CN105784114A

CN105784114A - 一种机载偏振多光谱遥感成像仪、成像方法及确定地面摇杆目标的方法

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Publication number: CN105784114A
Application number: CN201610264201.1A
Authority: CN
Inventors: 陆泽橼; 吴乐南; 张煜东; 戚晨皓
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: CN105784114B

Abstract

本发明涉及一种机载偏振多光谱遥感成像仪、成像方法及确定地面遥感目标的方法，成像仪包括结构光发射模块、遥感光线偏振状态选择模块以及图像获取模块；结构光发射模块包括线结构光源以及推扫部分；遥感光线偏振状态选择模块包括光偏振预先处理部分、接收光偏振部分和条带式多光谱部分，接收光偏振部分用于回波光的偏振选择，条带式多光谱部分由多个滤光波段不同的滤光片组成用于过滤不同波段的回波光；图像获取模块用于获取经所述条带式多光谱部分过滤后的回波光。本发明通过条带式多光谱滤镜这种简便结构，可以获取视野内每个像素点的多光谱信息。简便结构适合于小型无人机机载测量。

Description

一种机载偏振多光谱遥感成像仪、成像方法及确定地面摇杆目标的方法

技术领域

本发明涉及一种基于条带滤光片的机载偏振多光谱遥感成像仪，涉及到基于多光谱和偏振图像信号获取的信息遥感领域。

背景技术

在航空信息遥感领域，光谱和偏振检测把信息量从光强度空间分布拓展成为更高维度，包括光强、光谱、空间、偏振方向角和偏振度等信息。能够提高目标探测和地物识别的准确度，传统的彩色成像设备，实用三色RGB的滤光片，实际航空遥感目标识别中需要更多及更窄带的滤光片，这些遥感已经在国土测绘和军事等方面得到应用，诸如植被状态感知、非侵入生物成像。但现有仪器普遍存在结构复杂，真正得到实际利用的光谱滤光部分远远少于实际仪器提供的，结构复杂导致重量增加，不利于轻型旋翼无人飞机携载。另一方面偏振光发射需要多样化，同时对偏振反射光的选择也需要多样化，以便得到精确的目标识别效果。

发明内容

为了克服现有信息遥感系统技术的不足，而提供一种解决现有信息遥感技术存在的繁冗复杂问题的机载偏振多光谱遥感成像仪及成像方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种机载偏振多光谱遥感成像仪，其特征在于：包括结构光发射模块、遥感光线偏振状态选择模块以及图像获取模块；所述结构光发射模块包括线结构光源以及推扫部分，所述推扫部分用于在整个视野内对经所述线结构光源发出的结构光进行导向扫描；所述遥感光线偏振状态选择模块包括光偏振预先处理部分、接收光偏振部分和条带式多光谱部分，所述接收光偏振部分用于回波光的偏振选择，所述条带式多光谱部分由多个滤光波段不同的滤光片组成用于过滤不同波段的回波光；所述图像获取模块用于获取经所述条带式多光谱部分过滤后的回波光；所述推扫部分的扫描方向与线结构光源的结构光垂直向。

所述入射光偏振预处理模块包括用于在所述结构光一次视野扫描过程中保持偏振状态不变的液晶玻片，所述液晶玻片在不同批次视野扫描采取不同偏振态。

所述图像处理模块包括第一机载相机和第二机载相机。

所述推扫部分的导向扫描方向是从左至右或从右至左。

一种基于所述机载偏振多光谱遥感成像仪的成像方法，工作在主动模式下，步骤是：

步骤一：线结构光源发射结构光，结构光穿过光偏振预先处理部分，然后从左至右或从右至左，结构光在推扫机构的导向下扫描整个视野，在结构光一次视野扫描过程中保持偏振状态不变，不同批次视野扫描采取不同偏振态；

步骤二：结构光在机载遥感目标处反射，反射光返回到接收光偏振镜部分，接收光偏振镜进行回波光的偏振选择；

步骤三：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱部分的滤光片，多个滤光片一起构成整个机载相机的视场，彼此滤光波段不同，在视场的不同条带部位滤光后波段不同；

