CN104833977A - 一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法，利用微波片阵列对望远镜获取的遥感图像进行偏振调制，再通过单向偏振片转换成二维光强分布。对二维光强进行数据反演可以获得遥感图像的偏振态信息。所用的微波片阵列采用超快激光微加工来制作，在图像各个微小区域引入四种不同的相位调制，结合偏振片转换成光强后可计算出该区域的Stocks矢量，从而获得整个图像的完全偏振态信息。本发明能够进行动态目标遥感测量，实现高时间、空间分辨率的完全偏振态测量。

Description

一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，特别是一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法。

背景技术

    偏振成像技术是指记录图像偏振信息的技术。图像的偏振态可提供从光谱、光强、相干度等量中无法获取的，包括表面特征、形状、阴影以及粗糙度等大量的信息，因而利用偏振成像技术可以对目标进行区别和特性表征。在气象环境科学研究中，利用卷云散射辐射的偏振特征来获得其微观特性和光学特性，为全球的辐射平衡和气候变化的研究提供重要依据；在军事、海洋以及卫星遥感等领域，利用人造物体与自然背景反射和辐射光偏振态的差别，可以从复杂背景中提取人造物体目标，区分不同的地表形态等等。多维的信息和广泛的应用使偏振成像近年来成为国内外光学探测和遥感领域的研究热点。

    由于现有的CCD或者CMOS等感光元件不能直接分辨光的偏振态，所以通常需要在探测器前加装波片和偏振片来实现图像偏振态测量。光偏振态可用Stocks矢量进行完全描述(S0,S1,S2，S3)，具有四个独立的分量。要获得完整偏振态信息至少需要四次不同波片和偏振片组合的独立测量。根据多次测量的方式不同，可以把偏振成像分成分时成像和同时成像两大类。分时成像通过旋转或者调制光学器件在不同时间获得多次测量结果，适用于植被、矿物、建筑等静态目标的探测。而同时偏振成像技术通过多分光路单次曝光的方式获取多个测量结果，具有动态测量能力。已有的同时成像技术中主要采用分幅、分孔径、分频谱通道以及分焦平面等几种分光方案。目前分幅和分孔径偏振成像的时间、空间分辨率较高，但是光路复杂，稳定性不足，而且不同偏振态的图像难以进行像素量级的对准；而分频谱通道方案采用双折射晶体劈组调制图像偏振态，干涉条纹的存在导致空间分辨率偏低；分焦平面方案通过单次曝光可以实现偏振态测量，而且整体系统结构紧凑、性能稳定，已经被用于美国军方的雷达遥感系统，是偏振成像技术未来的发展方向。但是目前基于微偏振片阵列的分焦平面偏振成像只能测量Stocks矢量的前三个分量(S0,S1,S2)，其原因在于通过单纯的偏振片方向变化无法测量代表旋光成分的S3分量。随着偏振成像技术应用范围的扩展，特别是在动态目标遥感研究中，迫切需要发展同时具备高时间、空间分辨率，并且能够进行全Stocks矢量测量以及长期稳定运行等特点的全新偏振成像技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法，能够进行动态目标遥感测量，实现高时间、空间分辨率的完全偏振态测量。

本发明的装置采用以下方案实现： 一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，包括从左至右依次并排设置的望远镜物镜、望远镜目镜、成像透镜以及一面阵相机；所述的望远镜物镜前方设置有一窄带滤波片，用于选择特定带宽；所述的望远镜目镜与所述的成像透镜之间依次设置有一微波片阵列与一单向偏振片，其中所述微波片阵列设置在所述望远镜目镜的焦距位置，用以对图像的偏振态进行调制，所述的单向偏振片设置于所述微波片阵列和成像透镜之间，用以将二维偏振态分布转换成二维光强分布；所述成像透镜用以将二维光强分布耦合到面阵相机中；所述面阵相机的输出端连接至一计算机处理系统，所述的计算机处理系统包括中值滤波模块、傅里叶变换模块以及数组操作模块。

进一步的，所述的微波片阵列的制作过程为：采用超快激光在一透明介质内部刻蚀出若干个边长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，调整加工参数使四个相邻的所述亚波长光栅的光轴方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列；所述微型波片阵列在二维空间重复排列，覆盖整个通光面；所述的加工参数包括所述超快激光的偏振方向、加工时间以及聚焦参数。

进一步的，所述的四个相邻亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角0°，30°，45°和60°，所述引入的相位延时为90°。

本发明还提供了一种如上文所述的基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：用所述窄带滤波片对远处图像进行滤波，选择一指定的波长范围；

步骤S2：采用所述望远镜物镜和望远镜目镜对滤波后的图像进行缩放；

步骤S3：所述的微波片阵列对步骤S2缩放后的图像进行偏振态调制，所述的单向偏振片将进行偏振态调制后的图像转换成二维光强分布，所述的成像透镜将所述二维光强分布耦合到所述的面阵相机，所述的面阵相机将光强数据传输至所述的计算机处理系统；

