CN102809431B - 一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，其特征在于包括双层滤光片转轮、三个CCD相机、电机系统、激光测距仪和计算机；三个CCD相机的前置设有偏振片，偏振片与被摄场景之间设有双层滤光片转轮，双层滤光片转轮受控于电机系统；三个CCD相机将摄取的图像输出至计算机进行处理，同时激光测距仪将测得的距离信号输出至计算机，计算机根据激光测距仪的信息，对图像几何校正和偏振图像计算得到的偏振多波段后，再发送信号给电机系统控制双层滤光片转轮的转动。通过控制电机转动快速获得图像，且系统还具有图像预处理、存储及通信功能，因此能达到稳定可靠工作、节省人力和财力的目的。

Description

一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统

技术领域

本发明涉及一种多波段偏振成像系统，特别涉及一种新型光机电一体化多波段偏振成像系统，集成用于数据采集与处理的电路控制单元硬件模块。

背景技术

在现有技术中，成像偏振光谱仪在国内外已有原型样机出现，在应用上还存在着一定的缺陷和不足。如日本国立航空宇宙实验室采用旋转偏振电调谐滤光片技术来获取偏振光谱图像，存在成像系统可靠性差、采集图像的精度差以及无法获得同一瞬时目标的真正偏振信息等问题，由于无法在同一瞬时获得同一波段的偏振分量图像，因此不能获得目标的真正偏振光谱信息。美国陆军实验室研制的基于LCVR和偏振电调谐滤光片，虽然能够提高偏振分量转换的速度，但依然存在无法获得同一瞬时目标的真正偏振信息和所获得的偏振光谱图像精度差等问题。美国空军实验室正在研制的基于偏振面阵CCD相机的成像偏振光谱仪，虽然不需旋转偏振片，但由于偏振面阵CCD的制作难度较大，使这种成像偏振光谱仪仍难以实现。偏振光谱图像虽具有较高的光谱分辨率，但需占用大量的计算机资源，这在实际应用中是一种负担，研究表明在特征波段上进行目标检测、识别可以达到较高的精度，存储量明显小，并且所需计算资源也小得多。安徽光学精密机械研究所在偏振成像装置的设计中，将入射光用三分棱镜分成三份，实现在不同偏振角度下的面阵CCD成像，这种处理方式会使入射到CCD上的能量很少，导致CCD成像受噪声影响很大，信噪比极低，难以满足图像分析要求；三线阵CCD推扫式偏振成像探测装置虽然能很好的利用入射光的全部能量，但成像速度较慢，且为单波段偏振成像系统，存在功能单一、应用范围较窄等问题，难以满足复杂多任务要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，克服现有探测手段只能获取目标表面辐射强度或只能获取特定波段偏振图像的缺陷。

技术方案

一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，其特征在于包括双层滤光片转轮、三个CCD相机、电机系统、激光测距仪和计算机；三个CCD相机的前置设有偏振片，偏振片与被摄场景之间设有双层滤光片转轮，双层滤光片转轮受控于电机系统；三个CCD相机将摄取的图像输出至计算机进行处理，同时激光测距仪将测得的距离信号输出至计算机，计算机根据激光测距仪的信息，对图像几何校正和偏振图像计算得到的偏振多波段后，再发送信号给电机系统控制双层滤光片转轮的转动；所述双层滤光片转轮上设有多个圆孔，每个圆孔内设置一个双层滤光片，每个双层滤光片只允许白光中的特定波段的光通过；所述三个CCD相机的前置的偏振片的偏振角度为0°、60°和120°；三个CCD相机、电机系统和计算机处理之间的循环运动关系为：电机系统控制双层滤光片转轮转1/6周时，触发CCD相机成像，当双层滤光片转轮完成1周时，计算机进行图像校正计算偏振参数；图像校正结束存储完成，计算机控制电机系统的电机重新使得转双层滤光片转轮转1/6周，启动下一周期。

所述多个双层滤光片为5个滤光片和1个中性片，5个滤光片的中心波长及带宽分别为400nm，10nm；450nm，10nm；550nm，40nm；650nm，10nm；700nm，10nm。

