CN103743485A - 用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统 - Google Patents
用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统 Download PDFInfo
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Abstract
用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统由光学系统、电子驱动器、双通道图像采集卡和计算机组成。光学系统分为两个通道：通道一由鱼眼光学镜头、滤光轮1、两片液晶相位可变延迟器LCVR1和LCVR2、偏振片1、微距光学镜头1、电荷耦合器件1组成，用于完成天空光的成像；通道二由望远光学镜头、滤光轮2、两片液晶相位可变延迟器LCVR3和LCVR4、偏振片2、微距光学镜头2、电荷耦合器件2组成，用于完成地物光的光谱成像。电子驱动器用于控制加在四片LCVR上的电压值改变其相位延迟，实现双通道全偏振成像。被测天空光和地物光的图像信号被计算机采集并作图像处理。该系统实现了地物光和天空光偏振信息的同步探测，可用于地物偏振遥感大气效应校正的研究。
Description
技术领域
本发明涉及用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，是指一种用于偏振遥感领域的近地面的同步对天和对地的全偏振光谱成像探测的光学系统。
背景技术
利用地物反射光进行偏振成像遥感探测时，不断变化的天空光会影响对地物的偏振探测精度与定量化水平。因为，对于绝大多数地物表面，其反射光的偏振特性会随着入射光偏振态的变化而变化，利用地物反射光进行偏振成像时，地表目标的偏振特性中包含了天空光的偏振特性，因此，不断变化的天空光是影响其探测精度的重要因素之一。影响天空光偏振特性的主要因素包括时间、空间、波长以及大气中的气溶胶、云层等，所以天空光对地物反射光偏振态的影响只能通过对天空光进行同步遥感测量技术来进行分析，进而实现地表目标偏振特性的定量化反演。
在偏振遥感领域，国外偏振技术的发展已经较为成熟。上世纪80年代后期，法国开始研制的POLDER是第一个可以获得偏振光观测的星载对地探测器,可以对地气系统反射的太阳辐射的 方向和偏振度进行全球观测，而且可以把大气散射的辐射跟地表反射的辐射区分开。2002年，C.K.Harnett等人研制了基于双折射液晶材料的微偏振片阵列，并用该器件研制成了成像偏振仪。2003年，美国亚利桑那州立大学光学研究中心研制了基于机械旋转波片的快速成像偏振仪。2004年，Hanaoka等人研制了基于铁电液晶相位可变延迟器的高速成像偏振仪，用于对地面目标进行探测。2005年，美国亨茨维尔市偏振传感器研究中心研制了基于机械旋转波片的红外成像偏振仪，用于对水中的游泳者和人工目标进行探测。2006年，美国应用技术联合会、空军实验室，Ball航天技术公司和新墨西哥州立大学电子计算机工程学院进行了长波红外偏振成像应用，实验仪器中使用了在探测器的每个小单元前面放置偏振滤光器的结构，可以同一时刻获得四个偏振态下的图像，包含在焦平面处的微栅格偏光阵列相对传统的偏振仪可以即时并且关联的获得热量信息和偏振信息。2007年，美国蒙大拿州立大学电子与计算机工程学院在美国空军实验室的资助下，为了适应对不同天空情况的目标偏振情况的测量，研制了基于LCVR的双视场成像偏振仪。
国内关于偏振成像探测的研究刚刚起步。中科院安徽光机所于2002年研制出地面多波段偏振CCD相机试验系统；相继又研 制出航空偏振CCD相机系统。2002年，上海技物所研制完成了一台机载六光谱通道全偏振遥感仪，并进行了室内、外场景物的光谱及偏振探测和大气气溶胶探测等实验。
从国内外发展情况可以看出，目前的偏振成像探测系统还没有实现天空光与地物反射光同步探测，只是将二者分别探测，这使得在不同的测量时间内，天空条件的变化会对测量的结果产生影响，探测的精度不高。因此，实现对天空光和地物反射光偏振信息的同步探测，对分析天空光对地物反射光偏振态的影响、提高对地偏振成像遥感的探测精度与定量化水平具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明所要技术解决问题是：提出一种用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，该探测系统具有在可见光波长范围同步精确探测天空光和地物反射光全偏振信息的能力。
本发明一种用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，其技术解决方案:该用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，包括下列部分：
鱼眼光学镜头，位于光学系统通道一的最前端，用于将半球 视场下的天空光一次成像在其焦平面上；
望远光学镜头，位于光学系统通道二的最前端，用于将地物目标反射光一次成像在其焦平面上；
两个滤光轮，位于各自光学系统通道的前置光学镜头的焦平面之后，安装在滤光轮上的滤光片用于实现所在通道的多谱段分光功能；
四片液晶相位可变延迟器LCVR1、LCVR2、LCVR3和LCVR4，位于各自光学系统通道的滤光轮之后，每个通道各两片，通过计算机控制改变LCVR上的电压值，可以改变所在通道的入射光的相位延迟；
两个偏振片，位于各自光学系统通道的两片LCVR之后，用于改变所在通道的入射光的偏振方向；
两个微距光学镜头，位于各自光学系统通道的偏振片之后，用于将所在通道的光学系统第一次所成像进行二次成像，聚焦在CCD上；