步骤四：偏振滤光选择后的光进入图像获取模块获得多光谱图像并输出。

所述图像获取模块包括机载相机，机载相机信号在采集卡中处理，给出一定时滞后的多光谱图像输出。

一种基于所述机载偏振多光谱遥感成像仪的成像方法，工作在被动模式下，步骤是：

步骤一：借助日光对机载遥感目标照射，反射光返回到接收光偏振镜部分，接收光偏振部分进行回波光的偏振选择；

步骤二：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱部分的滤光片，多个滤光片一起占据视场，彼此滤光波段不同，在视场的不同条带部位滤光后波段不同；

步骤三：偏振滤光选择后的光进入图像获取模块获得多光谱图像并输出。

通过选择成像获取光线的偏振状态和波段，可增强目标遥感识别能力。机载偏振多光谱遥感成像仪线结构光扫描方向与线结构光垂直，与条带式多光谱模块方向基本平行，条带式多光谱模块方向基本平行于飞机前行方向。

机载偏振多光谱遥感成像仪考虑到飞行器振动和杆臂效应，每帧实际计入遥感图像信息的只是滤光片面积的一部分。边角余量是为了飞行器振动引起的偏转而预留的。

机载偏振多光谱遥感成像仪主动宽带线结构光源安装位置就在机载相机附近，确保入射方向与出射方向小于8°，避免由此引起的偏振效应。

偏振多光谱遥感成像仪飞行器载体的前向速度为v，机载相机视野对应地面宽度为W_v，宽带线结构光对应地面照射宽度为W_t，机载相机帧率为F，飞行器高度为h，为了达到主动结构光扫描成像的效果，要求满足

机载偏振多光谱遥感成像仪接收回波光部分，除了前置偏振片和条带光谱滤光片组的相机获取遥感图像之外，还有直接获取目标回波没有前置处理装置的相机，两者图像差异信息能够反映更多目标信息。

一种基于机载偏振多光谱遥感成像仪确定地面遥感目标的方法，任意光波状态都可用包含四个分量的stokes矢量来表示：

\{\begin{matrix} I = < {| E_{x} |}^{2} > + < {| E_{y} |}^{2} > \\ Q = < {| E_{x} |}^{2} > - < {| E_{y} |}^{2} > \\ U = < 2 E_{x} E_{y} \cos δ > \\ V = < 2 E_{x} E_{y} \sin δ > \end{matrix}

其中I是总光强，Q是水平和垂直方向线偏振分量差，U表示45°和135°方向线偏振分量差值，V是右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量差值。

实际航空遥测中，反射光主要为线偏振光，圆偏振光分量可忽略不计。

S_{i} = [\begin{matrix} I \\ Q \\ U \\ V \end{matrix}]

偏振片转过角度时的Mueller矩阵表示为

\begin{matrix} P_{α} = T (α) P T (- α) \\ = \frac{1}{2} [\begin{matrix} 1 & c o s 2 α & \sin 2 α & 0 \\ \cos 2 α & \cos^{2} 2 α & c o s 2 α \sin 2 α & 0 \\ \sin 2 α & c o s 2 α \sin 2 α & \sin^{2} 2 α & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \end{matrix}

旋转到这个角度偏振片出射光波的stokes矢量表示如下

\begin{matrix} S_{c} = [P_{α}] [S_{i}] \\ = [\begin{matrix} I (α) \\ Q (α) \\ U (α) \\ V (α) \end{matrix}] \end{matrix}

I (α) = \frac{1}{2}, (I + Q c o s 2 α + U \sin 2 α)

采用旋转三个偏振检测角度的方法得到stokes参数I、Q、U。

被测光波的线偏振度P和偏振方向角θ为

P = \frac{\sqrt{Q^{2} + U^{2}}}{I}, (0 \leq P \leq 1)

θ = \frac{1}{2} \arctan \frac{U}{Q}, (- \frac{π}{2} < θ < \frac{π}{2})

根据上述公式求得多角度多波段偏振度来表征地面遥感目标。

地面目标反射光一部分到达含偏振片的相机，另外一部分反射光到达无偏振片的相机。由于地面目标反射光中圆偏振光部分很少，可忽略不计，其中含偏振片相机偏振片方向为α角，两相机获取图像之差偏振方向为α+90°角。