有益效果

本发明提出的一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，采用三个不同偏振角度的CCD相机对同一场景进行成像，同时控制电机自动旋转滤光片转轮实现多波段偏振图像。能够获取目标像元对应的多波段图像立方体信息，包含目标不同波段的像元辐射强度、偏振度、偏振方位角等重要参数，大大提高了系统的探测能力。

本发明与现有技术相比具有以下优点：采用已成熟的滤光片转轮、滤光片、偏振片和三CCD成像探测器，可以根据探测目的自定义选择滤光片进行探测，三CCD相机同时工作，具有结构紧凑、体积小、快速等优点；通过控制电机转动快速获得图像，且系统还具有图像预处理、存储及通信功能，因此能达到稳定可靠工作、节省人力和财力的目的，其整机性能如下：

1)可以根据探测目的要求，自定义选择最多可达6个波段的成像；

2)相机响应时间在20ms以内，转轮转动周期小于150ms；

3)存储量：可达4G，当图像达到存储容量时，会启用通信模块与地面工作站进行图像数据转移；

4)通信能力：可以通过请求访问式与地面工作站进行图像传输访问；

5)地面分辨率GSD(按航高2000m计算)：优于2m；

6)瞬时视场：IFOV=2m/2000m=1mrad；

7)数据动态范围：14bit/16bit；

8)偏振分辨率：在每个波段可以获得Stokes参数中的线偏振分量、线偏振度分量、偏振相角分量图像。

附图说明

图1为本发明小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统结构示意图及一周期内信号传递方向及电路控制单元各个部分实现的具体功能；

图2为滤光片转轮的机械结构图；

图3为光在成像设备中的光路传播路径及偏振多波段数据立方体示意图；

图4为成像系统的信源到主控计算机的数据流向图；

图5为平台运动时，一周期内0°偏振方向CCD在不同时刻所成图像的公共区域；

图6为转轮转动一周获得的不同偏振角度多波段图像的表。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，系统包括滤光片转轮、三CCD相机、电机、激光测距仪、电路控制单元等部分。如图2所示，滤光片转轮位于系统的最前端，只允许白光中的特定波段的光通过；紧接着是相机镜头前的偏振片，三偏振片的透光轴与参考方向分别固定为0°、60°、120°。在每一偏振片之后分别放一CCD相机进行成像，本方案选取5个滤光片和1个中性片，5个滤光片的中心波长及带宽分别为400nm,10nm;450nm,10nm;550nm,40nm;650nm,10nm;700nm,10nm。转轮结构如图所示。滤光片安装在转轮的各个孔内。本例CCD相机是维视MV-1300，转轮的驱动电机为leadshine-1.8/4.0A步进电机。激光测距仪是东方金炬BF1000型号。

CCD的成像过程是由电路控制单元控制的。电路控制单元是本系统的核心部件，1)首先由电路控制单元中的电机控制模块控制进行电机初始化，电机和滤光片转轮之间同轴带动，精确控制电机转动使滤光片转轮到正确位置，也即使滤光片转轮两层之间的孔完全重合；2)接着发送反馈信号给CCD相机控制模块，同时控制三CCD相机，自动曝光进行成像，成像完毕后进行图像的保存，该功能由电路控制单元中的图像存储模块完成；3)完成后该模块发送反馈信号给电机控制模块，控制电机带动滤光片转轮转动1/6周；4)转动完毕后，重复2，3直至一个周期；5)一周期后，图像存储模块的反馈信号对图像计算模块进行触发，并根据激光测距仪等提供的所需信息，对包括图像几何校正和偏振图像计算的图像和单元模块并进行计算后得到的偏振多波段图像存储，完毕后发送信号给电机控制模块，进行下一周期，重复1,2,3,4,5。地面通过向电路控制单元中的通信模块发送访问请求信号，可以传输回计算单元计算得到的偏振多波段图像。控制单元的照片如：

