CN105738966A - 水面耀光抑制装置及观测相机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水面耀光抑制装置及观测相机，水面耀光抑制装置包括可切换偏振片旋转控制装置、同步调焦控制装置、同步偏振分析仪和DSP控制单元，可切换偏振片旋转控制装置中的偏振片放置在观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，同步调焦控制装置将同步偏振分析仪的当前视场调整为与观测相机相同的视场后，同步偏振分析仪对当前视场内的水面耀光进行偏振态分析，并在耀光偏振度大于预设偏振度时，将耀光偏振角输出至DSP控制单元，DSP控制单元以获得的耀光偏振角为依据，对放置在成像镜头之后的偏振片进行实时控制，使偏振片的透偏振方向与耀光线偏振方向正交，从而减小进入观测相机的水面耀光强度，对水面耀光进行抑制。

Description

水面耀光抑制装置及观测相机

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，更具体的说，涉及一种水面耀光抑制装置及观测相机。

背景技术

在进行水面目标航空观测时，由于太阳耀光的强度很高，通常比被观测的水面目标强度高出几十倍，因此，使得观测相机的成像探测器因采集到高强度水面耀光而达到饱和，导致观测相机无法对水面目标进行有效的探测和识别。

为消除或减弱太阳耀光的影响，目前广泛采用的主要有两种方法：一种方法是在探测时回避太阳耀光影响区域，一般通过选择合适的时间、设计合理的飞行路线来避开观测时太阳耀光的影响；另一种方法是在采集到的图像中，将受太阳耀光影响严重的区域剔除，使该部分区域不作为有效的图像信息。以上两种方法存在明显的不足，回避太阳耀光会减小有效观测时间和区域，剔除太阳耀光严重干扰的图像会影响对水面目标探测与识别的准确度。

综上，如何提供一种水面耀光抑制装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种水面耀光抑制装置及观测相机，以实现对水面耀光的抑制。

一种水面耀光抑制装置，包括：可切换偏振片旋转控制装置、同步调焦控制装置、同步偏振分析仪和DSP控制单元，其中，所述可切换偏振片旋转控制装置设置有偏振片，所述偏振片用于放置在观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，且能够在所述成像镜头和所述成像探测器之间自由旋转；

所述同步偏振分析仪分别与所述同步调焦控制装置、所述DSP控制单元连接，所述DSP控制单元与所述可切换偏振片旋转控制装置连接；

所述同步调焦控制装置获取所述观测相机的当前调焦信号，并根据所述当前调焦信号将所述同步偏振分析仪的当前视场调整为与所述观测相机相同的视场；

所述同步偏振分析仪获取出现在所述当前视场内的水面耀光，并将所述水面耀光转换为对应的耀光偏振度和耀光偏振角，判断所述耀光偏振度是否大于预设偏振度，如果是，则向所述DSP控制单元发送切入信号，通过所述DSP控制单元使所述可切换偏振片旋转控制装置由初始切出状态转为切入状态，并在自身预设参数设置完成后，将所述耀光偏振角输出至所述DSP控制单元；

所述DSP控制单元接收所述耀光偏振角，并获取所述可切换偏振片旋转控制装置反馈的所述偏振片的透偏方向的旋转角度，计算所述耀光偏振角与所述旋转角度的差值，判断所述差值是否大于预设差值，如果是，则向所述可切换偏振片旋转控制装置输出驱动信号，将所述偏振片的透偏振方向调整为与耀光线偏振方向正交的方向。

优选的，所述同步偏振分析仪还用于：

在判定所述耀光偏振度不大于所述预设偏振度时，将所述耀光偏振度输出至所述DSP控制单元，使所述DSP控制单元以所述耀光偏振度为触发信号，向所述可切换偏振片旋转控制装置输出偏振抑制停止信号，将所述偏振片切出成像光路。

