CN103592029B - 快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、双偏振片、面阵探测器和数据采集处理系统组成；二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、偏振阵列，最终到达面阵探测器，数据采集处理系统控制面阵探测器快照一帧图像得到各偏振分量对应的高光谱图像的分布信息，然后数据采集处理系统提取和处理该帧图像数据得到被测二维目标的空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息；本发明可实时获取空间、光谱、偏振三维信息。
Description
【技术领域】
本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振光谱辐射探测领域的偏振光谱成像装置，特别涉及一种可实时获取二维目标的空间、高光谱、全Stokes偏振参数信息的快照式全偏振高光谱探测装置。
【背景技术】
物体辐射的电磁波中含有目标的空间、光谱和偏振等重要遥感信息，不仅能用于反演目标的形态及物理化学等特性，还能去除背景噪声提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息。为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，应运而生了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术：偏振光谱成像技术。其数据产品既可视为每个波长对应的多维偏振图像，也视为每个偏振态对应的光谱图像，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。
偏振光谱成像技术是一项新型的前沿遥感探测技术，其独特的遥感探测优势已引起国内外重要研究机构的重视。国外研究机构主要集中在美、日、欧等国家的重大工程项目依托单位、军方、大学等。国内研究机构目前主要有安徽光机所、西安光机所、西安交通大学、西北工业大学、南京理工大学、北京航空航天大学等等，已报道的偏振光谱辐射探测技术各具特色。
偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。若按获取二维空间目标的偏振和光谱信息的方式来分，偏振调制模块和光谱分光模块均可分为时序式和快照式两大类。当前，大多数偏振光谱成像技术都采用时序扫描方式（如画幅式、推扫式或窗扫式）获取二维场景的偏振光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。涉及的技术主要是将时序式偏振调制模块与快照式光谱分光模块结合，如文献【1】；或者将时序式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合，如文献【2】和中国发明专利“高光谱全偏振成像遥感系统”（授权公开号：CN1900740）【3】；或者将快照式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合：如中国发明专利申请“干涉光场成像高光谱全偏振探测装置”（申请公开号：CN102680101A）【4】、中国发明专利“一种轻小型干涉成像光谱全偏振探测装置”（授权公开号：CN101793559A）【5】、中国发明专利“静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置”（授权公开号：CN101806625A）【6】、中国发明专利申请“无源静态三角共路干涉成像光谱全偏振探测装置”（申请公开号：CN101799327A）【7】。
根据矢量双向反射分布函数，外场遥感探测中二维空间目标的偏振光谱分布具有时间和角度效应。因此上述六种时序获取技术的时间分辨率将受限，不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性也会影响成像质量，还需要精确的空间定位系统。此外，对中国发明专利“一种轻小型干涉成像光谱全偏振探测装置”（授权公开号：CN101793559A）【5】报道的时序推扫装置而言，它是将不同时刻获得的一维空间偏振光谱图像合并为一幅二维空间偏振光谱图像作为最终产品；不仅二维空间偏振光谱图像的时间点难以界定，而且每一行偏振光谱图像经历的环境因素也不同；如果将其作为某一时刻的一幅二维空间偏振光谱图像对目标进行分析略显牵强。而对中国发明专利“静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置”（授权公开号：CN101806625A）【6】和中国发明专利申请“无源静态三角共路干涉成像光谱全偏振探测装置”（申请公开号：CN101799327A）【7】报道的时序窗扫系统而言，一个扫描周期获取的多帧序列图像中同一目标元对应的全部强度点为不同时间点获取的，且相应的探测方位角也不同；因此，探测强度的变化将是光源变化与系统本身调制机理共同作用的结果；若将探测强度的变化视为纯系统本身调制的结果，难以复原目标在某时刻某方位角的真实偏振光谱。由此可见，时差和方位角变化均可导致偏振光谱的非一致性问题，且在后期处理中是无法修正的，故时序扫描式的偏振光谱成像技术的实用价值不高。
相比之下，将快照式偏振调制模块与快照式光谱分光模块有机融合，发展快照式偏振光谱成像技术则是大势所趋，它可以实时探测目标在特定时刻特定方位角的偏振光谱分布，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响。文献【8】曾报道了一种快照式计算层析全偏振光谱成像技术，主要是将快照式计算层析成像光谱技术与美国发明专利“SPECTROSCOPIC POLARIMETRY”（专利授权号：US7,623,236B2，授权日期：2009年11月24日）【9】报道的快照式通道偏振光谱技术相结合，即在计算层析成像光谱仪前加入两个厚延迟器和一个偏振器，实现全偏振高光谱图像信息的单帧快照获取；但是通道偏振光谱技术自身的工作机制决定了利用傅里叶变换算法复原的偏振光谱分辨率仅为光谱仪本身的七分之一。为了简化上述方案结构的复杂度并提高光谱分辨率，文献【10】报道了一种结构紧凑型的快照式计算层析全偏振光谱成像技术，主要是将3片一维圆偏振光栅与2片消色差四分之一波片组合，实现全Stokes参数偏振光谱图像的单帧快照获取；该技术的理想模型是要求同时获取6组衍射花样即可复原全部信息，但偏振光栅的衍射机制决定了面阵探测器将同时获取14组衍射花样，多余的衍射花样会降低空间和光谱采样密度，且浪费了光能；另外该方案采用消色差四分之一波片虽具有消色差功能，但目前尚没有相关技术能完全消除波长效应，可能会引入延迟误差，进而影响探测精度。为了减少衍射花样，并避免使用延迟器，文献【11】报道了一种圆偏振光栅和余弦光栅序列组合的非成像的全偏振光谱探测装置，装置中的余弦光栅衍射的+1级花样和-1级花样分别通过0度和45度线偏振片，利用四个探测器同时接收四个衍射光，经过推演即可得到全Stokes参数对应的光谱分布；但该方案为非成像装置，且需要四个探测器，较为复杂，难以实现同步响应控制。为了衍射结构结构的紧凑化，文献【12】报道了一种利用一维圆偏振光栅和三维线偏振光栅融合而成的四维偏振光栅来探测偏振态的非成像方案，该方案操作复杂，各Stokes参数的关系依靠经验衍射曲线来估计的，没有确切的定量化关系可以遵循。
参考文献
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【6】中国发明专利，“静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置”，授权公开号：CN101806625A.
