CN109186770A - 一种多功能半球天空偏振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能半球天空偏振成像系统，包括自动滤光偏振相机、俯仰方位转台和主控系统平台，自动滤光偏振相机用于接收所述主控系统平台发送的控制命令进行多波段的全偏振成像；俯仰方位转台与自动滤光偏振相机稳定连接，用于调整所述自动滤光偏振相机的视场；俯仰方位转台接收主控系统平台发来的命令进行相应指令的运动，并将实际运动信息返回给主控系统平台；主控系统平台用于控制所述自动滤光偏振相机的全偏振成像、所述俯仰方位转台的转动，以及偏振数据的采集、显示及存储。该系统可以用于大范围偏振特性的测量，同时兼顾跟踪及图像拼接功能，具有偏振测量范围大、功能多、精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及偏振成像探测技术领域，尤其涉及一种多功能半球天空偏振成像系统。
背景技术
偏振是电磁辐射矢量性质的体现，其应用价值在许多领域引起重视，偏振相机是获取偏振信息的主要仪器之一，偏振相机在获取目标偏振信息的同时，可获得目标的反射、折射或散射后的辐亮度、光谱等信息，从而把信息量从三维(光强、光谱和空间)扩充到七维(光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、椭偏率和旋转方向)，为深入、全面地感知目标特性提供了手段。
偏振信息的方向敏感性有助于目标表面状态、结构特征和材料类型等的反演。偏振信息状态对于识别不同的地物目标(自然地物、人工设施)、大气气溶胶、云层等，都具有特殊作用。现有技术中已经针对全偏振成像方法进行探究，改进了全偏振成像精度，但对于大视场、无人值守全偏振相机的研究工作开展较少，缺乏相应的解决手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能半球天空偏振成像系统，该系统可以用于大范围偏振特性的测量，同时兼顾跟踪及图像拼接功能，具有偏振测量范围大、功能多、精度高的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多功能半球天空偏振成像系统，所述系统包括自动滤光偏振相机、俯仰方位转台和主控系统平台，其中：
所述自动滤光偏振相机用于实现多波段的电动及手动切换、偏振片的电动旋转，并接收所述主控系统平台发送的控制命令进行多波段的全偏振成像；
所述俯仰方位转台与所述自动滤光偏振相机稳定连接，用于调整所述自动滤光偏振相机的视场；所述俯仰方位转台能实现360度方位角度、180度俯仰角度范围的旋转；
所述俯仰方位转台直接受所述主控系统平台的控制，接收所述主控系统平台发来的命令进行相应指令的运动，并将实际运动信息返回给所述主控系统平台；
所述主控系统平台采用便携式地面站结构，用于控制所述自动滤光偏振相机的全偏振成像、所述俯仰方位转台的转动，以及偏振数据的采集、显示及存储，并能实现对场景图像的拼接。
所述自动滤光偏振相机具体包括探测器、相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片、消色差波片安装座、消色差波片转接板、相机安装板、转轮转接板和外壳，其中：
所述滤光片轮内安装有六片不同波段的滤光片，能实现滤光片的电动或手动切换；
所述自动偏振转轮内安装有线偏振片，能通过驱动所述自动偏振转轮的旋转改变偏振方向；
所述消色差波片安装座内安装有消色差波片，能在很宽的波长范围内实现较为一致的相位延迟；
所述探测器通过螺纹连接固定在所述相机安装板上，所述滤光片轮、自动偏振转轮通过螺纹连接固定在所述转轮转接板上，所述转轮转接板与所述相机安装板通过螺纹固定连接；
所述消色差波片安装座通过快拆结构安装在所述自动偏振转轮上，进行线偏振测量时能快速拆卸，进行圆偏振测量时能快速安装；
其中，所述探测器、相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片安装座的光轴位于同一直线上，所述探测器依次通过所述相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片安装座对待测目标进行偏振成像。
所述俯仰方位转台包括机械框架、传感器和硬件电路板，其中：
所述机械框架由上至下分别由俯仰轴系、方位轴系以及底座组成，所述俯仰轴系支撑俯仰框架沿垂直方向进行90°的旋转，所述方位轴系支撑方位框架沿水平方向进行180°的旋转；
所述传感器安装在所述俯仰轴系和方位轴系中；
所述硬件电路板安装在所述底座内；其中，所需要的软件算法固化在所述硬件电路板的CPU中。
