CN107356333A - 一种红外光谱偏振成像系统及其参数优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外光谱偏振成像系统，包括同轴设置的望远镜头和红外焦平面探测器，还包括依次设置在望远镜头与红外焦平面探测器之间的分光系统和四组独立的传输光路组件，望远镜头和分光系统将目标辐射/反射光束分成四束独立平行光束，传输光路组件包括沿光轴方向依次设置的偏振调制系统、可调谐滤光器和聚光系统，每束独立平行光束经过独立的传输光路组件后在红外焦平面探测器靶面上成四幅单光谱独立偏振图像；本发明还公开了一种红外光谱偏振成像系统的参数优化配置方法；本发明提出的红外光谱偏振成像系统结构简单、实时稳定，其参数优化配置方法过程明确，最优参数选定标准灵活多变，可满足不同领域红外光谱成像与偏振成像的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱成像技术领域，具体涉及一种红外光谱偏振成像系统及其偏振参数优化配置方法。
背景技术
红外光谱偏振成像技术是结合光谱成像技术与偏振成像技术的特点发展而来，通常在传统光谱成像系统的基础上引入偏振系统，将目标测量信息量从三维(光谱、光强和空间)扩展到了七维(光谱、光强、空间、偏振度、偏振角、偏振椭率和旋转方向)，具有强度信息所无法比拟的优势，为全面、深入地研究目标的光谱偏振特性提供有效的途径。通过对目标光谱偏振特性的分析，可准确、有效地获取目标的化学成分、性状等信息，被广泛应用于侦察、地物遥感、医学诊断、环境监测等各领域。
红外光谱偏振成像技术最早应用于地物遥感领域，极大提高了遥感数据的信息量。目前美国、欧洲、日本等发达国家的大学及各研究机构在该技术领域开展了大量的研究工作，并取得了丰富成果；国内针对光谱偏振成像技术研究起步较晚，多集中于各大高校和中科院相关光机所，成果集中在原理探索与应用研究阶段。总体来说，根据光谱分光原理的不同，红外光谱偏振成像技术中较成熟的方案有两类：一，基于旋转滤光片或可调谐滤光器结构的光谱偏振成像系统；二，基于空间/时间干涉结构的光谱偏振成像系统。其中，基于旋转滤光片或可调谐滤光器结构的偏振成像系统，结构紧凑、简单，但光谱分辨率较低，同时可调谐滤光器容易受温度影响。而基于空间/时间干涉结构的光谱偏振成像系统，采用傅里叶变换的方法得到目标的光谱信息，光谱分辨率高，但系统结构复杂、实时性低，无法满足安全领域目标探测与识别中实时测量要求，同时对于飞行目标而言，其特征波段往往集中少数峰值，光谱分辨率高的优势在飞行目标探测与识别应用中意义不大。另一方面，上述两类典型的红外光谱偏振成像系统虽光谱分光原理不同，但通常均采用旋转偏振片结构的偏振调制结构，在测量中仅能获得目标的线偏振信息而无法获得完整的偏振信息，同时，由于一次完成偏振信息测量需要至少改变偏振片4组方位，无法满足实际使用中实时测量的需求。
发明内容
本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，设计一种红外光谱偏振成像系统，该系统在单一波段下单次测量即获得目标全偏振信息，同时为保证宽波段内偏振测量精度，提出了相应红外光谱偏振成像系统参数优化配置方法，本发明满足了红外光谱偏振测量实时性及宽波段内偏振测量精度的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外光谱偏振成像系统，包括同轴设置的望远镜头和红外焦平面探测器，所述的望远镜头和红外焦平面探测器之间设置有分光系统和四组独立的传输光路组件；所述的望远镜头是使经过望远镜头的目标辐射/反射光线平行进入分光系统的无焦放大系统，望远镜头和分光系统将目标辐射/反射光束分成四束独立的平行光束；所述的传输光路组件由沿平行光束的光轴方向依次设置的偏振调制系统、可调谐滤光器和聚光系统组成，所述的偏振调制系统由固定方位角的宽光谱消色差波片和偏振片组成，光束经过偏振调制系统后被调制成特定偏振态的偏振光，所述的可调谐滤光器使宽光谱光束平行进入后，出射平行单色光束；所述的聚光系统由仅用于改变光束传播方向的传光组件、成像镜头和聚光镜组成，所述的传光组件包括设置在可调谐滤光器两侧的第一传光平面反射镜和第二传光平面反射镜；所述的红外焦平面探测器使经过每一组传输光路组件的独立平行光束在其靶面上获得独立的偏振图像。
所述的一种红外光谱偏振成像系统，其分光系统采用一块四面角锥棱镜或四组分光平面反射镜。
所述的一种红外光谱偏振成像系统，其聚光镜采用四面角锥棱镜或聚光平面反射镜。