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【发明内容】
本发明的目的在于利用一维圆偏振光栅和一维线偏振光栅融合而成的二维偏振光栅的结构紧凑优势和衍射分光特色，提供一种结构简单紧凑的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，实现二维空间目标的偏振光谱辐射的实时探测，避开通道调制型的复杂结构及光谱分辨率的降低，避开延迟器的波长效应提高空间采样尺寸和工作波段。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、双偏振片、面阵探测器和数据采集处理系统组成；二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、偏振阵列，最终到达面阵探测器，数据采集处理系统控制面阵探测器快照一帧图像得到各偏振分量对应的高光谱图像的分布信息，然后数据采集处理系统提取和处理该帧图像数据得到被测二维空间目标的空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。
所述的前置光学镜组是望远物镜、显微物镜或者普通物镜。
所述的二维偏振光栅包括一维圆偏振光栅和一维线偏振光栅。
所述的二维偏振光栅由一维圆偏振光栅和一维线偏振光栅在一块记录介质板上融合而成。
所述的一维圆偏振光栅衍射的+1级花样和-1级花样分别为左旋和右旋圆偏振分量；一维线偏振光栅衍射的+1级花样和-1级花样均为部分偏振光。
所述的一维线偏振光栅衍射的+1级花样经成像镜组会聚后通过双偏振片中的45度线偏振片到达面阵探测器，-1级花样经成像镜组会聚后通过双偏振阵片中的90度线偏振片到达面阵探测器。
所述的一维圆偏振光栅衍射的+1级花样和-1级花样直接到达面阵探测器；一维圆偏振光栅衍射的+1级花样和-1级花样、一维线偏振光栅衍射的+1级花样和-1级花样最终到达面阵探测器上的不同区域。
二维空间目标经前置光学镜组形成中间二维像面于视场光阑处，视场光阑置于准直镜组的前焦平面上。
本发明与现有技术相比，其具有以下有益效果：
1、快照二维空间目标的一帧图像，即可得到各目标元的偏振光谱信息，同时保留各目标元的空间信息，时间分辨率高，避免了多次测量时因环境变化而带来的影响，二维空间数据关联有效，工作效率高。
2、结构简单紧凑，避免了四分之一波片的波长效应对探测精度的影响，无需精确定位即可重建目标的精确位置。
3、仅产生四组衍射花样，不仅提高空间和光谱采样密度，也提高了光能利用率。
【附图说明】
图1为本发明快照式全偏振高光谱成像装置的结构框图。
图2是图1中的二维偏振光栅和双偏振片的示意图。
图中，100为前置光学镜组，200为视场光阑，300为准直镜组，400为二维偏振光栅，500为成像镜组，600为双偏振片，700为面阵探测器，800为数据采集处理系统，400为二维偏振光栅，410为二维偏振光栅400中的一维圆偏振光栅，420为二维偏振光栅400中的一维线偏振光栅，411和412分别为一维圆偏振光栅410衍射的+1级花样和-1级花样，421和422分别为一维线偏振光栅420衍射的+1级花样和-1级花样，610为45度线偏振片，620为90度线偏振片。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组100、视场光阑200、准直镜组300、二维偏振光栅400、成像镜组500、双偏振片600、面阵探测器700、数据采集处理系统800组成；二维空间目标发出的光依次进入前置光学镜组100、视场光阑200、准直镜组300、二维偏振光栅400、成像镜组500、双偏振片600，最终到达面阵探测器700，数据采集处理系统800控制面阵探测器700快照一帧二维图像即可得到各偏振分量对应的高光谱图像的分布信息，然后数据采集处理系统800提取和处理该帧图像数据即可得到被测目标的二维空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。
如图1，前置光学镜组100是望远物镜、显微物镜、或者普通物镜。
如图2，二维偏振光栅400由一维圆偏振光栅410和一维线偏振光栅420在一块记录介质板上融合而成。一维圆偏振光栅410和一维线偏振光栅420相互垂直。
如图2，一维圆偏振光栅410衍射的+1级花样411和-1级花样412分别为左旋和右旋圆偏振分量；一维线偏振光栅420衍射的+1级花样421和-1级花样422均为部分偏振光。
如图2，一维线偏振光栅420衍射的+1级花样421通过双偏振片600中的45度线偏振片610，-1级花样422通过对接双偏振阵片600中的90度线偏振片620。
本发明快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置的工作原理为：二维空间目标经前置光学镜组100形成中间二维像面于视场光阑200处，视场光阑200置于准直镜组300的前焦平面上，经准直镜组300准直后的一束光进入由一维圆偏振光栅410和一维线偏振光栅420在一块记录介质板上融合而成的二维偏振光栅400上，其中一维圆偏振光栅410衍射的+1级花样411和-1级花样412分别为左旋和右旋圆偏振分量，一维线偏振光栅420衍射的+1级花样421和-1级花样422均为部分偏振光；+1级花样421经成像镜组500会聚后通过双偏振片600中的45度线偏振片610到达面阵探测器700，-1级花样422经成像镜组500会聚后通过双偏振片600中的90度线偏振片620到达面阵探测器700，一维圆偏振光栅410衍射的+1级花样411和-1级花样412直接打到面阵探测器700；四组衍射花样最终到达面阵探测器700上的不同区域，利用数据采集处理系统800控制面阵探测器700快照一帧图像，得到的就是各偏振分量对应的高光谱图像的规则分布，然后数据采集处理系统800提取和处理该帧图像数据即可得到被测目标的二维空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。
