CN103592030B - 快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快照式积分视场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、积分视场单元、准直镜组、全偏振调制模块、光谱分光模块、成像镜组、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、积分视场单元、准直镜组、全偏振调制模块、光谱分光模块、成像镜组，最终到达面阵探测器，利用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。本发明可实时获取空间、光谱、偏振三维信息。

Description

快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置

【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】、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】曾报道了一种可获取正交线偏振光谱图像的基于编码孔径技术的快照式偏振高光谱成像技术，文献【9】曾报道了基于计算层析光谱术的快照式全偏振高光谱成像技术，虽然两者对二维空间目标信息的抓取是瞬间完成的，但后续偏振光谱信息的算法和反演过程非常复杂、繁重、且耗时，难以在监视器上实现实时监控。

参考文献

【1】B.H.Miles,R.A.Goodson,E.L.Dereniak,and M.R.Descour,"Computed-tomographyimaging spectropolarimeter(CTISP):instrument design,operation and results,"Proc.SPIE3753,169-179(1999).

【2】J.S.Tyo and T.S.Turner,"Variable-retardance,Fourier-transform imagingspectropolarimeters for visible spectrum remote sensing,"Appl.Opt.40,1450-1458(2001).

【3】中国发明专利，“高光谱全偏振成像遥感系统”，授权公开号CN1900740.

【4】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.

【5】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.

【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.

【7】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.

【8】T.-H.Tsai and D.J.Brady,"Coded aperture snapshot spectral polarization imaging,"Appl.Opt.52,2153-2161(2013).

【9】D.S.Sabatke,A.M.Locke,M.R.Descour,E.L.Dereniak,J.P.Garcia,T.K.Hamilton,and R.W.McMillan,"Snapshot imaging spectropolarimeter,"Opt.Eng.41,1048-1054(2002).

【发明内容】

本发明的目的在于利用积分视场光谱术可以直接进行光谱成像的优势，提供一种后期数据处理简单快捷的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，减少反演计算时间，实现二维空间目标的偏振光谱辐射的实时视频监视，不存时差和方位角变化引起的信息失配等问题，不受环境因素的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

快照式积分视场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、积分视场单元、准直镜组、全偏振调制模块、光谱分光模块、成像镜组、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、积分视场单元、准直镜组、全偏振调制模块、光谱分光模块、成像镜组，最终到达面阵探测器，利用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可以是望远物镜、显微物镜或者普通物镜。

所述的积分视场单元可以是光纤阵列、光纤阵列加微透镜组或者图像分割器。

所述的积分视场单元的接收端为二维空间排列，出射端是一维空间排列并置于准直镜组的前焦平面上。

所述的全偏振调制模块由四象限分布的四分区偏振阵列和金字塔型四面体棱镜组成，或者由平行排列的四分区偏振阵列和等腰梯形型四面体棱镜组成。

所述的光谱分光模块是光栅或者棱镜。

经准直镜组准直后的一束光进入全偏振调制模块，被四象限分布的四分区偏振阵列或者平行排列的四分区偏振阵列分成四束偏振态不同的平行光束，它们分别经金字塔型四面体棱镜或者等腰梯形型四面体棱镜折射后，以不同角度射入光谱分光模块进行分光，成像镜组将每束偏振光中不同波长的光会聚到达面阵探测器上的不同区域。

本发明与现有技术相比，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、没有狭缝损失，无需精确定位即可重建目标的精确位置。

3、数据重组处理简单明快，可在监视器上对目标进行实时监视。

【附图说明】

图1为本发明快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置的结构框图。

图2（a）和图2（b）分别是图1中的积分视场单元的接收端的二维空间排列示意图和出射端的一维空间排列示意图。

图3（a）和图3（b）是图1中全偏振调制模块的两种示意图。

图中，100为前置光学镜组、200为积分视场单元、300为准直镜组、400为全偏振调制模块、500为光谱分光模块、600为成像镜组、700为面阵探测器、800为数据采集处理系统，210为积分视场单元200的接收端的二维空间排列，220为积分视场单元200的出射端的一维空间排列，411为四象限分布的四分区偏振阵列，412为金字塔型四面体棱镜组成，421为平行排列的四分区偏振阵列，422为等腰梯形型四面体棱镜。

【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，本发明一种快照式积分视场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、积分视场单元200、准直镜组300、全偏振调制模块400、光谱分光模块500、成像镜组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、积分视场单元200、准直镜组300、全偏振调制模块400、光谱分光模块500、成像镜组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1，积分视场单元200是光纤阵列、光纤阵列加微透镜组、或者图像分割器。

如图2，积分视场单元200的接收端为二维空间排列210，出射端是一维空间排列220并置于准直镜组300的前焦平面上。

如图3，全偏振调制模块400由四象限分布的四分区偏振阵列411和金字塔型四面体棱镜412组成，或者由平行排列的四分区偏振阵列421和等腰梯形型四面体棱镜422组成。

如图1，光谱分光模块500是光栅或者棱镜。

本发明快照式积分视场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，积分视场单元200的接收端的二维空间分布210用于接收中间二维像面的图像，积分视场单元200的出射端的一维空间分布220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全偏振调制模块400，被四象限分布的四分区偏振阵列411或者平行排列的四分区偏振阵列421分成四束偏振态不同的平行光束，它们分别经金字塔型四面体棱镜412或者等腰梯形型四面体棱镜422折射后，以不同角度射入光谱分光模块500进行分光，利用成像镜组600将每束偏振光中不同波长的光会聚到达面阵探测器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数据重组算法进行处理，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，其组合成的数据立方体可解读为：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。本发明由于采用了积分视场单元和全偏振调制模块，相对于计算成像技术而言，数据重组处理简单明快，所需计算量大大降低，可在监视器上对目标进行实时监视；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 (7)

1.一种快照式积分视场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)、积分视场单元(200)、准直镜组(300)、全偏振调制模块(400)、光谱分光模块(500)、成像镜组(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)、积分视场单元(200)、准直镜组(300)、全偏振调制模块(400)、光谱分光模块(500)、成像镜组(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所述的快照式积分视场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所述的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，积分视场单元(200)是图像分割器、光纤阵列或者光纤阵列加微透镜组。

4.根据权利要求3所述的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，积分视场单元(200)的接收端为二维空间排列(210)，出射端是一维空间排列(220)并置于准直镜组(400)的前焦平面上。

5.根据权利要求1所述的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，全偏振调制模块(400)由四象限分布的四分区偏振阵列(411)和金字塔型四面体棱镜(412)组成，或者由平行排列的四分区偏振阵列(421)和等腰梯形型四面体棱镜(422)组成。

6.根据权利要求1所述的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，光谱分光模块(500)是光栅或者棱镜。

7.根据权利要求5所述的快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置，其特征在于，经准直镜组(300)准直后的一束光进入全偏振调制模块(400)，被四象限分布的四分区偏振阵列(411)或者平行排列的四分区偏振阵列(421)分成四束偏振态不同的平行光束，它们分别经金字塔型四面体棱镜(412)或者等腰梯形型四面体棱镜(422)折射后，以不同角度射入光谱分光模块(500)进行分光，成像镜组(600)将每束偏振光中不同波长的光会聚到达面阵探测器(700)上的不同区域。