CN108548603A - 一种非共轴四通道偏振成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非共轴四通道偏振成像方法及系统。针对当前偏振成像系统能量利用率低，成像分辨率不高，难以对远距离目标和微光环境下目标成像的缺点，提出并实现了多通道采集四个不同检偏角度的偏振成像方法，有效的提升了偏振成像分辨率和成像质量。所述偏振成像方法中的四通道的具体角度和基线长度可针对不同环境与不同距离下的目标物进行调节，达到提升目标对比度的目的。
Description
技术领域
本发明基于偏振成像探测领域，尤其涉及一种基于非共轴四通道偏振成像方法及系统。
背景技术
光波的信息量是非常丰富的。依据光波的电磁理论，光波包含的信息主要有：光强，波长，相位以及偏振态，其中偏振态又包含偏振度偏振角和偏振椭率。传统成像探测技术专注于目标的强度信息和光谱信息，从电磁波的横波性质来看，偏振也是电磁波的重要特征之一。所以可以通过偏振成像技术将探测信息量从三维扩充到七维，增强目标背景对比度，提高目标探测与识别能力。
目标的偏振特性取决于其基本的固有特性。例如其结构特征、介质性质、粗糙度等等，另外偏振特性还与辐照强度和观测角度有着直接联系。所以偏振成像与传统的成像方式相比能获得更多与物质本身属性相关的信息。基于以上的优势，它在云和水汽的探测、地质勘探、土壤分析、环境监测和军事等相关领域都具重要的应用价值。
目前国内外用于目标物偏振特性探测的方法主要有四种：分时型、分振幅型、分孔径型、分焦平面型。分时型系统不能实时成像，无法满足运动目标的应用场景；分振幅型系统、分孔径型系统和分焦平面系统都存在分光器件，导致系统能量利用率低，降低成像分辨率，应用于远距离目标或者微光环境时具有一定难度。
发明内容
根据现有技术存在问题，本发明公开了一种非共轴四通道偏振成像方法及系统。
本发明采用的技术方案为：一种非共轴四通道偏振成像方法，该方法过程为：目标表面带有一定偏振特性的反射光照射到偏振元件上，偏振元件的检偏角度分别为0°、45°、90°、135°，与偏振元件检偏角度相同的偏振光可以透射过偏振元件，然后经过光学镜头的收集，汇聚到CCD成像模块上，再由CCD模块将光信号转换为电信号，通过图像采集与处理系统进行解算，解算方法基于光的偏振态的四变量Stokes矢量，具体方法如下：
I0和I90分别代表0°和90°偏振方向的光强，I45和I135代表45°和135°偏振方向的光强，I和普通光强成正比，Q和U分别表示不同方向的线偏振强度之差，V代表左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之差，线偏振度(degree of linear polarization)：
偏振角(Angle of Linear Polarization)表示为：
其中，不仅可以获取目标物的偏振度图像和偏振角图像，还可以通过三角测量法根据目标物在四组CCD上所成像的偏差，计算出目标物到偏振成像系统的距离。
其中，采用四组单偏振成像系统搭建成非共轴的“田”字型相机阵列，每组单偏振成像系统采用完全相同的元件，四组单偏振成像系统采集到的光信号经由CCD转换为电信号后输出到同一个图像采集与处理系统上，生成四幅偏振角度不同的偏振光图像。
其中，采用了多通道系统的设计，每个通道间的角度和距离可根据目标物所在的场景和距离自由调节。
还提供一种非共轴四通道偏振成像系统，包括偏振元件、光学镜头、CCD成像模块、图像采集与处理系统；偏振元件连接光学镜头，光学镜头连接CCD成像模块，CCD成像模块连接图像采集与处理系统，偏振元件为光学镜头前面加装四个不同检偏角度的偏振片，四个角度分别为0°、45°、90°、135°，使与其偏振角度相同的光线通过，将自然光转换为线偏振光；光学镜头用于收集通过偏振片后的线偏振光，并将光信号汇集于CCD成像模块上；CCD成像模块用于获取四个偏振角度的光信号，并将不同角度的偏振光信号转换为电信号；图像采集与处理系统用于获取四幅不同角度的偏振光图像，通过四幅偏振光图像的每一个像素点的亮度值解算出其偏振度和偏振角，解算方法基于光的偏振态的四变量Stokes矢量，最终输出偏振度图像与偏振角图像。
其中，偏振片的检偏角度可不固定，只需要满足偏振片的偏振方向呈45°夹角的条件即可。
其中，该系统由四组单偏振成像系统组成，每组单偏振成像系统结构相同。
其中，单偏振成像系统包括：偏振光学镜头，用于收集偏振光信号；俯仰台，用于调整所述光学镜头的俯仰角；旋转台，用于调整所述光学镜头的方位角；平移台，用于调整所述光学镜头的水平位置；升降台，用于调整所述光学镜头的竖直位置。
其中，采用四组单偏振成像系统搭建成非共轴的“田”字型相机阵列，每组单偏振成像系统采用完全相同的元件，四组单偏振成像系统采集到的光信号经由CCD转换为电信号后输出到同一个图像采集与处理系统上，生成四幅偏振角度不同的偏振光图像。