优选的，所述DSP控制单元还用于：

在判定所述差值不大于所述预设差值时，向所述可切换偏振片旋转控制装置输出维持所述偏振片切出状态不变的控制信号。

优选的，所述将所述耀光偏振角输出至所述DSP控制单元包括：

根据所述耀光偏振角生成偏振角分布直方图；

将所述偏振角分布直方图的峰值偏振角作为偏振角参数输出至所述DSP控制单元。

优选的，所述同步偏振分析仪设置所述预设参数的过程包括：

接收上位机发送的参数设置指令；

根据所述参数设置指令包含的参数值对所述预设参数进行设置，所述参数设置指令为所述上位机在接收到所述DSP控制单元上传工作状态信息后生成。

优选的，所述可切换偏振片旋转控制装置包括：

所述偏振片；

用于固定安装所述偏振片，能够根据所述DSP控制单元输出的驱动信号，调整所述偏振片的透偏方向的旋转角度的旋转支架；

与所述旋转支架连接，用于通过控制所述旋转支架控制所述偏振片切入和切出成像光路的偏振片切换装置。

优选的，所述旋转支架包括：

与所述DSP控制单元连接，用于固定安装所述偏振片，接收所述DSP控制单元输出的所述驱动信号，并根据所述驱动信号旋转的偏振片旋转台；

分别与所述DSP控制单元、所述偏振片旋转台连接，用于获取所述偏振片旋转台的旋转角度，并将所述旋转角度输出至所述DSP控制单元的绝对式编码器。

优选的，所述DSP控制单元通过功率驱动单元与所述偏振片旋转台连接。

一种观测相机，包括上述所述的水面耀光抑制装置，所述水面耀光抑制装置中的偏振片用于放置在所述观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，且能够在所述成像镜头和所述成像探测器之间自由旋转，所述水面耀光抑制装置中同步偏振分析仪设置在所述观测相机的侧面。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种水面耀光抑制装置及观测相机，观测相机包括水面耀光抑制装置，水面耀光抑制装置包括可切换偏振片旋转控制装置、同步调焦控制装置、同步偏振分析仪和DSP控制单元，可切换偏振片旋转控制装置中的偏振片放置在观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，同步调焦控制装置将同步偏振分析仪的当前视场调整为与观测相机相同的视场后，同步偏振分析仪对当前视场内的水面耀光进行偏振态分析，并在耀光偏振度大于预设偏振度时，将耀光偏振角输出至DSP控制单元，DSP控制单元以获得的耀光偏振角为依据，对放置在成像镜头之后的偏振片进行实时控制，使偏振片的透偏振方向与耀光线偏振方向正交，从而明显减小进入观测相机的水面耀光强度，达到实时抑制水面耀光的目的，进而提高有效观测时间，扩大有效观测区域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种水面反射光几何示意图；

图2为本发明实施例公开的一种水面耀光抑制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种水面耀光抑制装置的部分控制流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在进行水面目标航空观测时，水面直接反射的太阳耀光能量很强，往往会使观测相机的成像探测器因采集到高强度水面耀光而达到饱和；另外，水面的运动使太阳反射光强度和反射指向方向变快，从而使成像探测器采集到的图像不停闪烁。水面的运动以波浪的形式呈现，相关研究表明：波浪可以认为是由具有不同斜率和倾斜方向的微面元构成，在一定的风速和风向下，微面元的斜率和倾斜方向具有一定的分布形式。另外，波浪的波长远大于光的波长，因此太阳光在水面上的反射遵循菲涅尔定理，同时各微面元上的反射可以认为是镜面反射。

水面反射光几何示意图如图1所示，入射太阳光经水面反射后形成水面反射光，结合菲涅尔定理分析可知，水面反射形成的水面耀光包含线偏振光的部分偏振光。影响水面目标观测的水面耀光的耀光偏振度和耀光偏振角主要由太阳、水面与成像探测器02三者间的几何位置关系和观测相加视场决定。在满足布儒斯特角条件时，耀光偏振度可以达到1，在偏离布儒斯特角条件时，偏振度逐渐降低。因此，采用同步偏振分析仪实时对影响观测的水面耀光进行分析，并实时控制偏振片进行抑制能有效减弱水面耀光的影响。

因此，本发明实施例公开了一种水面耀光抑制装置及观测相机，以实现对水面耀光的抑制。

参见图2，本发明实施例公开的一种水面耀光抑制装置的结构示意图，水面耀光抑制装置包括：可切换偏振片旋转控制装置11、同步调焦控制装置12、同步偏振分析仪13和DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)控制单元14；

