueller矩阵为M_Target，则多光谱相机(16)接收到的光的Stokes矢量可以表示为

S_D＝M_P2(θ₃)M_C2(θ₄，δ₂)·M_Target·M_C1(θ₂，δ₁)·M_P1(θ₁)·S_Emitted    (1)

通过控制模块(17)调节液晶波片的相位延迟，通过16次组合可以求得目标的Mueller矩阵M_Target

$M_{T\arg \mathrm{et}}=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{00}& m_{01}& m_{02}& m_{03}\\ m_{10}& m_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{20}& m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{30}& m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right]---\left(2\right)$

目标的强度为

I＝m₀₀                     (3)

偏振度为

$P_d=\sqrt{\frac{\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{ij}}^2-m_{00}^2}{{2m}_{00}^2}}---\left(4\right)$

对于其他波长的强度和偏振度的求法亦是如此。求得的强度和偏振度分别和波片进行伪彩色编码。整个系统的工作流程如图2所示。

Claims (7)

1.一种快速多光谱遥感偏振成像仪，该成像仪由发射模块、接收模块、控制模块，以及图像处理和编码模块四部分组成，发射模块可以产生多个波长的光波，通过偏振状态产生装置可以产生特定偏振状态的入射光对目标进行照明，根据人造目标和自然目标背景的消偏振特性不同，通过探测目标的散射光的消偏振特性，可以提高目标的对比度，接收到的散射光经过偏振状态分析装置可以对不同波长的、不同偏振状态的光进行分析，然后对目标进行强度和偏振度的编码，控制模块对入射光脉冲和成像设备进行同步，在不同的发射和接收频率实现主动和被动成像的功能，图像处理和编码模块负责对目标的噪声进行处理，提高图像的分辨率，其特征在于：发射模块由光源、漫射体、偏振产生装置和光束整形部分组成，光源采用多波长光学参量振荡器，根据要求可以产生多个波长，漫射体用以降低入射光的空间相干性，减小目标散射光干涉的影响，偏振产生装置由格兰偏振棱镜和液晶可调波片组成，通过调节波片可以产生任意偏振状态的入射光，光束整形部分用于调整入射光的形状，使入射光均匀的照射到目标，光束整形后出射光经过反射镜和分光棱镜及准直扩束镜照射到目标，接收模块和发射模块共用一个准直扩束镜，降低了系统的复杂度。

2.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，其特征在于：多光谱遥感偏振成像仪可以工作在主动和被动模式，当工作于被动成像模式时，系统的接收模块接收目标太阳散射光或自身辐射，当工作于主动成像模式时，系统的入射光偏振状态可以自由控制，接收模块接收到目标的后向散射光中含有其表面特征、材料特性信息，根据目标的材料不同、表面粗糙度不同其对入射光的消偏振程度也不一样，因此根据目标的消偏振特性可以达到目标识别、探测以及分类的目的，望远镜接收到的目标散射光经过液晶滤光片或光栅分光后进入多光谱相机，快速检测入射光的偏振状态，可以得到目标的多幅图像，进而根据波长的不同，及计算所得的强度和偏振度偏振度信息，利用图像融合技术可获得相应的强度、偏振度与波长的伪彩色图像。

3.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，接收模块由偏振状态分析装置、光栅或液晶滤光片，以及多光谱相机组成，其特征在于：目标的散射光首先经过小孔，消除杂散光的影响，然后经过液晶可调波片和偏振片，快速调节波片的延迟可以短时间内得到多幅不同偏振状态的目标图像，通过光栅分光或液晶滤光片可以得到所需波长的目标图像。

4.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，其特征在于：发射和接收模块共用同一望远镜，采用扫描的方式对目标进行照明和探测。

5.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，其特征在于：控制模块用于同步多波长光学参量振荡器和多光谱相机，调节波片、滤光片，选择合适的偏振状态，以及设定扫描装置的扫描范围和扫描频率。

6.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，其特征在于：图像处理和编码模块用于图像的显示、存储、编码，以及噪声处理，由于采用液晶可调波片和滤光片，可以在短时间内得到目标不同偏振、不同波长的多幅图像，通过编码和噪声处理可以得到目标的强度和偏振度图像，利用伪彩色编码，可以同时得到目标强度与波长，偏振度与波长的伪彩色编码图像。

7.根据权利要求1所述的快速多光谱遥感偏振成像仪，其特征在于：通过更换光源和探测器还可用于气溶胶探测，研究气溶胶散射的消偏振特性。

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