发明优点：

在一次图像获取中，通过第一机载相机和第二机载相机信息，获得两个偏振方向上遥感目标图像信息。通过三个不同角度偏振信息，结合Mueller矩阵反演出每个像素点的stokes分量。这种结构适用于机载遥感，一次两个垂直方向的偏振信息使得解算更为鲁棒。

随着飞行器的行进，通过条带式多光谱滤镜这种简便结构，可以获取视野内每个像素点的多光谱信息。简便结构适合于小型无人机机载测量。

主动宽带线结构光源通过前置偏振滤镜，实现发射光的预处理，有利于遥感图像表示。

本发明明确了前行速度、高度、机载相机帧率等变量间的函数关系，并给出了发射光与接收光角度方向间夹角要求。

附图说明

图1是机载偏振多光谱遥感成像仪结构示意图；

图2是主动模式下的工作流程示意图；

图3是被动模式下的工作流程示意图；

图4是探测全流程诸元相互作用示意图；

首先主动发射宽带结构光，在推扫机构作用，经过液晶偏振片后扫描覆盖视野内目标，地面目标反射，一部分经过偏振片和条带滤光片组后达到第一机载相机,另外一部分直接到达第二机载相机。由于地面目标反射光中间圆偏振光可忽略不计，其中第一机载相机的偏振片方向为α角，两机载相机获取图像之差偏振方向为α+90°角。

图5是摄像视野中的主动探测结构光和条带多光谱滤光组合示意图；

1----扫描宽带线结构光；2,3,4,5----四个不同波长的条带滤光片；6----机载相机视野。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1所示，本发明一种机载偏振多光谱遥感成像仪，包括结构光发射模块、遥感光线偏振状态选择模块以及图像获取模块。其中，结构光发射模块包括线结构光源以及推扫部分，推扫部分用于在整个视野内对经线结构光源发出的结构光进行导向扫描，推扫部分包括一套用于导向的推扫机构，推扫部分的导向扫描方向是从左至右或从右至左；遥感光线偏振状态选择模块包括光偏振预先处理部分、接收光偏振部分和条带式多光谱部分，接收光偏振部分用于回波光的偏振选择，条带式多光谱部分由多个滤光波段不同的滤光片组成用于过滤不同波段的回波光；图像获取模块用于获取经条带式多光谱部分过滤后的回波光；推扫部分的扫描方向与线结构光源的结构光垂直向。图像处理模块包括第一机载相机和第二机载相机。入射光偏振预处理模块包括用于在结构光一次视野扫描过程中保持偏振状态不变的液晶玻片，液晶玻片在不同批次视野扫描采取不同偏振态。

机载偏振多光谱遥感成像仪工作模式包括主动模式和被动模式。

其中主动模式下的工作如图2所示，步骤是：

步骤一：宽带线结构光发射，发射光穿过液晶偏振预先处理模块，然后从左至右或从右至左，结构光在推扫机构的导向下扫描整个视野，在一次结构光视野扫描过程中保持偏振角度等状态不变，不同批次视野扫描采取不同偏振态。

步骤二：发射光在机载遥感目标处反射，反射光返回到接收光偏振镜模块，接收光偏振镜模块也含前置液晶偏振模块，进行回波光的偏振选择。

步骤三：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱滤光片，多个滤光片一起占据视场，彼此滤光波段不同，导致在视场的不同条带部位滤光后波段不同。

步骤四：偏振滤光选择后的光进入机载相机，机载相机信号在采集卡中处理，直接给出一定时滞后的多光谱图像输出。

被动模式下的工作如图3所示，步骤如下：

步骤一：借助日光在机载遥感目标处照射，反射光返回到接收光偏振模块，接收光偏振模块也是液晶偏振模块，进行回波光的偏振选择。

步骤二：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱滤光片，多个滤光片一起构成视场，彼此滤光波段不同，导致在视场的不同条带部位滤光后波段不同。