其中，采用了多通道系统的设计，每个通道间的角度和距离可根据目标物所在的场景和距离自由调节。
本发明与现有方法相比具有如下优点：
(1)当前非共轴四通道偏振成像方法与传统偏振成像方法相比，由于使用多个镜头采集目标图像，可收集到更多的光能，使偏振成像系统可以同时达到高分辨率和实时成像的目的。
(2)当前非共轴四通道偏振成像方法与传统偏振成像方法相比，由于采用了多通道系统的设计，可以使用三角测量法根据目标物在CCD上所成像的偏差，计算出目标物到偏振成像系统的距离。
(3)当前非共轴四通道偏振成像方法与传统偏振成像方法相比，采用了可移动的偏振成像平台，可以四自由度调节，使偏振成像系统可以根据不同环境，不同距离，不同照度进行调节，提高偏振成像对比度，使偏振成像系统可以适用于多种环境。
附图说明
图1是本发明一种非共轴四通道偏振成像系统的总体结构连接框图；
图2是非共轴四通道系统设计图；
图3是单偏振成像系统机械结构总体图；
图4是单偏振成像系统机械结构三视图。其中，图4(a)为主视图，图4(b)为侧视图，图4(c)为俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，本发明的一种非共轴四通道偏振成像系统的总体结构连接框图。包括四个偏振片11、四个光学镜头12、四个CCD成像模块13、图像采集与处理系统14。
所述四个偏振片11，用于将目标的带有偏振特性的反射光过滤为与所设置偏振片角度相同的线偏振光，四个通道分别透过四个角度的线偏振光。
所述光学镜头12，用于收集通过偏振片后的线偏振光，并将光信号汇集于CCD成像模块上。
所述CCD成像模块13，用于获取不同偏振角度的光信号，并将不同角度的光信号转换为电信号，输出给图像采集与处理系统。
所述图像采集与处理系统14，用于生成不同偏振角度的目标辐射强度图，并解算出每个像素点的偏振度和偏振角。生成偏振度图像和偏振角图像。
本发明基于一种非共轴四通道偏振成像方法，目标表面带有一定偏振特性的反射光照射到偏振元件上，偏振元件的检偏角度分别为0°、45°、90°、135°，与偏振元件检偏角度相同的偏振光可以透射过偏振元件，然后经过光学镜头的收集，汇聚到CCD成像模块上，再由CCD模块将光信号转换为电信号，通过图像采集与处理系统进行解算。解算方法基于光的偏振态的四变量Stokes矢量，具体方法如下：
I0和I90分别代表0°和90°偏振方向的光强，I45和I135代表45°和135°偏振方向的光强。因此，I和普通光强成正比，Q和U分别表示不同方向的线偏振强度之差，V代表左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之差。
线偏振度(degree of linear polarization)：
偏振角(Angle of Linear Polarization)表示为：
具体方法流程如下：
步骤一：在四个镜头前面分别加装0°、45°、90°、135°偏振片。
步骤二：在镜头后加装CCD。
步骤三：将四个偏振镜头按“田”字型排列，组成阵列。其中滤光片、镜头、偏振片和CCD完全相同。
步骤四：使用上述系统对目标物进行图像采集。
步骤五：将采集到的四幅图片分别编号为0、45、90、135，并转换为数字矩阵。
步骤六：用矩阵0加上矩阵90得到矩阵I，矩阵0减去矩阵90得到矩阵Q，用矩阵45减去矩阵135得到矩阵U。
步骤七：创建矩阵DOLP和矩阵AOP，其中DOLP的各元素值满足以下公式AOP的各元素值满足以下公式
步骤八：将矩阵DOLP转换为图像，所输出图像即为拍摄目标的偏振度图像。将矩阵AOP转换为图像，所输出图像即为拍摄目标的偏振角图像。
如图2所示，为本发明的一种非共轴四通道系统设计图。图中，共有四组单偏振成像系统，各组偏振成像系统的距离和角度可调节，每组所述偏振成像系统前加装不同检偏角度的偏振片，四个角度分别为0°、45°、90°、135°。
在本发明中，由于采用了多组镜头，可以收集到更多光能。在微光情况下和对远距离目标进行偏振成像探测时，可以获得更高的分辨率以及成像效果。
图3所示，为本发明的单偏振成像系统机械结构总体图。图中，包括偏振光学镜头31，俯仰台32，旋转台33，平移台34，升降台35。
所述偏振光学镜头31，用于采集光信号。在所述光学镜头前加装偏振片，在所述光学镜头后加装CCD成像模块。
所述俯仰台32，用于调整所述光学镜头的俯仰角。
所述旋转台33，用于调整所述光学镜头方位角。
所述平移台34，用于调整所述光学镜头水平位置。
所述升降台35，用于调整所述光学镜头竖直位置。
如图4所示，为本发明的单偏振成像系统机械结构三视图，图4(a)为主视图，图4(b)为侧视图，图4(c)为俯视图。图中，包括偏振光学镜头31，俯仰台32，旋转台33，平移台34，升降台35，俯仰调节杆46，旋转调节杆47，平移调距杆48，升降调距杆49。所述部件可调控单偏正成像系统俯仰角、方位角、水平位置、竖直位置。