所述自动滤光偏振相机通过所述俯仰轴系末端的机械接口与所述俯仰方位转台固连，使所述自动滤光偏振相机能完成对环形球面上半球冠景物的扫描与拍摄。
所述主控系统平台的硬件包括内置计算机、内置供电模块、内置驱动器、显示器和主控系统平台面板，其中：
所述内置驱动器包括滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器；所述滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器分别用于控制所述自动滤光偏振相机中滤光片轮、自动偏振转轮的同步转动；
所述内置计算机分别与探测器、滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器、俯仰方位转台、电源管理单元连接，实现对上述部件的控制；
所述主控系统平台面板的外置接口包括：电池充电接口、自动偏振转轮接口、滤光片轮接口、相机接口、指北仪接口、鼠标接口、俯仰方位转台接口、键盘、USB2.0接口、外接电源接口、内/外部供电选择开关、主控计算机电源开关、自动偏振转轮驱动器开关、滤光片轮驱动器开关、电压显示模块和散热孔。
所述主控系统平台的主控软件基于Windows操作系统采用C++开发，整个人机交互界面为综合控制台。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统可以用于大范围偏振特性的测量，同时兼顾跟踪及图像拼接功能。一方面，其俯仰方位转台为其提供了环形球面上半球冠景物的扫描与拍摄模式，结合图像拼接，可实现半球天空的全偏振成像；另外一方面，其自动跟踪可实现对目标的有效搜索和跟踪，待目标停止运动后进一步捕捉到有效目标的偏振信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的多功能半球天空偏振成像系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例所提供自动滤光偏振相机的结构示意图；
图3为本发明实施例所述自动滤光偏振相机的光学原理图；
图4为本发明实施例所提供俯仰方位转台的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供主控系统平台的结构框架示意图；
图6为本发明实施例所提供主控系统平台面板外置接口的示意图。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的多功能半球天空偏振成像系统的整体结构示意图，所述系统包括自动滤光偏振相机、俯仰方位转台和主控系统平台，其中：
所述自动滤光偏振相机用于实现多波段的电动及手动切换、偏振片的电动旋转，并接收所述主控系统平台发送的控制命令进行多波段的全偏振成像；
所述俯仰方位转台与所述自动滤光偏振相机稳定连接，用于调整所述自动滤光偏振相机的视场；所述俯仰方位转台能实现360度方位角度、180度俯仰角度范围的旋转；
所述俯仰方位转台直接受所述主控系统平台的控制，接收所述主控系统平台发来的命令进行相应指令的运动，并将实际运动信息返回给所述主控系统平台；
所述主控系统平台采用便携式地面站结构，用于控制所述自动滤光偏振相机的全偏振成像、所述俯仰方位转台的转动，以及偏振数据的采集、显示及存储，并能实现对场景图像的拼接。具体实现中，可以实现对典型地面、空中目标的大小不同视场的偏振成像，以及对典型地面、空中目标的手动、自动跟踪。
下面对各部分的具体组成及结构进行详细描述：
如图2所示为本发明实施例所提供自动滤光偏振相机的结构示意图，所述自动滤光偏振相机具体包括1-1滤光片轮、1-2自动偏振转轮、1-3消色差波片安装座、1-4消色差波片、1-5消色差波片转接板、1-6转轮转接板、1-7相机镜头、1-8相机安装板、1-9探测器、1-10外壳，其中：
1-1滤光片轮内安装有六片不同波段的滤光片，可实现滤光片的电动或手动切换；
1-2自动偏振转轮内安装有线偏振片，可通过驱动所述自动偏振转轮旋转改变偏振方向；
1-3消色差波片安装座内安装有1-4消色差波片，可在很宽的波长范围内实现较为一致的相位延迟；
1-9探测器通过螺纹连接固定在相机安装板上，1-1滤光片轮、1-2自动偏振转轮通过螺纹连接固定在所述转轮转接板上，1-6转轮转接板与1-8相机安装板通过螺纹固定连接；
1-3消色差波片安装座通过快拆结构安装在1-2自动偏振转轮上，进行线偏振测量时可快速拆卸，进行圆偏振测量时可快速安装；
其中，1-9探测器、1-7相机镜头、1-1滤光片轮、1-2自动偏振转轮、1-3消色差波片安装座光轴位于同一直线上；1-9探测器依次通过1-7相机镜头、1-1滤光片轮、1-2自动偏振转轮、1-3消色差波片安装座对目标进行偏振成像。