步骤三：偏振滤光选择后的光进入机载相机，机载相机信号在采集卡中处理，直接给出一定时滞后的多光谱图像输出。

通过选择成像获取光线的偏振状态和波段，可增强目标遥感识别能力。机载偏振多光谱遥感成像仪主要包括结构光发射、遥感光线偏振状态选择和波段选择和图像获取模块三个部分组成。

机载偏振多光谱遥感成像仪发射部分主要由宽频段线结构光源、推扫部分组成。遥感光线偏振状态选择和波段选择部分包括发射光偏振预先处理、接收光偏振模块、条带式多光谱模块。图像获取模块包括第一机载相机和第二机载相机组成。

如图5所示，1表示的是扫描宽带线结构光形状，在推扫机构作用下扫描覆盖视野内目标；2,3,4,5代表了几个不同波长的条带滤光片的形状，目标每个像素都要经过这组不同波长的条带滤光片，表示的是多个滤光片彼此独立组合起来共同充满视野；6代表摄像头视野形状。宽带线结构光与条带滤光片相互垂直，宽带线结构光扫描方向与条带滤光片长度方向一致。

任意光波状态都可用包含四个分量的stokes矢量来表示：

\{\begin{matrix} I = < {| E_{x} |}^{2} > + < {| E_{y} |}^{2} > \\ Q = < {| E_{x} |}^{2} > - < {| E_{y} |}^{2} > \\ U = < 2 E_{x} E_{y} \cos δ > \\ V = < 2 E_{x} E_{y} \sin δ > \end{matrix}

S_{i} = [\begin{matrix} I \\ Q \\ U \\ V \end{matrix}]

偏振片转过角度时的Mueller矩阵表示为：

\begin{matrix} P_{α} = T (α) P T (- α) \\ = \frac{1}{2} [\begin{matrix} 1 & c o s 2 α & \sin 2 α & 0 \\ \cos 2 α & \cos^{2} 2 α & c o s 2 α \sin 2 α & 0 \\ \sin 2 α & c o s 2 α \sin 2 α & \sin^{2} 2 α & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \end{matrix}

旋转到这个角度偏振片出射光波的stokes矢量表示如下：

\begin{matrix} S_{c} = [P_{α}] [S_{i}] \\ = [\begin{matrix} I (α) \\ Q (α) \\ U (α) \\ V (α) \end{matrix}] \end{matrix}

I (α) = \frac{1}{2}, (I + Q c o s 2 α + U \sin 2 α)

采用旋转三个偏振检测角度的方法得到stokes参数I、Q、U。

被测光波的线偏振度P和偏振方向角θ为：

P = \frac{\sqrt{Q^{2} + U^{2}}}{I}, (0 \leq P \leq 1)

θ = \frac{1}{2} \arctan \frac{U}{Q}, (- \frac{π}{2} < θ < \frac{π}{2})

地面目标一部分到达含偏振片的机载相机,另外一部分到达无偏振片的机载相机。由于地面目标反射光中圆偏振光部分很少，可忽略不计，其中含偏振片相机偏振片方向为α角，两相机获取图像之差偏振方向为α+90°角。

Claims

1.一种机载偏振多光谱遥感成像仪，其特征在于：包括结构光发射模块、遥感光线偏振状态选择模块以及图像获取模块；所述结构光发射模块包括线结构光源以及推扫部分，所述推扫部分用于在整个视野内对经所述线结构光源发出的结构光进行导向扫描；所述遥感光线偏振状态选择模块包括光偏振预先处理部分、接收光偏振部分和条带式多光谱部分，所述接收光偏振部分用于回波光的偏振选择，所述条带式多光谱部分由多个滤光波段不同的滤光片组成用于过滤不同波段的回波光；所述图像获取模块用于获取经所述条带式多光谱部分过滤后的回波光；所述推扫部分的扫描方向与线结构光源的结构光垂直向。

2.根据权利要求1所述的机载偏振多光谱遥感成像仪，其特征在于：所述入射光偏振预处理模块包括用于在所述结构光一次视野扫描过程中保持偏振状态不变的液晶玻片，所述液晶玻片在不同批次视野扫描采取不同偏振态。