本发明中，由于设计了可调节单偏振成像系统位置与角度的总体结构，所以可根据不同距离和不同照度下的目标物进行俯仰角、方位角、水平位置、竖直位置的调节，以达到最佳成像质量的效果。
Claims (10)
1.一种非共轴四通道偏振成像方法，其特征在于，该方法过程为：目标表面带有一定偏振特性的反射光照射到偏振元件上，偏振元件的检偏角度分别为0°、45°、90°、135°，与偏振元件检偏角度相同的偏振光可以透射过偏振元件，然后经过光学镜头的收集，汇聚到CCD成像模块上，再由CCD模块将光信号转换为电信号，通过图像采集与处理系统进行解算，解算方法基于光的偏振态的四变量Stokes矢量，具体方法如下：
I0和I90分别代表0°和90°偏振方向的光强，I45和I135代表45°和135°偏振方向的光强，I和普通光强成正比，Q和U分别表示不同方向的线偏振强度之差，V代表左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之差；
线偏振度(degree of linear polarization)：
偏振角(Angle of Linear Polarization)表示为：
2.根据权利要求1所述的一种非共轴四通道偏振成像方法，其特征在于，不仅可以获取目标物的偏振度图像和偏振角图像，还可以通过三角测量法根据目标物在四组CCD上所成像的偏差，计算出目标物到偏振成像系统的距离。
3.根据权利要求1所述的一种非共轴四通道偏振成像方法，其特征在于，采用四组单偏振成像系统搭建成非共轴的“田”字型相机阵列，每组单偏振成像系统采用完全相同的元件，四组单偏振成像系统采集到的光信号经由CCD转换为电信号后输出到同一个图像采集与处理系统上，生成四幅偏振角度不同的偏振光图像。
4.根据权利要求1或2所述的一种非共轴四通道偏振成像方法，其特征在于，采用了多通道系统的设计，每个通道间的角度和距离可根据目标物所在的场景和距离自由调节。
5.一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，包括偏振元件(11)、光学镜头(12)、CCD成像模块(13)、图像采集与处理系统(14)；偏振元件(11)连接光学镜头(12)，光学镜头(12)连接CCD成像模块(13)，CCD成像模块(13)连接图像采集与处理系统(14)，偏振元件(11)为光学镜头(12)前面加装四个不同检偏角度的偏振片，四个角度分别为0°、45°、90°、135°，使与其偏振角度相同的光线通过，将自然光转换为线偏振光；光学镜头(12)用于收集通过偏振片后的线偏振光，并将光信号汇集于CCD成像模块(13)上；CCD成像模块(13)用于获取四个偏振角度的光信号，并将不同角度的偏振光信号转换为电信号；图像采集与处理系统(14)用于获取四幅不同角度的偏振光图像，通过四幅偏振光图像的每一个像素点的亮度值解算出其偏振度和偏振角，解算方法基于光的偏振态的四变量Stokes矢量，最终输出偏振度图像与偏振角图像。
6.根据权利要求5所述的一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，偏振片的检偏角度可不固定，只需要满足偏振片的偏振方向呈45°夹角的条件即可。
7.根据权利要求5所述的一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，该系统由四组单偏振成像系统组成，每组单偏振成像系统结构相同。
8.根据权利要求7所述的一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，单偏振成像系统包括：偏振光学镜头(31)，用于收集偏振光信号；俯仰台(32)，用于调整所述光学镜头的俯仰角；旋转台(33)，用于调整所述光学镜头的方位角；平移台(34)，用于调整所述光学镜头的水平位置；升降台(35)，用于调整所述光学镜头的竖直位置。
9.根据权利要求7所述的一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，采用四组单偏振成像系统搭建成非共轴的“田”字型相机阵列，每组单偏振成像系统采用完全相同的元件，四组单偏振成像系统采集到的光信号经由CCD转换为电信号后输出到同一个图像采集与处理系统上，生成四幅偏振角度不同的偏振光图像。
10.根据权利要求5所述的一种非共轴四通道偏振成像系统，其特征在于，采用了多通道系统的设计，每个通道间的角度和距离可根据目标物所在的场景和距离自由调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180918 |
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