所述的一种红外光谱偏振成像系统，其可调谐滤光器为声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器。
本发明的目的之二在于设计一种红外光谱偏振成像系统的参数优化配置方法，包括以下步骤：
a)建立红外光谱偏振成像系统偏振解算模型，得到包含完整偏振参数的解算矩阵D；
b)建立以条件数或等效加权方差为优化评价函数的系统优化模型；
c)通过全局灵敏度分析方法计算偏振参数对评价函数的灵敏度系数，并根据灵敏度系数大小依次排序；
d)按照灵敏度系数排序分别依次对偏振参数进行迭代优化，直至排列最靠前的偏振参数的最小条件数/最小等效加权方差与前一次优化时对应的最小条件数值的差值小于阈值，即完成优化，此时对应的各系统参数即为最优化的偏振调制系统的偏振参数。
本发明的有益效果是：
本发明提出的红外光谱偏振成像系统结构简单、实时稳定，其参数优化配置方法过程明确，最优参数选定标准灵活多变，可满足不同领域红外光谱成像与偏振成像的应用需求。
附图说明
图1是本发明红外光谱偏振成像系统的原理图；
图2是本发明红外光谱偏振成像系统的红外焦平面探测器上成像示意图；
图3是本发明红外光谱偏振成像系统偏振参数优化配置流程图。
各附图标记为：1—望远镜头，2-1—第一分光平面反射镜，2-2—第二分光平面反射镜，3-1—第一宽光谱消色差波片，3-2—第二宽光谱消色差波片，4-1—第一偏振片，4-2—第二偏振片，5-1—第一一传光平面反射镜，5-2—第一二传光平面反射镜，6-1—第一可调谐滤光器，6-2—第二可调谐滤光器，7-1—第二一传光平面反射镜，7-2—第二二传光平面反射镜，8-1—第一成像镜头，8-2—第二成像镜头，9-1—第一聚光平面反射镜，9-2—第二聚光平面反射镜，10—红外焦平面探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种红外光谱偏振成像系统及其优化配置方法，包括同轴设置的望远镜头1和红外焦平面探测器10，还包括依次设置在望远镜头1与红外焦平面探测器10之间的分光系统和四组独立的传输光路组件，所述的望远镜头1和分光系统将目标辐射/反射光束分成四束独立平行光束，所述的传输光路组件包括沿独立平行光束的光轴方向依次设置的偏振调制系统、可调谐滤光器和聚光系统。所述的望远镜头1是无焦放大系统，将目标辐射/反射光线经望远镜头1后平行进入分光系统。所述的分光系统采用四面角锥棱镜或四组分光平面反射镜，平行光束进入四面角锥棱镜或四组分光平面反射镜后分为四组完全对等的传输光路。所述的偏振调制系统包括依次设置的固定方位角的宽光谱消色差波片和偏振片，四组偏振调制系统分别布置于分光后的四组传输光路的平行光路中，光束经过偏振调制系统后被调制成特定偏振态的偏振光；所述的可调谐滤光器采用声光可调谐滤光器(AOTF)或液晶可调谐滤光器(LCTF)，宽光谱光束平行进入后，出射平行单色光束，光谱分辨率可调；
所述的聚光系统包括依次设置的传光组件、成像镜头和聚光镜，所述的聚光镜采用四面角锥棱镜或聚光平面反射镜，所述的传光组件包括设置在可调谐滤光器两侧的第一传光平面反射镜和第二传光平面反射镜，所述的传光组件仅用于改变光束传播方向；
所述的红外焦平面探测器10将每一束经过独立的偏振调制系统、可调谐滤光器和聚光系统的独立平行光束在其靶面上获得独立的偏振图像。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1、图2所示，图1中仅包含两组传输光路，将目标辐射/反射光线经望远镜头1后平行进入分光系统，所述的分光系统仅包含了第一分光平面反射镜2-1和第二分光平面反射镜2-2。平行光束进入第一分光平面反射镜2-1和第二分光平面反射镜2-2后分为两组完全对等的传输光路。
平行光束经第一分光平面反射镜2-1分光成第一束独立平行光束，第一束独立平行光束进入固定方位角的第一宽光谱消色差波片3-1和第一偏振片4-1后被调制成特定偏振态的偏振光。然后经第一一传光平面反射镜5-1后进入第一可调谐滤光器6-1出射第一独立平行单色光束。第一独立平行单色光束经第二一传光平面反射镜7-1后进入第一成像镜头8-1，再经第一聚光平面反射镜9-1进入红外焦平面探测器10，第一束独立平行光束经第一宽光谱消色差波片3-1、第一偏振片4-1、第一可调谐滤光器6-1和第一成像镜头8-1后在红外焦平面探测器10上获得第一幅独立的偏振图像。