3.根据权利要求1或2所述的机载偏振多光谱遥感成像仪，其特征在于：所述图像处理模块包括第一机载相机和第二机载相机。

4.根据权利要求1所述的机载偏振多光谱遥感成像仪，其特征在于：所述推扫部分的导向扫描方向是从左至右或从右至左。

5.一种基于权利要求1至4任一所述机载偏振多光谱遥感成像仪的成像方法，其特征在于，步骤是：

步骤一：宽带线结构光源发射结构光，结构光穿过光偏振镜预处理部分，然后从左至右或从右至左，结构光在推扫机构的导向下扫描整个视野，在一次结构光视野扫描过程中保持偏振状态不变，不同批次视野扫描可采取不同偏振态；

步骤二：结构光在机载遥感目标处反射，反射光返回到接收部分的光偏振镜，接收部分的光偏振镜进行回波光的偏振选择；

步骤三：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱部分的滤光片，多个滤光片一起占据视场，彼此滤光波段不同，在视场的不同条带部位滤光后波段不同；

6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于：主动结构光扫描的条件为：

\frac{v \cdot W_{v}}{W_{l} \cdot F} < 0.1 * h

式中，v为偏振多光谱遥感成像仪飞行器载体的前向速度，W_v为机载相机视野对应地面宽度，W_l为宽带线结构光对应地面照射宽度，F为机载相机帧率，h为飞行器高度。

7.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于：所述图像获取模块为机载相机，机载相机信号在采集卡中处理，给出一定时滞后的多光谱图像输出。

8.一种基于权利要求1-4任一所述机载偏振多光谱遥感成像仪确定地面遥感目标的方法，其特征在于：

任意光波状态都可用包含四个分量的stokes矢量来表示：

\{\begin{matrix} I = < {| E_{x} |}^{2} > + < {| E_{y} |}^{2} > \\ Q = < {| E_{x} |}^{2} > - < {| E_{y} |}^{2} > \\ U = < 2 E_{x} E_{y} \cos δ > \\ V = < 2 E_{x} E_{y} \sin δ > \end{matrix}

其中I是总光强，Q是水平和垂直方向线偏振分量差，U表示45°和135°方向线偏振分量差值，V是右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量差值；

偏振片转过角度时的Mueller矩阵表示为：

\begin{matrix} P_{α} = T (α) P T (- α) \\ = \frac{1}{2} [\begin{matrix} 1 & \cos 2 α & \sin 2 α & 0 \\ \cos 2 α & \cos^{2} 2 α & \cos 2 α \sin 2 α & 0 \\ \sin 2 α & \cos 2 α \sin 2 α & \sin^{2} 2 α & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \end{matrix}

旋转到这个角度偏振片出射光波的stokes矢量表示如下：

\begin{matrix} S_{c} = [P_{α}] [S_{i}] \\ = [\begin{matrix} I (α) \\ Q (α) \\ U (α) \\ V (α) \end{matrix}] \end{matrix}

I (α) = \frac{1}{2} (I + Q c o s 2 α + U \sin 2 α)

采用旋转三个偏振检测角度的方法得到stokes参数I、Q、U；

被测光波的线偏振度P和偏振方向角θ为：

P = \frac{\sqrt{Q^{2} + U^{2}}}{I}, (0 \leq P \leq 1)

θ = \frac{1}{2} a r c t a n \frac{U}{Q}, (- \frac{π}{2} < θ < \frac{π}{2})

9.一种基于权利要求1至4任一所述机载偏振多光谱遥感成像仪的成像方法，其特征在于，步骤是：

步骤一：借助日光在机载遥感目标处照射，反射光返回到接收光偏振部分，接收光偏振部分进行回波光的偏振选择；

步骤二：偏振选择后的回波光经过条带式多光谱滤光片，多个滤光片一起充满视场，彼此滤光波段不同，在视场的不同条带部位滤光后波段不同；

10.根据权利要求9所述的成像方法，所述图像获取模块包括第一机载相机和第二机载相机，地面目标一部分到达含偏振片的第一机载相机，另外一部分到达无偏振片的第二机载相机；第一机载相机和第二记载相机获取图像之差偏振方向为α+90°角，其中α为第一记载相机的偏振片方向角，第一机载相机和第二机载相机信号在采集卡中处理，给出一定时滞后的多光谱图像输出。