两个电荷耦合器件(charge coupled device,CCD），为光电转换器件，用于将所在通道的被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；
电子驱动器，用于控制加在四片LCVR上的电压值，从而改 变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与四片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；
双通道图像采集卡，用于将两个通道CCD光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算机的PCI插槽中；
计算机，用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，输出被探测目标的偏振信息。
用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统中的双通道光学系统同时工作，可以实现天空光和地物目标反射光的偏振光谱强度图像的同步探测，这样在之后的图像处理中，可以得到同一时刻天空光和地物反射光的偏振信息，进而可以进行地物偏振遥感大气效应校正的研究，提高地物反射光偏振探测的精度。
本发明的工作原理为：系统两个通道均使用滤光片作为分光元件，以满足系统光谱测量的功能。在每一个通道中都安装一个可旋转滤光轮，将6片滤光片分别安装在带6个滤光槽的滤光轮上，通过旋转滤光轮从而改变通过探测系统的波长，得到目标在该波长处的图像，实现系统的成像光谱探测功能。在每一个通道中，系统的全偏振探测功能由两片LCVR和精确偏振片组成的偏振测量组件实现，调整精确偏振片的偏振轴方向只让一个固定方 向的偏振光通过，通过计算机控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，设置4组不同的相位延迟值，分别采集图像，可获得到4个图像强度值，得到一个线性方程组，利用Mueller矩阵反演得到全斯托克斯矢量的4个分量的值。系统可以对天空光和地物光偏振信息同步探测的功能是通过计算机控制两个通道同时采集目标图像来实现的。
本发明一种用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，具有如下优点：
(1)该系统采用双通道同步采集图像的技术，实现了系统对天空光和地物光偏振信息同步探测，从而分析天空光对地物反射光偏振特性的影响。
(2)系统中LCVR的相位延迟由电压控制，无需运动部件，而且响应时间短，属于毫秒级，与精确偏振片构成的偏振测量组件可以精确、快速的探测被测目标的全Stokes矢量。
附图说明
图1为本发明的系统组成原理框图；
图2为本发明的LCVR在不同电压控制下相位延迟示意图；
图3为本发明的滤光轮结构图；
图4为本发明的工作流程图。
图中具体标号如下：
1、鱼眼光学镜头 2、滤光轮（1） 3、LCVR（1）和（2）
4、偏振片（1） 5、微距光学镜头（1） 6、CCD（1）
7、望远光学镜头 8、滤光轮（2） 9、LCVR（3）和（4）
10、偏振片（2） 11、微距光学镜头（2） 12、CCD（2）
13、双通道图像采集卡 14、计算机 15、LCVR驱动器
具体实施方式
如图1所示，本发明包括鱼眼光学镜头1、滤光轮（1）2、LCVR（1）和（2）3、偏振片（1）4、微距光学镜头（1）5、CCD（1）6、望远光学镜头7、滤光轮（2）8、LCVR（3）和（4）9、偏振片（2）10、微距光学镜头（2）11、CCD（2）12、双通道图像采集卡13、计算机14和LCVR驱动器15。下面以光学系统通道一，对天空光实现成像探测的通道为例，鱼眼光学镜头1将半球视场下的天空光一次成像在其焦平面上，经过滤光轮(1)2上的滤光片，得到相应谱段的光线，然后经过两片LCVR（1）和（2）3以及偏振片4，再经过微距光学镜头（1）5最后成像在CCD（1）6上， 并且将输出的图像信号经双通道图像采集卡13传输到计算机14，LCVR驱动器15与计算机14的串口相连。第一光学系统通道的全偏振探测的组件由两片LCVR（1）和（2）3与精确偏振片4组成，调节精确偏振片4的透偏方向，只让固定的一个方向的偏振光透过，通过计算机来控制加载在两片LCVR上的电压值，来改变两片LCVR的相位延迟量。设置4组不同的电压值，使得两片LCVR产生4组不同的相位延迟值，分别采集图像，可以得到4辐图像的强度值，从而得到一个线性方程组，在利用Mueller矩阵反演得到全斯托克斯矢量的4个分量值，实现了全偏振光谱探测的功能。其中，4组LCVR相位延迟的选取和精确偏振片透偏方向的选取是根据矩阵理论汇总的良态矩阵理论优化得来的。对于光学系统通道二，对地物光实现成像探测的通道，实施的原理方案相同，两片LCVR的4组延迟值和精确偏振片的透偏方向以及相应的滤光片选择都相同。通过计算机控制两个通道同时采集目标图像可以实现对天空光和地物光偏振信息同步探测的功能。
如图2所示，LCVR是受电压控制的光学器件，在不同电压控制下对入射线偏光的作用各不相同。当加上适当的电压时，LCVR可以精确、快速的控制光学系统中光的偏振状态。利用两片LCVR与精确偏振片构成具有可精确探测目标4个全斯托克斯矢量的功 能的偏振测量组件。
如图3所示，滤光轮带有6个滤光槽，可以安装6片滤光片，通过旋转滤光轮从而改变通过探测系统的波长，得到目标在该波长处的图像，实现系统的成像光谱探测功能。滤波片的波长和带宽可选范围较广，根据被测目标的特征可以随时更换滤光轮上的滤波片。