具体实现中，如图3所示为本发明实施例所述自动滤光偏振相机的光学原理图，自动滤光偏振相机对典型地面、空中目标进行偏振成像，自然光经过λ/4消色差波片再经过偏振片成为具有一致位相延迟的偏振光，或者直接经过偏振片形成线偏光，然后偏振光经过滤光片选择特定波段的光通过，最后具有特定偏振特性的特定波段的光线进入镜头以被探测器采集。
如图4所示为本发明实施例所提供俯仰方位转台的结构示意图，所述俯仰方位转台包括机械框架、传感器和硬件电路板，其中：
所述机械框架由上至下分别由俯仰轴系、方位轴系以及底座组成，所述俯仰轴系支撑俯仰框架沿垂直方向进行90°的旋转，所述方位轴系支撑方位框架沿水平方向进行180°的旋转；
所述传感器安装在所述俯仰轴系和方位轴系中；
所述硬件电路板安装在所述底座内；其中，所需要的软件算法固化在所述硬件电路板的CPU中。
具体实现中，该俯仰方位转台采用体积小、驱动力矩大的直流力矩电机，采用电机直驱的方式进行，使其响应速度快，转角精度高；在角度传感器方面，选择光电式轴角编码器进行数据采集，编码器与转台同轴连接，避免角度传递环节误差的产生。
另外，上述自动滤光偏振相机通过所述俯仰轴系末端的机械接口与所述俯仰方位转台固连，使所述自动滤光偏振相机能完成对环形球面上半球冠景物的扫描与拍摄。
上述主控系统平台的硬件包括内置计算机、内置供电模块、内置驱动器、显示器和主控系统平台面板，其中：
如图5所示为本发明实施例所提供主控系统平台的结构框架示意图，内置驱动器包括滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器；所述滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器分别用于控制所述自动滤光偏振相机中滤光片轮、自动偏振转轮的同步转动；具体实现中，所述滤光片轮驱动器通过DB15接口实现对所述自动滤光偏振相机中滤光片轮的同步转动；所述自动偏振转轮驱动器通过DB25接口实现对所述自动滤光偏振相机中自动偏振转轮的同步转动；
所述内置计算机分别与探测器、滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器、俯仰方位转台、电源管理单元连接，实现对上述部件的控制，各部件之间的控制过程具体为：
1)内置计算机通过USB3.0高速数据接口与自动滤光偏振相机中的探测器相连，实现自动滤光偏振相机成像数据采集、存储；
2)内置计算机通过高性能USB2.0串行接口与自动滤光偏振相机中的滤光片轮驱动器相连，可控制不同滤光片的自动切换；
3)内置计算机通过高性能RS232串行接口与自动滤光偏振相机中的偏振转轮驱动器相连，内置计算机实现自动控制入射光线到自动滤光偏振相机探测面的偏振角度，同时通过转动的反馈数据，可以实时精确得到当前的偏振光状态；
4)内置计算机通过控制俯仰方位转台，实现偏振相机成像的不同扫描区域，实现偏振相机的空间区域成像与跟踪。
如图6所示为本发明实施例所提供主控系统平台面板外置接口的示意图，该主控系统平台面板的外置接口包括：2-1电池充电接口；2-2自动偏振转轮接口：dB25母头；2-3滤光片轮接口：dB15母头；2-4探测器接口：USB3.0母头；2-5预留dB9接口；2-6俯仰方位转台接口：dB9公头；2-7键盘；2-8USB2.0接口，用于接鼠标，U盘等；2-9USB2.0接口，用于接鼠标，U盘等；2-10USB2.0接口，用于接鼠标，U盘等；2-11外接电源接口(24VDC)；2-12内/外部供电选择开关，“O”档，内置电源；“I”档，外接电源；2-13主控计算机电源开关；2-14自动偏振转轮驱动器开关；2-15自动滤光片轮驱动器开关；2-16电压显示模块；2-17散热孔。
具体实现中，上述主控系统平台的主控软件可以基于Windows操作系统采用C++开发，整个人机交互界面为综合控制台，所发出的指令包括：
发送给俯仰、方位转台的控制指令，与滤光片轮、偏振转轮的控制指令，相互模块间的同步转动控制和实现相机数据采集、存储和图像显示等功能，同时反馈各模块的状态、位置信息给所述主控系统平台，整个系统集成了控制、监测、分析、显示、输出等多项功能。软件实现的功能主要包括：“视场选择”、“视频跟踪”开关、“相机参数设置区”、“滤光片轮设置区”、“偏振转轮设置区”、“俯仰方位转台设置区”、“图像拼接设置区”、以及跟踪功能的“图像处理控制区”等。
另外，在所述系统中：
用于所述自动滤光偏振相机的线缆包括探测器接线、滤光片轮连接线、自动偏振转轮连接线；其中，用于所述自动滤光偏振相机的线缆可与主控系统平台面板外置接口中的自动偏振转轮接口连接；
