CN105987754A - 一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪。该成像仪由前端光学准直系统、电控旋转偏振片、AOTF滤波器、后端成像光学系统和成像探测器组成。当AOTF前端的电控旋转偏振片只工作于竖直或水平状态时，该成像仪为高光谱成像探测模式，拥有普通高光谱成像仪相当的性能；当AOTF前端的电控旋转偏振片工作于三个以上不同角度实现探测时，该成像仪为高光谱偏振成像探测模式，拥有普通高光谱成像仪不具备的偏振信息获取能力，能实现对同谱异物目标的识别。两种工作模式可电控自动切换，能根据使用场合和需求进行高光谱探测或者高光谱偏振探测。

Description

一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪

技术领域

本发明属于光谱及偏振探测技术领域，涉及一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪。

背景技术

作为一种新的探测方式，光学波段的偏振成像探测技术从上世纪70年代开始逐渐发展。随着光谱偏振探测机理研究的深入以及光学器件制造工艺的迅速发展，多光谱、高光谱探测及高光谱偏振探测技术逐渐成熟，越来越受到世界各国的高度重视。

按照分光原理不同，可以将光谱以及光谱偏振成像探测技术分成色散型、干涉型和滤光型三种，本发明涉及的是一种滤光型的光谱偏振成像仪，所以这里着重阐述滤光型的光谱偏振成像仪。滤光型的光谱偏振成像仪大体有三种。

(1)用滤光片轮进行光谱滤波的系统

早期的星载光谱偏振探测系统如法国的POLDER就是采用这种方式，它只是在有限的几个波段用旋转滤光片轮的方式获取光谱偏振信息。这种方式使用电动马达驱动滤光片轮旋转，通过精确控制它转动的角度，实现对探测光谱的选择，由于这种探测方式原理简单易于实现，所以中科院安徽光学精密机械研究所研制了一台机载多波段偏振成像探测仪。该设备采用偏振片和旋转滤光片轮的结构，对于同一场景，通过同时采集三个不同偏振方向的辐射图，并不断旋转滤光片轮得到场景的光谱偏振图像。此外，2003年上海技术物理研究所也研制了类似的装置，并利用其获取了多种景物在560nm、670nm、766nm三个波段上的辐射强度、偏振度以及偏振角图像。由于旋转滤光片轮的方式采用机械方法实现光谱选择，所以其系统尺寸一般较大，虽然其可探测的光谱带宽可以很窄，但是能够探测的光谱数量有限。由此国内外更加关注具有电调谐能力的光谱滤波方式。

(2)用液晶可调滤光器(Liquid-Crystal Tunable Filter，LCTF)进行光谱滤波的系统

液晶可调滤光器是应用较早的一种电调谐光谱滤波方法，所以电调谐光谱偏振探测仪最早是采用液晶可调滤光器研制的。1999年，日本国家航空实验室研制了基于液晶可调滤光器的成像光谱偏振探测系统，在可见光和红外波段采集了光谱偏振图像。国内西北工业大学都安平等也使用类似的方法利用液晶可调滤光器和高倍增益CCD构建了一台光谱偏振图像采集装置，开展了偏振图像融合的实验研究。上述系统通过旋转液晶可调滤光器的方式实现对偏振态的检测，所以其应用受到很大限制。此外上述系统不包括相位延迟装置，无法探测圆偏振分量。为克服这一缺点，法国泰勒斯技术研究所结合LCTF和液晶相位延迟器(Liquid-Crystal Variable Retardation，LCVR)开发了主动式成像光谱偏振探测系统，并开展了材料全偏振特性的研究工作，该系统的显著特点是用相位延迟器探测Stokes矢量中的V分量，而且系统成像过程中完全由电控调节，不会有机械抖动。虽然LCTF的电调谐滤波能力已经发展的较为成熟，但是其缺点是响应时间较长，波段只能覆盖可见光和短波红外。