本发明的工作流程图如图4所示。首先，将光学系统通道一的光学系统垂直向上对准天空，将光学系统通道二的光学系统垂直向下对准地物；其次，将两个光学系统通道的滤光轮旋转到所需探测波长，通过计算机控制对两个通道的LCVR器件分别设置4组不同的电压值，使其产生4组不同的相位延迟值；与此同时，通过计算机控制双通道图像采集卡，同步采集两个通道的各4幅图像，得到各通道所成的图像在该波长上的4个光强值，解线性方程组就可得各通道入射光的4个Stokes偏振分量值，从而完成了天空光与地物光全偏振光谱信息的同步探测。
Claims (2)
1.用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，其特征在于：该系统包括下列部分：
鱼眼光学镜头，位于光学系统通道一的最前端，用于将半球视场下的天空光一次成像在其焦平面上；
望远光学镜头，位于光学系统通道二的最前端，用于将地物目标反射光一次成像在其焦平面上；
两个滤光轮，位于各自光学系统通道的前置光学镜头的焦平面之后，安装在滤光轮上的滤光片用于实现所在通道的多谱段分光功能；
四片液晶相位可变延迟器LCVR1、LCVR2、LCVR3和LCVR4，位于各自光学系统通道的滤光轮之后，每个通道各两片，通过计算机控制改变LCVR上的电压值，可以改变所在通道的入射光的相位延迟；
两个偏振片，位于各自光学系统通道的两片LCVR之后，用于改变所在通道的入射光的偏振方向；
两个微距光学镜头，位于各自光学系统通道的偏振片之后，用于将所在通道的光学系统第一次所成像进行二次成像，聚焦在CCD上；
两个电荷耦合器件(charge coupled device,CCD），为光电转换器件，用于将所在通道的被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；
电子驱动器，用于控制加在四片LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与四片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；
双通道图像采集卡，用于将两个通道CCD光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算机的PCI插槽中；
计算机，用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，输出被探测目标的偏振信息。
2.根据权利要求1所述的用于同步探测地物光与天空光的全偏振光谱成像系统，其特征在于双通道光学系统同时工作，可以实现天空光和地物目标反射光的偏振光谱强度图像的同步探测，这样在之后的图像处理中，可以得到同一时刻天空光和地物反射光的偏振信息，进而可以进行地物偏振遥感大气效应校正的研究，提高地物反射光偏振探测的精度。
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|---|---|
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104359557A (zh) * | 2014-12-09 | 2015-02-18 | 上海新跃仪表厂 | 一种用于太空探测的双光谱成像设备 |
| CN104535187A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-22 | 中国人民解放军理工大学 | 一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置 |
| CN104596940A (zh) * | 2015-01-30 | 2015-05-06 | 合肥工业大学 | 一种全天域大气偏振模式的自动测量系统 |
| CN105158218A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-12-16 | 青岛市光电工程技术研究院 | 一种非接触式水面浮油监测装置与方法 |
| CN107356333A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-17 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七七研究所） | 一种红外光谱偏振成像系统及其参数优化配置方法 |
| CN108508503A (zh) * | 2017-02-27 | 2018-09-07 | 北京航空航天大学 | 一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统 |
| CN109031447A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-12-18 | 长春理工大学 | 双波段目标全偏振信息自动获取系统 |
| CN109387489A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-02-26 | 塔里木大学 | 偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置 |
| CN110927071A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-03-27 | 长春理工大学 | 光照影响下海雾环境偏振传输特性测试与仿真的验证方法 |
| CN111856770A (zh) * | 2019-04-26 | 2020-10-30 | 曹毓 | 一种偏振成像设备 |
| CN113631908A (zh) * | 2018-12-21 | 2021-11-09 | 纳米线科技公司 | 用于病理试样的移动数字空间剖析的方法、装置、系统和设备 |