通过本发明装置的面阵探测器700快照一帧二维图像并利用层析算法进行处理，便可得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的二维空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息，其组成的数据立方体可以解读为：各Stokes偏振参数对应的高光谱图像立方体，或者各波长对应的全Stokes偏振参数图像立方体。本发明由于采用了由一维圆偏振光栅和一维线偏振光栅融合而成的二维偏振光栅，相对于现有计算层析成像偏振光谱装置而言简单紧凑，空间分辨率和光谱分辨率得到提高空间，避免采用延迟器，拓展工作波段范围；相对于采用时序获取技术的画幅型、推扫型、或窗扫型偏振光谱成像装置来说，无需旋转、调谐或步进装置及相关精密定位装置，具有时间分辨率高，适于动态或快变目标，可避免抖动噪声和环境变化影响等特点。本发明在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。
Claims (8)
1.一种快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组(100)、视场光阑(200)、准直镜组(300)、二维偏振光栅(400)、成像镜组(500)、双偏振片(600)、面阵探测器(700)和数据采集处理系统(800)组成；二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组(100)、视场光阑(200)、准直镜组(300)、二维偏振光栅(400)、成像镜组(500)、双偏振片(600)，最终到达面阵探测器(700)，数据采集处理系统(800)控制面阵探测器(700)快照一帧图像得到各偏振分量对应的高光谱图像的分布信息，然后数据采集处理系统(800)提取和处理该帧图像数据得到被测二维空间目标的空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。
2.根据权利要求1所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，前置光学镜组(100)是望远物镜、显微物镜或者普通物镜。
3.根据权利要求1所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，二维偏振光栅(400)包括一维圆偏振光栅(410)和一维线偏振光栅(420)。
4.根据权利要求1所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，二维偏振光栅(400)由一维圆偏振光栅(410)和一维线偏振光栅(420)在一块记录介质板上融合而成。
5.根据权利要求3或4所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，一维圆偏振光栅(410)衍射的+1级花样(411)和-1级花样(412)分别为左旋和右旋圆偏振分量；一维线偏振光栅(420)衍射的+1级花样(421)和-1级花样(422)均为部分偏振光。
6.根据权利要求5所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，一维线偏振光栅(420)衍射的+1级花样(421)经成像镜组(500)会聚后通过双偏振片(600)中的45度线偏振片(610)到达面阵探测器(700)，-1级花样(422)经成像镜组(500)会聚后通过双偏振片(600)中的90度线偏振片(620)到达面阵探测器(700)。
7.根据权利要求6所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，一维圆偏振光栅(410)衍射的+1级花样(411)和-1级花样(412)直接到达面阵探测器(700)；一维圆偏振光栅(410)衍射的+1级花样(411)和-1级花样(412)、一维线偏振光栅(420)衍射的+1级花样(421)和-1级花样(422)最终到达面阵探测器(700)上的不同区域。
8.根据权利要求1所述的快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，二维空间目标经前置光学镜组(100)形成中间二维像面于视场光阑(200)处，视场光阑(200)置于准直镜组(300)的前焦平面上。
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| C06 | Publication | ||
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Granted publication date: 20150701 Termination date: 20181024 |
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