步骤S4：所述的计算机处理系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到二维图像上每个像素点的偏振态信息。

    较佳地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：所述的计算机处理系统采用公式                                                计算出入射光的偏振态，其中，为面阵相机采集的数据，为入射光偏振态，M为一4×4的Müller矩阵，用以描述偏振器件；

步骤S42：所述的计算机处理系统采用步骤S41的方法对整个通光面进行计算，从而获得图像整个二维面内的偏振态信息。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

（1）可测量包含旋光分量在内的全Stocks矢量；

（2）微波片阵列采用超快激光微加工制作，可对其引入的相位延迟主轴方向和延迟量进行设计，优化性能，并且制作精度高，成本和技术要求较低；

（3）所采用的微波片阵列存在于透明基底的内部，便于对其表面进行镀膜和维护，可降低成像光路中多重反射和散射等影响，从而提高成像质量。

附图说明

图1为本发明实施例测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的微波片阵列结构示意图。

主要组件符号说明]

图中：1为窄带滤波片，2为望远镜物镜，3为望远镜目镜，4为微波片阵列，5为单向偏振片，6为成像透镜，7为面阵相机，8为计算机处理系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，包括从左至右依次并排设置的望远镜物镜、望远镜目镜、成像透镜以及一面阵相机；所述的望远镜物镜前方设置有一窄带滤波片，用于选择特定带宽；所述的望远镜目镜与所述的成像透镜之间依次设置有一微波片阵列与一单向偏振片，其中所述微波片阵列设置在所述望远镜目镜的焦距位置，用以对图像的偏振态进行调制，所述的单向偏振片设置于所述微波片阵列和成像透镜之间，用以将二维偏振态分布转换成二维光强分布；所述成像透镜用以将二维光强分布耦合到面阵相机中；所述面阵相机的输出端连接至一计算机处理系统，所述的计算机处理系统包括中值滤波模块、傅里叶变换模块以及数组操作模块。

进一步的，所述的微波片阵列的制作过程为：采用超快激光在一透明介质内部刻蚀出若干个边长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，所构成的微型波片的光栅方向和引入的相位延时与加工参数和光栅结构相关。调整加工参数使四个相邻的所述亚波长光栅的光轴方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列；所述微型波片阵列在二维空间重复排列，覆盖整个通光面；所述的加工参数包括所述超快激光的偏振方向、加工时间以及聚焦参数。

进一步的，所述的四个相邻亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角0°，30°，45°和60°，所述引入的相位延时为90°。

本发明还提供了一种如上文所述的基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：选择一指定的波长范围，用所述窄带滤波片对远处图像进行滤波；

步骤S2：采用所述望远镜物镜和望远镜目镜对滤波后的图像进行缩放；

步骤S3：所述的微波片阵列对步骤S2缩放后的图像进行偏振态调制，所述的单向偏振片将进行偏振态调制后的图像转换成二维光强分布，所述的成像透镜将所述二维光强分布耦合到所述的面阵相机，所述的面阵相机将光强数据传输至所述的计算机处理系统；

步骤S4：所述的计算机处理系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到二维图像上每个像素点的偏振态信息。

较佳地，在本实施例中，所述面阵相机的像素为1280*1024的CCD相机。

在本实施例中，所述计算机处理系统为在Labview软件平台下采用中值滤波、傅里叶变换以及数组操作等模块编写程序，进行滤波、消除背景处理及图像偏振态反演运算。

如图1所示，本实施例以532nm绿光的激光光源为例，分别采用线偏振光、左旋与右旋偏振光作为照射光源。入射光经过中心波长为532nm,带宽为10nm的窄带滤波片后，滤除外界的杂散光。经过望远镜的物镜和目镜对光斑进行适当的缩放，入射到微波片阵列上进行偏振态调制。

本实施例所使用的微波片阵列采用近红外波段的超快激光器在透镜石英玻璃内部进行加工。由于超快激光在石英内部加工获得的微型光栅的周期与加工激光波长的关系为：

其中T是微型光栅的周期，是加工激光的波长，是材料的折射率，对于石英材料折射率为1.5左右。如果采用800nm的超快激光，获得的微型光栅的周期为266nm附近。对于532nm的入射光来说，该光栅为亚波长光栅。由于亚波长光栅的透射光中只存在零级衍射，而且透射光的TM分量（偏振与栅条方向垂直的分量）和TE分量（偏振与栅条方向平行的分量）的透过率和相位延迟量不一样，从而相当于波片的作用。该波片引入的相位延迟与光栅的厚度相关。通过理论设计和控制加工激光的偏振方向、加工时间，聚焦深度等参数可以获得特定光轴方向的具有特定相位延迟量的微型波片阵列。在本发明中采用的微型波片阵列的光轴方向如图2所示，分别为与水平方向夹角为0°，30°，45°和60°，所引入的相位延迟量为90°。图中单个微型光栅的尺寸约为5×5微米，而四个不同光轴方向的微型光栅构成一个周期单元。整个通光面由这样的周期单元重复覆盖，对入射图像的偏振态进行相位调制。再经过单向偏振片将偏振态信息转换成二维光强分布，通过成像透镜耦合到面阵相机中进行采集。最后数据输入计算机处理系统进行滤波、消除背景处理及图像偏振态反演运算。