| CN115684025A (zh) * | 2022-09-23 | 2023-02-03 | 长春理工大学 | 一种云态偏振探测装置及探测方法 |
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- 2014-01-17 CN CN201410022694.9A patent/CN103743485B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104359557A (zh) * | 2014-12-09 | 2015-02-18 | 上海新跃仪表厂 | 一种用于太空探测的双光谱成像设备 |
| CN104359557B (zh) * | 2014-12-09 | 2016-07-06 | 上海新跃仪表厂 | 一种用于太空探测的双光谱成像设备 |
| CN104535187A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-22 | 中国人民解放军理工大学 | 一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置 |
| CN104535187B (zh) * | 2014-12-26 | 2016-05-04 | 中国人民解放军理工大学 | 一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置 |
| CN104596940A (zh) * | 2015-01-30 | 2015-05-06 | 合肥工业大学 | 一种全天域大气偏振模式的自动测量系统 |
| CN104596940B (zh) * | 2015-01-30 | 2017-08-11 | 合肥工业大学 | 一种全天域大气偏振模式的自动测量系统 |
| CN105158218A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-12-16 | 青岛市光电工程技术研究院 | 一种非接触式水面浮油监测装置与方法 |
| CN108508503A (zh) * | 2017-02-27 | 2018-09-07 | 北京航空航天大学 | 一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统 |
| CN108508503B (zh) * | 2017-02-27 | 2019-08-02 | 北京航空航天大学 | 一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统 |
| CN107356333A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-17 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七七研究所） | 一种红外光谱偏振成像系统及其参数优化配置方法 |
| CN109031447A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-12-18 | 长春理工大学 | 双波段目标全偏振信息自动获取系统 |
| CN109387489A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-02-26 | 塔里木大学 | 偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置 |
| CN109387489B (zh) * | 2018-11-21 | 2023-10-10 | 塔里木大学 | 偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置 |
| CN113631908A (zh) * | 2018-12-21 | 2021-11-09 | 纳米线科技公司 | 用于病理试样的移动数字空间剖析的方法、装置、系统和设备 |
| US12002572B2 (en) | 2018-12-21 | 2024-06-04 | Nanostring Technologies, Inc. | Methods, apparatuses, systems and devices for mobile digital spatial profiling of pathological specimens |
| CN111856770A (zh) * | 2019-04-26 | 2020-10-30 | 曹毓 | 一种偏振成像设备 |
| CN110927071A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-03-27 | 长春理工大学 | 光照影响下海雾环境偏振传输特性测试与仿真的验证方法 |
| CN110927071B (zh) * | 2019-12-16 | 2022-10-11 | 长春理工大学 | 光照影响下海雾环境偏振传输特性测试与仿真的验证方法 |
| CN115684025A (zh) * | 2022-09-23 | 2023-02-03 | 长春理工大学 | 一种云态偏振探测装置及探测方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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