用于所述俯仰方位转台的线缆包括俯仰方位转台供电线、俯仰方位转台串口线；其中，俯仰方位转台供电线用于连接直流电源，俯仰方位转台串口线用于俯仰方位转与所述主控系统平台面板外置接口中俯仰方位转台接口连接，进行通信传输。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
上述系统的工作过程具体包括准备工作与使用前检查、参数设置与采集、数据处理与存储，其中：
“准备工作与使用前检查”需要正确安装滤光偏振相机，并将滤光偏振相机安装于俯仰方位转台，进一步正确连接滤光偏振相机、俯仰方位转台、主控系统、电源之间的线缆，并进行使用前检查；
“参数设置与采集”可以选择相机视场、是否俯仰方位、是否采用无人值守模式、是否进行图像拼接，以及进行相机参数设置、滤光片轮参数设置、偏振转轮参数设置、俯仰方位转台参数设置等设置；
根据所设置的参数进行不同模式的采集。“数据处理与存储”则是根据设置的参数采集图像，并在保留原始采集图像的基础上，进行了S0～S3的计算、图像拼接、以及DOP、DOLP、DOCP、AOP偏振衍生图像的处理及存储。
综上所述，本发明实施例所提供的系统具有如下优点：
一方面，其俯仰方位转台为其提供了环形球面上半球冠景物的扫描与拍摄模式，结合图像拼接，可实现半球天空的全偏振成像；另外一方面，其自动跟踪可实现对目标的有效搜索和跟踪，待目标停止运动后进一步捕捉到有效目标的偏振信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，所述系统包括自动滤光偏振相机、俯仰方位转台和主控系统平台，其中：
所述自动滤光偏振相机用于实现多波段的电动及手动切换、偏振片的电动旋转，并接收所述主控系统平台发送的控制命令进行多波段的全偏振成像；
所述俯仰方位转台与所述自动滤光偏振相机稳定连接，用于调整所述自动滤光偏振相机的视场；所述俯仰方位转台能实现360度方位角度、180度俯仰角度范围的旋转；
所述俯仰方位转台直接受所述主控系统平台的控制，接收所述主控系统平台发来的命令进行相应指令的运动，并将实际运动信息返回给所述主控系统平台；
所述主控系统平台采用便携式地面站结构，用于控制所述自动滤光偏振相机的全偏振成像、所述俯仰方位转台的转动，以及偏振数据的采集、显示及存储，并能实现对场景图像的拼接。
2.根据权利要求1所述多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，所述自动滤光偏振相机具体包括探测器、相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片、消色差波片安装座、消色差波片转接板、相机安装板、转轮转接板和外壳，其中：
所述滤光片轮内安装有六片不同波段的滤光片，能实现滤光片的电动或手动切换；
所述自动偏振转轮内安装有线偏振片，能通过驱动所述自动偏振转轮的旋转改变偏振方向；
所述消色差波片安装座内安装有消色差波片，能在很宽的波长范围内实现较为一致的相位延迟；
所述探测器通过螺纹连接固定在所述相机安装板上，所述滤光片轮、自动偏振转轮通过螺纹连接固定在所述转轮转接板上，所述转轮转接板与所述相机安装板通过螺纹固定连接；
所述消色差波片安装座通过快拆结构安装在所述自动偏振转轮上，进行线偏振测量时能快速拆卸，进行圆偏振测量时能快速安装；
其中，所述探测器、相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片安装座的光轴位于同一直线上，所述探测器依次通过所述相机镜头、滤光片轮、自动偏振转轮、消色差波片安装座对待测目标进行偏振成像。
3.根据权利要求1所述多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，所述俯仰方位转台包括机械框架、传感器和硬件电路板，其中：
所述机械框架由上至下分别由俯仰轴系、方位轴系以及底座组成，所述俯仰轴系支撑俯仰框架沿垂直方向进行90°的旋转，所述方位轴系支撑方位框架沿水平方向进行180°的旋转；
所述传感器安装在所述俯仰轴系和方位轴系中；
所述硬件电路板安装在所述底座内；其中，所需要的软件算法固化在所述硬件电路板的CPU中。
4.根据权利要求3所述多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，
所述自动滤光偏振相机通过所述俯仰轴系末端的机械接口与所述俯仰方位转台固连，使所述自动滤光偏振相机能完成对环形球面上半球冠景物的扫描与拍摄。
5.根据权利要求1所述多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，所述主控系统平台的硬件包括内置计算机、内置供电模块、内置驱动器、显示器和主控系统平台面板，其中：