本实施例以线偏振、左旋和右旋偏振光为入射光，模拟了相机采集到的二维光强图像以及数据反演的结果。用Stocks矢量(S0,S1,S2，S3)来描述光的偏振态，并且用Müller矩阵来描述偏振器件。

对于四次独立的测量，经过图2检测系统的光的偏振态变化可以用4×4的Müller矩阵来表示，其中上标,表示测量的次数。

   ,

由于探测器只能对光强，也就是有响应，因此每次测量只能得到的值，通过四次测量得到的结果，即相机采集的数据可以表示为：

    （1）

     在本发明的偏振态测试方案中，选取微型波片的光轴方向分别为0°,30°,45°和60°，相位延迟量为90°，则可以计算出

                         （2）

     M的行列式为1.005，不为零，从而使方程（1）存在解，可以简写成：

   （3）

    其中和分别表示逆阵和伴随矩阵。通过相机可测量得到,从而利用公式（3）可以计算出入射光的偏振态。对整个通光面进行计算就可以获得遥感图像整个二维面内的偏振态信息。

从下表的模拟计算结果看出具有特定偏振态的入射光，经过微波片阵列和单向偏振片后，对应了特定的二维光强分布。用公式（3）反演计算的结果与输入光的偏振态一致。由于表格中的偏振态覆盖了Stocks矢量的各个分量，可见对于任意偏振态的测量和反演计算，本发明提供的方法都是有效的。而且所使用的微波片阵列单个波片的尺寸在几个微米量级，从而可以对整个图像进行完整的偏振态测试。

综上所述，本发明的可测量包含旋光分量在内的全Stocks矢量；微波片阵列采用超快激光微加工制作，可对其引入的相位延迟主轴方向和延迟量进行设计，优化性能，并且制作精度高，成本和技术要求较低；本发明所采用的微波片阵列存在于透明基底的内部，便于对其表面进行镀膜和维护，可降低成像光路中多重反射和散射等影响，从而提高成像质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，其特征在于：包括从左至右依次并排设置的望远镜物镜、望远镜目镜、成像透镜以及一面阵相机；所述的望远镜物镜前方设置有一窄带滤波片，用于选择特定带宽；所述的望远镜目镜与所述的成像透镜之间依次设置有一微波片阵列与一单向偏振片，其中所述微波片阵列设置在所述望远镜目镜的焦距位置，用以对图像的偏振态进行调制，所述的单向偏振片设置于所述微波片阵列和成像透镜之间，用以将二维偏振态分布转换成二维光强分布；所述成像透镜用以将二维光强分布耦合到面阵相机中；所述面阵相机的输出端连接至一计算机处理系统，所述的计算机处理系统包括中值滤波模块、傅里叶变换模块以及数组操作模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，其特征在于：所述的微波片阵列的制作过程为：采用超快激光在一透明介质内部刻蚀出若干个边长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，调整加工参数使四个相邻的所述亚波长光栅的光轴方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列；所述微型波片阵列在二维空间重复排列，覆盖整个通光面；所述的加工参数包括所述超快激光的偏振方向、加工时间以及聚焦参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，其特征在于：所述的四个相邻亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角0°，30°，45°和60°，所述引入的相位延时为90°。

4.一种如权利要求1所述的基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：用所述窄带滤波片对远处图像进行滤波；选择一指定的波长范围；

步骤S2：采用所述望远镜物镜和望远镜目镜对滤波后的图像进行缩放；

步骤S3：所述的微波片阵列对步骤S2缩放后的图像进行偏振态调制，所述的单向偏振片将进行偏振态调制后的图像转换成二维光强分布，所述的成像透镜将所述二维光强分布耦合到所述的面阵相机，所述的面阵相机将光强数据传输至所述的计算机处理系统；

步骤S4：所述的计算机处理系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到二维图像上每个像素点的偏振态信息。

5.根据权利要求4所述的基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置的实现方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：所述的计算机处理系统采用公式                                               计算出入射光的偏振态，其中，为面阵相机采集的数据，为入射光偏振态，M为一4×4的Müller矩阵，用以描述偏振器件；

步骤S42：所述的计算机处理系统采用步骤S41的方法对整个通光面进行计算，从而获得图像整个二维面内的偏振态信息。