(3)用声光可调滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)进行光谱滤波的系统

为了增加电调谐的速度，同时拓展偏振探测的研究波段，美国陆军研究实验室深入研究了声光可调滤光器的原理和制作工艺，并根据AOTF的起偏和分光特点，采用多种结构，组建了一系列光谱偏振成像仪，使光谱偏振探测的工作波长从紫外覆盖到远红外波段。由于这些成像仪采用AOTF实现窄带滤光，其体积小、结构紧凑、坚固抗振、便于携带。采用声光可调滤光器的突出优点是光谱电调谐的速度比LCTF快的多，缺点是如果只使用一个液晶相位延迟器(LCVR)无法得到目标的全偏振信息，所以上述研究中大都不使用液晶相位延迟器，而只得到目标在水平和垂直方向的线偏振光。为了获得其它偏振分量必须再增加一个LCVR，只是采用两个LCVR获取偏振态的方案将减小系统通光量，不仅提高了对后端CCD探测灵敏度的要求，而且整个系统的校准标定比较困难。

基于AOTF进行光谱成像和光谱偏振成像的系统越来越受到国内相干单位的重视。当目标与背景高光谱特性不同时，高光谱以及高光谱偏振成像仪都具有很好的目标探测识别能力；但当目标与背景高光谱特性差异不大时，借助偏 振信息才能够对目标进行分类识别，此时只能使用高光谱偏振成像仪。

虽然高光谱偏振成像仪的探测识别能力相对更好，但高光谱偏振成像仪因多了偏振探测功能，结构相对更加复杂，通光量也相对更小，而用它获取高光谱信息所需数据存储量和处理量又是高光谱成像仪的数倍之多，所以当高光谱成像仪能完成探测识别任务时，没有必要使用高光谱偏振成像仪。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种兼具高光谱和高光谱偏振探测能力的成像仪。在高光谱成像模式下快速对目标进行高光谱成像，拥有普通高光谱成像仪相当的性能；在高光谱偏振成像模式下拥有普通高光谱成像仪不具备的偏振信息获取能力，能实现对同谱异物目标的识别。

本发明的技术解决方案是：一种集成高光谱和高光谱偏振探测能力的成像仪。其特点是该成像仪由前端光学准直系统、电控旋转偏振片、AOTF滤波器、后端成像光学系统和成像探测器组成。当AOTF前端的电控旋转偏振片只工作于竖直或水平状态时，该成像仪为高光谱成像探测模式；当AOTF前端的电控旋转偏振片工作于三个以上不同角度实现探测时，该成像仪为高光谱偏振成像探测模式。两种模式可电控自动切换，能根据使用场合和需求选择进行高光谱探测还是高光谱偏振探测。

上述成像仪的前端光学准直系统为变焦距望远镜头，镜头的透光波段不窄于AOTF的工作波段。

上述成像仪的电控旋转偏振片由电控旋转轮以及装与其上的偏振片组成，电控旋转轮按照预设的角度和编程指令进行旋转，偏振片的消光比不低于1000，透光波段不窄于AOTF的工作波段。

上述成像仪的AOTF滤波器包括一个单频或多频的驱动器，可在紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段进行单波长或多波长滤波。

上述成像仪的后端成像光学系统由消色散光锲和成像镜头组成，消色散光锲的作用是消除高光谱图像的漂移，其材料特性与构成AOTF滤波器的声光晶体相似，成像镜头的透光波段不窄于AOTF的工作波段，能使目标清晰成像于探测器上。

上述成像仪的成像探测器是和AOTF工作波段相对应的紫外、可见光、近红外、中红外或远红外波段探测器，以上成像探测器的光谱响应范围均不窄于AOTF的工作波段。

上述成像仪的后端成像光学系统和成像探测器都位于AOTF一级衍射光的o光光路或者e光光路上。

本发明所达到的有益效果是：

将高光谱成像和高光谱偏振成像集成于一个成像仪上，即达到了与普通高光谱成像仪相当的存储和运算性能，又具备高光谱偏振成像探测能力。该成像仪的发明将显著提高对军事目标的探测和侦察能力，在反伪装和目标分类方面具有重要的军事使用价值。

