CN105300523B - 一种光场偏振成像系统的偏振定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场偏振成像系统的偏振定标方法，包括步骤一：由已知入射辐射确定偏振通道响应表达形式；步骤二：确定每个微透镜下偏振通道在探测器上的响应区域；步骤三：定标数据采集；步骤四：拟合定标系数。本发明提出的偏振定标方法能够确定各偏振通道对响应区域像元的影响系数，能够为光场偏振成像系统准确获取偏振图像。根据本发明的光场偏振成像系统的偏振定标方法，通过建立模型和非线性最小二乘拟合法较准确的计算出通道响应与像元响应的映射关系，然后利用超定方程求解通道响应，能有效对通道响应混叠现象进行解混，消除了直接提取像元响应作为通道响应引入的误差，提取的通道图像更加准确。

Description

一种光场偏振成像系统的偏振定标方法

技术领域

本发明涉及遥感成像仪定标数据处理技术领域，具体涉及一种光场偏振成像系统的偏振定标方法。

背景技术

偏振成像通过获取目标不同偏振分量的强度图(偏振图像)，再利用数据约简矩阵得到目标Stokes矢量图，进而得到目标偏振角和偏振度等信息。根据偏振图像获取方式不同，偏振成像一般可分为时序型、空域型和干涉型。时序型偏振成像采用分时改变元件的偏振特性获得偏振图像；空域型偏振成像采用分束器将系统分为多个子系统，每个子系统分别获取偏振图像；干涉型偏振成像采用分束器将光路调制为有偏振信息的多路，在探测器上得到不同偏振分量的干涉强度图，利用傅里叶变换计算偏振分量或其线性组合的频谱图，再进行傅里叶逆变换获取目标的偏振图像。

基于光场成像技术的光场偏振成像系统是通过在光场成像仪瞳面处放置不同偏振态组合而成的滤波阵列，实现获取景物目标空间信息的同时获取其不同偏振态图像，是一种快照式偏振成像。光场偏振成像系统需提取目标景物通过微透镜阵列的各偏振通道响应分量以获取偏振图像。在获取偏振图像过程中，由于结构误差、光学衍射以及微透镜阵列非一致性等因素影响了各偏振通道的像元响应，使像元响应不再是某单一偏振通道的响应，而是多个通道响应的叠加。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种光场偏振成像系统的偏振定标方法。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种光场偏振成像系统的偏振定标方法，包括以下步骤：S1：由已知入射辐射确定偏振通道响应表达形式，进一步包括：S11：根据定标光路确定偏振通道响应表达一般形式；S12：根据定标的光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式，其中，所述光场偏振成像系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵列，所述主镜上设置有偏振滤波阵列，所述光源发出的光线经过所述主镜上的偏振滤波阵列时，在每个子孔径处分别得到不同的偏振滤光，再经所述微透镜阵列成像后被所述探测器阵列的相应的像元接收；S2：确定所述微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在所述探测器阵列上的响应区域；S3：采集所述定标光路中各偏振通道对响应区域像元的影响系数的原始数据；以及S4：拟合定标系数，进一步包括：S41：确定通道响应与像元响应的关系；S42：根据响应与像元响应的关系拟合定标系数。

根据本发明实施例的一种光场偏振成像系统的偏振定标方法，通过建立模型和非线性最小二乘拟合法较准确的计算出通道响应与像元响应的映射关系，然后利用超定方程求解通道响应，能有效对通道响应混叠现象进行解混，消除了直接提取像元响应作为通道响应引入的误差，提取的通道图像更加准确。

另外，根据本发明上述实施例的一种光场偏振成像系统的偏振定标方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述步骤S11进一步包括：S111：由全色积分球、线性起偏器和所述光场偏振成像系统组成所述定标光路；S112：所述全色积分球出射光为均匀非偏振光，经过所述线性起偏器和所述光场偏振成像系统后，各偏振通道响应不失一般性表示为：

其中，A为响应幅值；ω为响应角频率，与响应周期有关；φ为初始相位，与偏振滤波阵列上偏振片透光轴角度有关；c为响应偏移量；θ为线性起偏器透光轴角度；所述步骤S12进一步包括：S121：偏振通道响应随所述线性起偏器透光轴角度θ变化的周期为π，则：