其中，可切换偏振片旋转控制装置11设置有偏振片111，偏振片111用于放置在观测相机的成像镜头01之后，成像探测器02之前，且能够在成像镜头01和成像探测器02之间自由旋转，也就是说，观测相机的镜头后截距需满足可切换偏振片旋转控制装置11的安放需求。举例说明，可切换偏振片旋转控制装置11为(长*宽*高)150*150*80mm时，镜头后截距需大于100mm，但对成像镜头01光学设计无额外要求。另外，偏振片111可等效为一定厚度(例如2mm)的平行平板，对成像质量影响很小，因此不需要对成像镜头01额外设计消平板像差和色差的结构。

水面耀光抑制装置中各组成部件的连接关系及工作原理。具体如下：

同步偏振分析仪13分别与同步调焦控制装置12、DSP控制单元14连接，DSP控制单元14与可切换偏振片旋转控制装置11连接；

同步调焦控制装置12获取所述观测相机的当前调焦信号，并根据当前调焦信号将同步偏振分析仪13的当前视场调整为与所述观测相机相同的视场；

同步偏振分析仪13获取出现在所述当前视场内(即图2中示出的同视场观测区域)的水面耀光，并将所述水面耀光转换为对应的耀光偏振度和耀光偏振角，判断所述耀光偏振度是否大于预设偏振度，如果是，则向DSP控制单元14发送切入信号，通过DSP控制单元14使可切换偏振片旋转控制装置11由初始切出状态转为切入状态，并在自身预设参数设置完成后，将所述耀光偏振角输出至DSP控制单元14；

需要说明的是，预设偏振度的数值具体依据实际需要而定，例如0.4，本发明在此不做限定。

其中，同步偏振分析仪13采用斯托克斯矢量的方法获取耀光偏振角，同步偏振分析仪13获取耀光偏振角的过程具体如下：

同步偏振分析仪13同时获得当前视场内，水面目标在0°、45°、90°和135°四个透偏振方向的图像I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅；

首先采用公式(1)～(3)计算出水面目标的前三个斯托克斯矢量S₀、S₁和S₂：

$S_0=\frac{1}{2}(I_0+I_{45}+I_{90}+I_{135})---\left(1\right);$

S₁＝I₀-I₉₀(2)；

S₂＝I₄₅-I₁₃₅(3)；

其次，通过公式(4)求解反正切得出水面耀光的线偏振光的偏振角θ，

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{S_2}{S_1}\right)---\left(4\right);$

由于反正切计算范围是(-90°，90°]，而水面目标真实偏振角的范围为(0°～180°)，因此，还需按照公式(5)计算得到水面目标真实偏振角θ_P，

需要说明的是，同步偏振分析仪13输出至DSP控制单元14的耀光偏振角为水面目标真实偏振角θ_P。

DSP控制单元14接收所述耀光偏振角，并获取可切换偏振片旋转控制装置11反馈的偏振片111的透偏方向的旋转角度，计算所述耀光偏振角与所述旋转角度的差值，判断所述差值是否大于预设差值，如果是，则向可切换偏振片旋转控制装置11输出驱动信号，将偏振片111的透偏振方向调整为与耀光线偏振方向正交的方向。

综上可以看出，本发明提供的水面耀光抑制装置包括可切换偏振片旋转控制装置11、同步调焦控制装置12、同步偏振分析仪13和DSP控制单元14，可切换偏振片旋转控制装置11中的偏振片111放置在观测相机的成像镜头01之后，成像探测器02之前，同步调焦控制装置12将同步偏振分析仪13的当前视场调整为与观测相机相同的视场后，同步偏振分析仪13对当前视场内的水面耀光进行偏振态分析，并在耀光偏振度大于预设偏振度时，将耀光偏振角输出至DSP控制单元14，DSP控制单元14以获得的耀光偏振角为依据，对放置在成像镜头01之后的偏振片111进行实时控制，使偏振片111的透偏振方向与耀光线偏振方向正交，从而明显减小进入观测相机的水面耀光强度，达到实时抑制水面耀光的目的，进而提高有效观测时间，扩大有效观测区域。

并且，观测相机和水面耀光抑制装置可以形成一个闭环控制系统，因此，采用同步偏振分析仪13实时分析水面耀光偏振台，并使用闭环控制，可实现对偏振片111的旋转角度的实时调整，达到抑制水面耀光的目的。