平行光束经第二分光平面反射镜2-2分光成第二束独立平行光束，第二束独立平行光束进入固定方位角的第二宽光谱消色差波片3-2和第二偏振片4-2后被调制成特定偏振态的偏振光。然后经第一二传光平面反射镜5-2后进入第二可调谐滤光器6-2出射第二独立平行单色光束。第二独立平行单色光束经第二二传光平面反射镜7-2后进入第二成像镜头8-2，再经第二聚光平面反射镜9-2进入红外焦平面探测器10，第二束独立平行光束经第二宽光谱消色差波片3-2、第二偏振片4-2、第二可调谐滤光器6-2和第二成像镜头8-2后在红外焦平面探测器10上获得第二幅独立的偏振图像。
图1中未显示的第三组传输光路和第四组传输光路所包含的组件和传输原理跟前面两组一样，这样红外焦平面探测器10将4束独立平行光束经独立的宽光谱消色差波片、偏振片、可调谐滤光器和成像镜头后在红外焦平面探测器10上获得四幅独立的偏振图像。
图2为红外焦平面探测器10上成像示意图，目标经过红外光谱偏振成像系统后在红外焦平面探测器10上可获得当前单光谱下四幅独立的偏振图像，通过对四幅图像进行偏振分析即可以求得目标完整的偏振信息。
所述的偏振调制系统中宽光谱消色差波片与偏振片的安装角度决定偏振解算中的偏振参数配置。在实际测量中，目标偏振测量结果往往会在一定程度上偏离其真实值，在不同的偏振参数配置下，测量结果对偏差的敏感度也不相同。因此为减小偏差对红外光谱偏振成像系统偏振测量精度的影响，本发明还公开了一种红外光谱偏振成像系统的参数优化配置方法，参照图3所示，包括以下步骤：
a)建立红外光谱偏振成像系统偏振解算模型，得到包含完整偏振参数的解算矩阵D；
b)建立以条件数或等效加权方差为优化评价函数的系统优化模型；
c)通过全局灵敏度分析方法计算偏振参数对评价函数的灵敏度系数，并根据灵敏度系数大小依次排序；
d)按照灵敏度系数排序分别依次对偏振参数进行迭代优化，直至排列最靠前的偏振参数的最小条件数/最小等效加权方差与前一次优化时对应的最小条件数值的差值小于阈值，即完成优化，此时对应的各系统参数即为最优化的偏振调制系统的偏振参数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种红外光谱偏振成像系统，其特征在于：包括同轴设置的望远镜头（1）和红外焦平面探测器（10），所述的望远镜头（1）和红外焦平面探测器（10）之间设置有分光系统和四组独立的传输光路组件；
所述的望远镜头（1）是使经过望远镜头（1）的目标辐射/反射光线平行进入分光系统的无焦放大系统，望远镜头（1）和分光系统将目标辐射/反射光束分成四束独立的平行光束；
所述的传输光路组件由沿平行光束的光轴方向依次设置的偏振调制系统、可调谐滤光器和聚光系统组成，所述的偏振调制系统由固定方位角的宽光谱消色差波片和偏振片组成，光束经过偏振调制系统后被调制成特定偏振态的偏振光，所述的可调谐滤光器使宽光谱光束平行进入后，出射平行单色光束；所述的聚光系统由仅用于改变光束传播方向的传光组件、成像镜头和聚光镜组成，所述的传光组件包括设置在可调谐滤光器两侧的第一传光平面反射镜和第二传光平面反射镜；
所述的红外焦平面探测器（10）使经过每一组传输光路组件的独立平行光束在其靶面上获得独立的偏振图像。
2.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像系统，其特征在于，所述的分光系统采用一块四面角锥棱镜或四组分光平面反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像系统，其特征在于，所述的聚光镜采用四面角锥棱镜或聚光平面反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像系统，其特征在于，所述的可调谐滤光器为声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器。
5.一种如权利要求1所述的红外光谱偏振成像系统的参数优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)、建立红外光谱偏振成像系统偏振解算模型，得到包含完整偏振参数的解算矩阵D；
b)、建立以条件数或等效加权方差为优化评价函数的系统优化模型；
c)、通过全局灵敏度分析方法计算偏振参数对评价函数的灵敏度系数，并根据灵敏度系数大小依次排序；
d)、按照灵敏度系数排序分别依次对偏振参数进行迭代优化，直至排列最靠前的偏振参数的最小条件数/最小等效加权方差与前一次优化时对应的最小条件数值的差值小于阈值，即完成优化，此时对应的各系统参数即为最优化的偏振调制系统的偏振参数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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