2π/ω＝π,ω＝2；

S122：所述偏振滤波阵列由三片不同起偏方向的线性偏振片横向排列而成，确定所述三个偏振片透光轴的相对角度；S123：设定所述三个偏振片的起偏特性、透过率完全一致；S124：所述三个偏振通道响应表达形式分别为：

进一步地，所述步骤S2进一步包括：S21：所述微透镜阵列中每个微透镜后偏振成像区域在所述探测器阵列上覆盖预设数量的像元；S22：定标实验时，转动所述线性起偏器，观察所述预设数量的像元响应随线性起偏器角度变化的方差，计算得出两侧边缘像元响应随角度变化的方差的灰度，确定每个微透镜下偏振通道在所述特测器探测器上的响应区域。

进一步地，所述步骤S3进一步包括：S31：稳定所述积分球的输出，转动所述线性起偏器一周，同时采集所述光场偏振成像系统的响应图像；S32：采集暗电流，将采集的所述响应图像去除暗电流后作为定标的原始数据。

进一步地，所述步骤S41进一步包括：S411：所述光场偏振成像系统在实际成像中，单个像元的响应表示为：

I_i＝k_i,1·I_p1+k_i,2·I_p2+k_i,3·I_p3，

单个微透镜下偏振响应区域的响应表示为：

I＝K·I_p，

其中，I为单个微透镜下像元响应，I_p为单个微透镜下通道响应，K为单个微透镜下三个偏振通道对响应区域像元的影响系数，即所述定标系数；所述步骤S42进一步包括：S421：利用非线性最小二乘法拟合定标系数K中未知参数k_i,j、偏振通道响应I_p中响应幅值A、偏移量c和初始相位φ₁,φ₂,φ₃；S422：以步长Δθ＝1°转动线性起偏器一周，获得360组像元响应，分别记作I(mΔθ)(m＝1,2,…360)，以I(mΔθ)为拟合目标，以下式为拟合标准，拟合得到单个微透镜下定标系数K：

其中，为拟合的像元响应，I(mΔθ)为数据采集得到的像元响应。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的光场偏振成像系统的偏振定标方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的光场偏振成像系统的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的定标光路的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的测量偏振滤波阵列上偏振片透光轴相对角度的示意图；

图5是本发明一个实施例的单个微透镜后像元示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的一种光场偏振成像系统的偏振定标方法。

请参考图1，本发明实施例的光场偏振成像系统的偏振定标方法，包括以下步骤：

S1：设计定标光路，由已知入射辐射确定偏振通道响应表达形式。步骤S1进一步包括：

S11：根据定标光路确定偏振通道响应表达一般形式。

在本发明的一个实施例中，步骤S11进一步包括：

S111：由全色积分球、线性起偏器和所述光场偏振成像系统组成定标光路。

具体地，请参考图3，本发明实施例的定标光路由全色积分球、线性起偏器和光场偏振成像系统组成。

S112：所述全色积分球出射光为均匀非偏振光，经过所述线性起偏器和所述光场偏振成像系统后，根据马吕斯定律，已知入射辐射进入光场偏振成像系统后，各偏振通道响应不失一般性可以表示为：

其中，A为响应幅值；ω为响应角频率，与响应周期有关；φ为初始相位，与偏振滤波阵列上偏振片透光轴角度有关；c为响应偏移量；θ为线性起偏器透光轴角度。

S12：根据定标的光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式。请参考图2，光场偏振成像系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵列。主镜上设置有偏振滤波阵列，光源发出的光线经过主镜上的偏振滤波阵列时，在每个子孔径处分别得到不同的偏振滤光，再经所述微透镜阵列成像后被探测器阵列的相应的像元接收。

在本发明的一个实施例中，步骤S12进一步包括：

S121：振通道响应随线性起偏器透光轴角度θ变化的周期为π，则：

2π/ω＝π,ω＝2； (2)

S122：偏振滤波阵列由三片不同起偏方向的线性偏振片横向排列而成，确定三个偏振片透光轴的相对角度。

具体地，偏振滤波阵列由3片不同起偏方向的线性偏振片横向排列而成，偏振片透光轴角度未知，可利用马吕斯定律确定3个偏振片透光轴的相对角度，如图4所示。其测量原理是：转动线性起偏器产生不同偏振方向的偏振光，经偏振滤波阵列上某偏振片后记录辐射响应，拟合辐射响应随线性起偏器角度变化的曲线，重复3次，比较曲线取最值时对应的角度即可得透光轴间的相对角度，从而确定3个偏振通道响应中初始相位φ相互间的关系。经过计算得出偏振片1和2透光轴相对角度为0.7535rad，偏振片2和3透光轴相对角度为0.7798rad，则：