其中，本发明主要抑制的是太阳光中可见光产生的水面耀光。

需要说明的是，同步偏振分析仪13的工作模式有两种：一种是对整个视场区域内的耀光偏振角进行全局分析，并输出偏振角参数(即输出至DSP控制单元14的耀光偏振角)；另一种是根据观测任务需求选取重点分析区域，对选定局部视场区域内的耀光偏振角进行分析，并输出偏振角参数。

为进一个优化上述实施例，同步偏振分析仪13还用于：

在判定所述耀光偏振度不大于所述预设偏振度时，将所述耀光偏振度输出至DSP控制单元14，使DSP控制单元14以所述耀光偏振度为触发信号，向可切换偏振片旋转控制装置11输出偏振抑制停止信号，将偏振片111的透偏振方向调整为与耀光线偏振方向平行的方向，切出成像光路。

可以理解的是，当耀光偏振度不大于预设偏振度时，偏振抑制水面耀光效果不明显，此时，控制偏振片111切出成像光路，不采用偏振抑制。

为进一个优化上述实施例，DSP控制单元14还用于：

在判定所述差值不大于所述预设差值时，向可切换偏振片旋转控制装置11输出维持偏振片111切出状态不变的控制信号。

其中，上述实施例中，同步偏振分析仪13将所述耀光偏振角输出至DSP控制单元14的过程包括：

同步偏振分析仪13根据所述耀光偏振角生成偏振角分布直方图；

本领域技术人员可以理解的是，同步偏振分析仪13在同一时刻会接收到出现在不同视场处的水面耀光，出现在不同视场的水面耀光的耀光偏振角并不相同，将同一时刻同步偏振分析仪13的各视场获取的耀光偏振角进行统计分析，即可得到偏振角分布直方图。

将所述偏振角分布直方图的峰值偏振角作为偏振角参数输出至DSP控制单元14。

其中，同步偏振分析仪13设置预设参数的过程包括：

同步偏振分析仪13接收上位机发送的参数设置指令；

根据所述参数设置指令包含的参数值对所述预设参数进行设置，所述参数设置指令为上位机在接收到DSP控制单元14上传工作状态信息后生成。

其中，参数值中包括：曝光时间、耀光抑制模式(部分区域抑制模式和全局抑制模式)、数据提取区域等。

为进一步优化上述实施例，参见图2，可切换偏振片旋转控制装置11包括：

偏振片111；

用于固定安装偏振片111，能够根据DSP控制单元14输出的驱动信号，调整偏振片111的透偏方向的旋转角度的旋转支架112；

与旋转支架112连接，用于通过控制旋转支架112控制偏振片111切入和切出成像光路的偏振片切换装置113。

为进一步优化上述实施例，旋转支架112包括：偏振片旋转台1121和绝对式编码器1122，具体参见图3，本发明实施例提供的一种水面耀光抑制装置的部分控制流程框图，具体的：

偏振片旋转台1121与DSP控制单元14连接，用于固定安装偏振片111，接收DSP控制单元14输出的驱动信号，并根据该驱动信号旋转；

绝对式编码器1122分别与DSP控制单元14、偏振片旋转台1121连接，用于获取偏振片旋转台1121的旋转角度，并将所述旋转角度输出至DSP控制单元14。

需要说明的是，DSP控制单元14通过功率驱动单元21与偏振片旋转台1121连接。

工作原理为：

DSP控制单元14接收同步偏振分析仪13输出的耀光偏振角，并获取绝对式编码器1122反馈的偏振片111的透偏方向的旋转角度，计算所述耀光偏振角与所述旋转角度的差值，判断所述差值是否大于预设差值，如果是，则通过功率驱动单元21向偏振片旋转台1121输出驱动信号，以通过偏振片旋转台1121将偏振片111的透偏振方向调整为与耀光线偏振方向正交的方向。

需要说明的是，同步偏振分析仪13和DSP控制单元14均与上位机22连接，DSP控制单元14内设置有控制器141。

与上述实施例向对应，本发明还提供了一种观测相机。

观测相机包括上述的水面耀光抑制装置，所述水面耀光抑制装置中的偏振片111用于放置在观测相机的成像镜头01之后，成像探测器02之前，且能够在成像镜头01和成像探测器02之间自由旋转，所述水面耀光抑制装置中同步偏振分析仪13设置在观测相机的侧面。