附图说明

图 1为本发明成像仪的系统结构图。

具体实施方式

参见图 1，本发明提供了一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪。整个成像仪由外围硬件和系统软件两大部分组成。

系统的外围硬件由前端准直光学系统、偏振片旋转装置、AOTF、后端成像光学系统、CCD及AOTF的电调控制器组成。其中，前端准直光学系统用来准直物方入射的光线，从而保证以很小的入射倾角进入偏振片和AOTF，从而保证AOTF器件正常工作；偏振片的作用是调制入射光的偏振态，只让特定偏振方向的光进入CCD，它配合后面的AOTF可以检测出入射光的全偏振态；系统中用到的声光可调滤光器是由较低声光衰减的光学材料制成的，它具有良好的光学性能和较高的声光品质因数，根据声光衍射原理，AOTF可产生完全正交的线偏振光，其波长调谐速度通常只有几十个微秒，所以，AOTF能够在极快的时间内调谐到所需要的波段，实现快速、连续、随机地波长选择，这一特性有助于光谱成像系统快速调谐到某些指定特征波段，利用典型的少数波段对物体进行快速分类，从而减少探测系统的数据量，降低信息冗余度；后端的成像光学系统 将AOTF衍射出来的光经光锲消色散后，重新成像在成像探测器的焦平面上，从而探测出物方的景物信息；本系统使用的探测器需要具有较高的灵敏度，因为入射光经过偏振片和AOTF后衰减较大，因此要达到同样的作用距离就必须提高探测器的灵敏度；偏振片控制器和AOTF的电调控制器分别用来控制偏振片的起偏方向和AOTF的调谐波长，这两者结合在一起就可以实现对目标特定波长偏振态的测量。

系统的软件主要由控制指令产生模块和图像信息处理模块组成。其中控制指令产生模块的作用是产生用于起偏、AOTF光谱滤波和图像采集的指令，并将这些指令输出到相应的控制部件，同时该模块还用来获取探测器采集到的图像，并将这些图像输出给图像信息处理模块进行进一步的处理；图像信息处理模块首先要对接收的图像进行预处理，进行高光谱图像配准、去除噪声干扰等处理，依据工作模式不同，提取高光谱图像，或者根据前面采集的若干张强度图像求解出高光谱偏振图像，然后根据目标和背景的特征及使用场合，综合利用高光谱图像信息和高光谱偏振图像信息进行目标检测与识别。

Claims (7)

1.一种集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：由前端光学准直系统、电控旋转偏振片、声光可调滤波器、后端成像光学系统和成像探测器组成。当电控旋转偏振片只工作于竖直或水平状态时，该成像仪为高光谱成像探测模式；当电控旋转偏振片工作于三个以上不同角度实现探测时，该成像仪为高光谱偏振成像探测模式。两种模式可电控自动切换，能根据使用场合和需求选择进行高光谱探测还是高光谱偏振探测。

2.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述前端光学准直系统为变焦距望远镜头，镜头的透光波段不窄于声光可调滤波器的工作波段。

3.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述电控旋转偏振片由电控旋转轮以及装与其上的偏振片组成，电控旋转轮按照预设的角度和编程指令进行旋转，偏振片的消光比不低于1000，透光波段不窄于声光可调滤波器的工作波段。

4.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述声光可调滤波器包括一个单频或多频的驱动器，可在紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段进行单波长或多波长滤波。

5.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述后端成像光学系统由消色散光锲和成像镜头组成，消色散光锲的作用是消除高光谱图像的漂移，其材料特性与构成声光可调滤波器的声光晶体相似，成像镜头的透光波段不窄于声光可调滤波器的工作波段，能使目标清晰成像于探测器上。

6.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述成像探测器是和声光可调滤波器工作波段相对应的紫外、可见光、近红外、中红外或远红外波段探测器，以上成像探测器的光谱响应范围均不窄于声光可调滤波器的工作波段。

7.如权利要求1所述的集成高光谱和偏振高光谱探测能力的成像仪，其特征在于：所述后端成像光学系统和成像探测器都位于声光可调滤波器一级衍射光的o光光路或者e光光路上。