所述内置驱动器包括滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器；所述滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器分别用于控制所述自动滤光偏振相机中滤光片轮、自动偏振转轮的同步转动；
所述内置计算机分别与探测器、滤光片轮驱动器、自动偏振转轮驱动器、俯仰方位转台、电源管理单元连接，实现对上述部件的控制；
所述主控系统平台面板的外置接口包括：电池充电接口、自动偏振转轮接口、滤光片轮接口、相机接口、指北仪接口、鼠标接口、俯仰方位转台接口、键盘、USB2.0接口、外接电源接口、内/外部供电选择开关、主控计算机电源开关、自动偏振转轮驱动器开关、滤光片轮驱动器开关、电压显示模块和散热孔。
6.根据权利要求1所述多功能半球天空偏振成像系统，其特征在于，所述主控系统平台的主控软件基于Windows操作系统采用C++开发，整个人机交互界面为综合控制台。
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|---|---|---|---|
| CN201811027047.1A Pending CN109186770A (zh) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | 一种多功能半球天空偏振成像系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN109186770A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111272282A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-12 | 浙江大学 | 旋转式光谱成像-偏振测量系统 |
| CN113933246A (zh) * | 2021-09-27 | 2022-01-14 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种兼容f卡口镜头的紧凑型多波段全偏振成像装置 |
| CN117061854A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种用于空间目标三维感知的超构表面偏振相机结构 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000039546A1 (fr) * | 1998-12-29 | 2000-07-06 | Nikolai Petrovich Akimov | Dispositif permettant de mesurer a distance les parametres optiques et physiques d'objets |
| CN101539458A (zh) * | 2009-04-30 | 2009-09-23 | 合肥工业大学 | 全自动大气偏振模式图像获取系统及系统控制方式 |
| CN101702036A (zh) * | 2009-11-16 | 2010-05-05 | 中国科学院大气物理研究所 | 红外云天仪 |
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| CN107455361A (zh) * | 2016-06-06 | 2017-12-12 | 国网安徽省电力公司安庆供电公司 | 一种激光语音综合驱鸟装置 |
-
2018
- 2018-09-04 CN CN201811027047.1A patent/CN109186770A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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| CN117061854A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种用于空间目标三维感知的超构表面偏振相机结构 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| 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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190111 |