由于三个CCD相机之间存在位置差异且固定，所成的像也存在一些像元偏移，也即三个CCD相机的图像中的同一图像坐标对应的目标点存在差异，而获取Stokes及偏振参数图像需对不同偏振角度下的图像的同一坐标的像元进行加减操作来获得目标点的Stokes参数及偏振参数，因而需对对这种差异进行校正。首先我们考虑平台、转轮静止的情况，假设三个相机中心分别为A,B,C，在世界坐标系的齐次坐标分别为A_w(x_aw,y_aw,z_aw,1)^T，B_w(x_bw,y_bw,z_bw,1)^T，C_w(x_cw,y_cw,z_cw,1)^T，三CCD的相机矩阵为P＝K(R,t)。A,B,C之间的摄像机坐标系可以根据其相对位置确定，令A,B,C在摄像机坐标系的齐次坐标分别为A_c(x_ac,y_ac,z_ac,1)^T,B_c(x_ac+a₁,y_ac+b₁,z_ac+c₁,1)^T,C_c(x_ac+a₂,y_ac+b₂,z_ac+c₂,1)^T,其中a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂根据三CCD相机的相对位置可以精确测量得到。

$A_w=\left[\begin{array}{cc}{R}_1& -R_{1}A\\ 0^T& 1\end{array}\right]A_c,$ 其中A为A在世界坐标系中的非齐次坐标，同理R₂,R₃满足：

$B_w=\left[\begin{array}{cc}{R}_2& -R_{2}B\\ 0^T& 1\end{array}\right]B_c$

$C_w=\left[\begin{array}{cc}{R}_3& -R_{3}C\\ 0^T& 1\end{array}\right]C_c$

则在世界坐标系中的点X(x,y,z,1)在三个相机图像中的齐次坐标为：

m_A＝P₁X＝K(R₁,t)X＝KR₁(I,-A)X

m_B＝P₂X＝K(R₂,t)X＝KR₂(I,-B)X

m_C＝P₃X＝K(R₃,t)X＝KR₃(I,-C)X

m_A,m_B,m_C为同一目标点在三个CCD像平面的齐次坐标，根据这种几何对应关系在得到Stokes参数及偏振参数时可以很简便的消除像元偏移。

当平台运动且滤光片转轮也转动时，我们首先找出获得的1组18幅图像重叠公共区域。滤光片转轮工作一周，三只CCD成像与偏振角度、波段之间的关系如表1所示：从表中可以得出，滤光片转动一周，可以分别获得18幅图像，对应6个波段3个不同偏振角度下的图像。附图4中的大括号区域为滤光片转动一周期后对应0°偏振方向找出的6幅图像的公共部分；其次对每一偏振方向找出的图像公共部分按照上面方法进行校正。

因而针对一个周期，也即滤光片转轮旋转一周，在考虑到平台的移动时，首先我们需要寻找周期内一个CCD相机内的共同区域；由于三CCD相机之间存在的位置差异，导致的寻找出的3个CCD相机各自的共同区域之间仍然存在场景的非完全一致，此时我们根据三个CCD相机之间的相对物理位置差异来进行校正。

Claims (2)

1.一种小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，其特征在于包括双层滤光片转轮、三个CCD相机、电机系统、激光测距仪和计算机；三个CCD相机的前置设有偏振片，偏振片与被摄场景之间设有双层滤光片转轮，双层滤光片转轮受控于电机系统；三个CCD相机将摄取的图像输出至计算机进行处理，同时激光测距仪将测得的距离信号输出至计算机，计算机根据激光测距仪的信息，对图像几何校正和偏振图像计算得到的偏振多波段后，再发送信号给电机系统控制双层滤光片转轮的转动；所述双层滤光片转轮上设有多个圆孔，每个圆孔内设置一个双层滤光片，每个双层滤光片只允许白光中的特定波段的光通过；所述三个CCD相机的前置的偏振片的偏振角度为0°、60°和120°；三个CCD相机、电机系统和计算机处理之间的循环运动关系为：电机系统控制双层滤光片转轮转1/6周时，触发CCD相机成像，当双层滤光片转轮完成1周时，计算机进行图像校正计算偏振参数；图像校正结束存储完成，计算机控制电机系统的电机重新使得双层滤光片转轮转1/6周，启动下一周期。

2.根据权利要求1所述的小型自动滤光片转轮多波段偏振成像系统，其特征在于：所述多个双层滤光片为5个滤光片和1个中性片，5个滤光片的中心波长及带宽分别为400nm，10nm；450nm，10nm；550nm，40nm；650nm，10nm；700nm，10nm。