S123：设定所述三个偏振片的起偏特性、透过率完全一致，即：

综上所述，3个偏振通道响应表达形式为：

S2：确定微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在探测器阵列上的响应区域。

在本发明的一个实施例中，步骤S2进一步包括：

S21：微透镜阵列中每个微透镜后偏振成像区域在探测器阵列上覆盖预设数量的像元。

具体地，光场偏振成像系统设计时，每个微透镜后偏振成像区域在探测器上覆盖2×10像元。

S22：定标实验时，转动线性起偏器，观察预设数量的像元响应随线性起偏器角度变化的方差，计算得出两侧边缘像元响应随角度变化的方差的灰度，确定每个微透镜下偏振通道在特测器探测器上的响应区域。

具体地，如图5所示，定标实验时，以步长1°转动线性起偏器，观察每个微透镜下2×10像元响应随线性起偏器角度变化的方差。经过计算得出两侧边缘2×1像元响应随角度变化的方差小于3个灰度，说明只有极少的偏振信息辐射到边缘2×1像元上，因此确定每个微透镜下偏振通道在探测器上的响应区域为中间2×8像元，如图5阴影区域所示。

S3：采集所述定标光路中各偏振通道对响应区域像元的影响系数的原始数据。

在本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括：

S31：稳定所述积分球的输出，转动线性起偏器一周，同时采集光场偏振成像系统的响应图像。

具体地，根据定标光路搭建定标装置，进行定标实验。实验时，稳定积分球的输出，以步长Δθ＝1°转动线性起偏器一周，获得360组不同起偏方向的线性偏振光入射到光场偏振成像系统中，同时采集360组光场偏振成像系统的响应图像。

S32：采集暗电流，将采集的所述响应图像去除暗电流后作为定标的原始数据。

具体地，采集无输入时，光场偏振成像系统的响应图像，作为系统的暗电流。将获取的360组响应图像分别去除暗电流后，作为定标各偏振通道对响应区域像元的影响系数K的原始数据。

S4：拟合定标系数，进一步包括：

S41：确定通道响应与像元响应的关系，在本发明的一个实施例中，步骤S41进一步包括：

S411：光场偏振成像系统在实际成像中，像点对应的像元响应不再是单一偏振通道的响应，而是多个通道响应的叠加，也即单个像元的响应表示为：

I_i＝k_i,1·I_p1+k_i,2·I_p2+k_i,3·I_p3 (6)

单个微透镜下偏振响应区域2×8个像元的响应表示为：

I＝K·I_p (7)

展开表示为：

其中，I_i(i＝1,2,…,16)为第i像元的响应，I_pj(j＝1,2,3)为j通道的响应，k_i,j(i＝1,2,…,16；j＝1,2,3)为j通道对第i像元响应的影响系数，I为单个微透镜下像元响应，I_p为单个微透镜下通道响应，K为单个微透镜下3个偏振通道对响应区域像元的影响系数，称为定标系数。

S412：根据能量守恒定律，定标系数应满足：

k_1,j+k_2,j+…+k_16,j＝1(j＝1,2,3) (9)

S42：根据响应与像元响应的关系拟合定标系数。在本发明的一个实施例中，步骤S42进一步包括：

S421：利用非线性最小二乘法拟合定标系数K中未知参数k_i,j、偏振通道响应I_p中响应幅值A、偏移量c和初始相位φ₁,φ₂,φ₃。

具体地，根据公式(7)利用非线性最小二乘法拟合定标系数K，被拟合的参数有：定标系数K中48个未知参数k_i,j(i＝1,2,…,16；j＝1,2,3)，偏振通道响应I_p中响应幅值A、偏移量c和初始相位φ₁,φ₂,φ₃。

偏振通道响应I_p中自变量为线性起偏器透光轴角度θ，因此公式(7)改写为：

S422：以步长Δθ＝1°转动线性起偏器一周，获得360组像元响应，分别记作I(mΔθ)(m＝1,2,…360)。以I(mΔθ)为拟合目标，以拟合函数式(11)为拟合标准，拟合式(10)中的所有未知参数，从而获得单个微透镜下定标系数K。