其中，同步偏振分析仪13与观测相机同视场，根据采用的同步偏振分析仪13的相关参数，以及水面耀光成像特点设计同步偏振分析仪13的成像镜头，同时变焦机构采用与观测相机变焦同步控制。

需要说明的是，观测相机的进行偏振抑制的工作原理请参见对应的水面耀光抑制装置，此处不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种水面耀光抑制装置，其特征在于，包括：可切换偏振片旋转控制装置、同步调焦控制装置、同步偏振分析仪和DSP控制单元，其中，所述可切换偏振片旋转控制装置设置有偏振片，所述偏振片用于放置在观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，且能够在所述成像镜头和所述成像探测器之间自由旋转；

所述同步偏振分析仪分别与所述同步调焦控制装置、所述DSP控制单元连接，所述DSP控制单元与所述可切换偏振片旋转控制装置连接；

所述同步调焦控制装置获取所述观测相机的当前调焦信号，并根据所述当前调焦信号将所述同步偏振分析仪的当前视场调整为与所述观测相机相同的视场；

所述同步偏振分析仪获取出现在所述当前视场内的水面耀光，并将所述水面耀光转换为对应的耀光偏振度和耀光偏振角，判断所述耀光偏振度是否大于预设偏振度，如果是，则向所述DSP控制单元发送切入信号，通过所述DSP控制单元使所述可切换偏振片旋转控制装置由初始切出状态转为切入状态，并在自身预设参数设置完成后，将所述耀光偏振角输出至所述DSP控制单元；

所述DSP控制单元接收所述耀光偏振角，并获取所述可切换偏振片旋转控制装置反馈的所述偏振片的透偏方向的旋转角度，计算所述耀光偏振角与所述旋转角度的差值，判断所述差值是否大于预设差值，如果是，则向所述可切换偏振片旋转控制装置输出驱动信号，将所述偏振片的透偏振方向调整为与耀光线偏振方向正交的方向。

2.根据权利要求1所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述同步偏振分析仪还用于：

在判定所述耀光偏振度不大于所述预设偏振度时，将所述耀光偏振度输出至所述DSP控制单元，使所述DSP控制单元以所述耀光偏振度为触发信号，向所述可切换偏振片旋转控制装置输出偏振抑制停止信号，将所述偏振片切出成像光路。

3.根据权利要求1所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述DSP控制单元还用于：

在判定所述差值不大于所述预设差值时，向所述可切换偏振片旋转控制装置输出维持所述偏振片切出状态不变的控制信号。

4.根据权利要求1所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述将所述耀光偏振角输出至所述DSP控制单元包括：

根据所述耀光偏振角生成偏振角分布直方图；

将所述偏振角分布直方图的峰值偏振角作为偏振角参数输出至所述DSP控制单元。

5.根据权利要求1所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述同步偏振分析仪设置所述预设参数的过程包括：

接收上位机发送的参数设置指令；

根据所述参数设置指令包含的参数值对所述预设参数进行设置，所述参数设置指令为所述上位机在接收到所述DSP控制单元上传工作状态信息后生成。

6.根据权利要求1所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述可切换偏振片旋转控制装置包括：

所述偏振片；

用于固定安装所述偏振片，能够根据所述DSP控制单元输出的驱动信号，调整所述偏振片的透偏方向的旋转角度的旋转支架；

与所述旋转支架连接，用于通过控制所述旋转支架控制所述偏振片切入和切出成像光路的偏振片切换装置。

7.根据权利要求6所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述旋转支架包括：

与所述DSP控制单元连接，用于固定安装所述偏振片，接收所述DSP控制单元输出的所述驱动信号，并根据所述驱动信号旋转的偏振片旋转台；

分别与所述DSP控制单元、所述偏振片旋转台连接，用于获取所述偏振片旋转台的旋转角度，并将所述旋转角度输出至所述DSP控制单元的绝对式编码器。

8.根据权利要求7所述的水面耀光抑制装置，其特征在于，所述DSP控制单元通过功率驱动单元与所述偏振片旋转台连接。

9.一种观测相机，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的水面耀光抑制装置，所述水面耀光抑制装置中的偏振片用于放置在所述观测相机的成像镜头之后，成像探测器之前，且能够在所述成像镜头和所述成像探测器之间自由旋转，所述水面耀光抑制装置中同步偏振分析仪设置在所述观测相机的侧面。