其中，为拟合的像元响应，I(mΔθ)为数据采集得到的像元响应。

另外，本发明实施例的一种光场偏振成像系统的偏振定标方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种光场偏振成像系统的偏振定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：由已知入射辐射确定偏振通道响应表达形式，进一步包括：

S11：根据定标光路确定偏振通道响应表达一般形式；

S12：根据定标的光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式，其中，所述光场偏振成像系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵列，所述主镜上设置有偏振滤波阵列，所述光源发出的光线经过所述主镜上的偏振滤波阵列时，在每个子孔径处分别得到不同的偏振滤光，再经所述微透镜阵列成像后被所述探测器阵列的相应的像元接收；

S2：确定所述微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在所述探测器阵列上的响应区域；

S3：采集所述定标光路中各偏振通道对响应区域像元的影响系数的原始数据；以及

S4：拟合定标系数，进一步包括：

S41：确定通道响应与像元响应的关系；

S42：根据所述通道响应与像元响应的关系拟合定标系数。

2.根据权利要求1所述的光场偏振成像系统的偏振定标方法，其特征在于，所述步骤S11进一步包括：

S111：由全色积分球、线性起偏器和所述光场偏振成像系统组成所述定标光路；

S112：所述全色积分球出射光为均匀非偏振光，经过所述线性起偏器和所述光场偏振成像系统后，各偏振通道响应不失一般性表示为：

其中，A为响应幅值；ω为响应角频率，与响应周期有关；φ为初始相位，与偏振滤波阵列上偏振片透光轴角度有关；c为响应偏移量；θ为线性起偏器透光轴角度；

所述步骤S12进一步包括：

S121：偏振通道响应随所述线性起偏器透光轴角度θ变化的周期为π，则：

2π/ω＝π,ω＝2；

S122：所述偏振滤波阵列由三片不同起偏方向的线性偏振片横向排列而成，确定所述三个偏振片透光轴的相对角度；

S123：设定所述三个偏振片的起偏特性、透过率完全一致；

S124：所述三个偏振通道响应表达形式分别为：

3.根据权利要求2所述的光场偏振成像系统的偏振定标方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21：所述微透镜阵列中每个微透镜后偏振成像区域在所述探测器阵列上覆盖预设数量的像元；

S22：定标实验时，转动所述线性起偏器，观察所述预设数量的像元响应随线性起偏器角度变化的方差，计算得出两侧边缘像元响应随角度变化的方差的灰度，确定每个微透镜下偏振通道在所述探测器上的响应区域。

4.根据权利要求3所述的光场偏振成像系统的偏振定标方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31：稳定所述积分球的输出，转动所述线性起偏器一周，同时所述采集光场偏振成像系统的响应图像；

S32：采集暗电流，将采集的所述响应图像去除暗电流后作为定标的原始数据。

5.根据权利要求4所述的光场偏振成像系统的偏振定标方法，其特征在于，所述步骤S41进一步包括：

S411：所述光场偏振成像系统在实际成像中，单个像元的响应表示为：

I_i＝k_i,1·I_p1+k_i,2·I_p2+k_i,3·I_p3，

单个微透镜下偏振响应区域的响应表示为：

I＝K·I_p，

其中，I为单个微透镜下像元响应，I_p为单个微透镜下通道响应，K为单个微透镜下三个偏振通道对响应区域像元的影响系数，即所述定标系数；

所述步骤S42进一步包括：

S421：利用非线性最小二乘法拟合定标系数K中未知参数k_i,j、偏振通道响应I_p中响应幅值A、偏移量c和初始相位φ₁,φ₂,φ₃；

S422：以步长Δθ＝1°转动线性起偏器一周，获得360组像元响应，分别记作I(mΔθ)(m＝1,2,…360)，以I(mΔθ)为拟合目标，以下式为拟合标准，拟合得到单个微透镜下定标系数K：

${\mathrm{\χ}}^2=min\left\{\underset{m=1}{\overset{360}{\Σ}}{\[\tilde{I}\left(m\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)-I\left(m\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)\]}^2\right\},$

其中，为拟合的像元响应，I(mΔθ)为数据采集得到的像元响应。