CN111537067A - 一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术 - Google Patents

一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学多光谱、多偏振态探测领域领域，具体公开了一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，包括标准光学系统、安装有可动光学镜头的二维压电高速高精度微扫描平台或FSM系统、可动光学镜头数据连接的探测器、上位机、高频信号控制器和图像算法处理器。本发明在原有像素级多光谱与多偏振光学探测系统中，引入一个高精度平面微扫描平台，将光学系统中某一透镜或将探测器直接固定于微动平台上，微扫描平台带动透镜运动在像面上产生1个整像素的位移，扫描模式依据滤光片宏像素确定，微扫描平台到达稳定位置，探测器开始曝光并输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像，周期循环，获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列。

Description

一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术
技术领域
本发明涉及光学多光谱、多偏振态探测领域技术领域，具体为一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术。
背景技术
自上世纪末，为了进一步提高多光谱与多偏振光学探测系统的集成度，实时性，出现了一种基于像素级滤光片技术的多光谱与多偏振光学探测系统技术，其主要由像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片，光学探测器，光学系统，显示系统构成。其在不改变光学系统的基础上，只需在探测器前方封装一块像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片便可实现多光谱多偏振态探测（如图5所示）。
采用像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片技术由于可使每个像素具备独立的光谱或偏振态探测能力，因此使光学探测系统具有多光谱或多偏振态的成像能力。其可探测的光谱通道数量或多偏振态通道数量与探测器宏像素（Micro-pixel）中包含的单元微型滤光片结构数量相同，即宏像素中包含的光谱或偏振态通道数量相同。
关于像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片的说明：
1：一个滤光片通常由2x2, 3x3, 4x4像素级微结构组的构成的多光谱或多偏振宏像素在平面X方向，Y方向复制构成的平面2D结构。每个宏像素中包含4个，9个，16个或更多单元的微型滤光片结构，每个微型滤光片结构单元均为一个独立的光谱或偏振通道。各通道的光谱与偏振性能相互独立。
2：每个微型滤光结构与探测器像素大小相同，构成独立通道的每个微型滤光结构之间的间距与像素间距相同。
3：像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片需直接紧密安装在探测器像素前方，滤光片与像素意义对应，确保光线通过每个微型滤光片结构单元均为一个独立的光谱或偏振通道后直接被滤光片后面的探测器单元像素接收。
由于探测器同像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片结合后，其探测像素矩阵被滤光片宏像素覆盖，因此其对于单一通道的光谱探测图像分辨率为探测器原始像素数量/单位矩阵内的光谱通道数量或偏振通道数量。
如探测器原始探测器分辨率为100万像素即1000 x 1000, 若采用宏像素为2x2的4通道像素级多光谱或滤光片技术后，探测系统对于单一光谱通道或单一偏振态通道的图像分辨率为25万像素，即500x500，分辨能力减小了4倍。因此其从本质上说，像素级多光谱与多偏振光学探测技术，是一种牺牲探测器空间分辨率，提升光谱通道与偏振态通道数量的探测技术。对于探测器原始分辨率较低的探测器时，采用像素级多光谱与多偏振光学探测技术，将大幅度降低图像分辨率而无法发挥其多光谱与多偏振态探测的效率。
此外，像素级多光谱或多偏振态矩阵滤光片宏像素中的光谱通道与像素通道存在一一对应的空间关系，因此当通道数较大时，容易重现通道与通道间的空间间隔较大。当使用像素级多光谱与多偏振光学探测系统进行远距离观测或大视场观测时，由于不同的通道有可能探测到不同的物体，因此对同一物体的多光谱或多偏振态进行探测时有可能失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，包括标准光学系统、安装有可动光学镜头的二维压电高速高精度微扫描平台或FSM系统（扫描平台可分为平移平台和转动平台，FSM是转动平台的一种具体实现的设备）、可动光学镜头数据连接的探测器（探测器与微扫平台无物理连接，微扫平台仅用于移动某一片透镜，光轴通过移动的透镜会发生偏折，光轴中心在探测器上的位置发生改变，可参考图2）、上位机、高频信号控制器和图像算法处理器；所述二维压电高速高精度微扫描平台是基于压电驱动的二维水平位移或两轴旋转机构，可动光学镜头与二维压电高速高精度微扫描平台物理连接（透镜卡在二维位移平台中间，通过胶水或螺钉固定）；所述可动光学镜头与探测器数据连接，可动光学镜头对标准光学系统射出的光线进行折射，使得在探测器上的成像发生偏移；所述探测器与图像算法处理器数据接口连接，且探测器将其获得的原始数据图像数据通过传输链路传入图像算法处理器（探测器与图像算法处理器之间通过专业的视频数据传输接口物理连接，包括但不限于DVI、Cameralink、PCIE和SDI），通过图像算法处理器对图像数据进行分辨率还原；所述图像算法处理器数据连接有显示器，图像算法处理器（其控制盒为上海乂义实业有限公司自研的PROD184TX-1K嵌入式图像处理器）通过数据传输链路将图像数据传输至显示器进行图像数据输出；所述二维压电高速高精度微扫描平台的控制端与高频信号控制器（其控制盒为高频信号控制器为上海乂义实业有限公司自研的PROD185XY-CCBU小型化高频控制器）之间数据连接，上位机的控制端与高频信号控制器之间数据连接。
作为本发明的一种优选方案，所述二维压电高速高精度微扫描平台带动可动光学镜头在像面上产生1个整像素的位移。
作为本发明的一种优选方案，所述探测器为集成有像素级多光谱滤光片或像素级多偏振态滤光片的探测器。
作为本发明的一种优选方案，所述二维压电高速高精度微扫描平台的扫描模式需与探测器曝光时间同步执行，与探测器帧频相匹配；以下为多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强的具体操作步骤：
S1：启动并控制上位机生成微扫描命令信号波形（如图4所示）；
S2：上位机发送命令信号至高频信号控制器；
S3：高频信号控制器接收来自上位机的命令信号，并将其输入并放大后通过数据传输输出至二维压电高速高精度微扫描平台，二维压电高速高精度微扫描平台进行微位移运动在像平面上产生1个像素大小的整体位移；
S4：二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；
S5：曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像；
S6：重复S1-S5步骤，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列。
作为本发明的一种优选方案，所述扫描平台的微扫描方式与多光谱或多偏振态通道数匹配，例如4通道，微扫描方式则为2×2；9通道，微扫描方式为3×3；16通道，微扫描方式为4×4，以此类推；每次微扫描步长为1个像素（如图2、图3所示）。
作为本发明的一种优选方案，所述图像处理的方式还原探测器的原始分辨率，通过二维压电高速高精度微扫描平台进行微扫描，使探测器的不同通道的像素均对同一空间位置高速多次序列采样，从而构建对同一物点多通道图像；通过微扫描使像面探测器的某一通道的像素在不同整像素空间位置多次序列采样，从而可重新构建同一通道原始探测器分辨率图像，从而还原探测器的原始分辨率；将低分辨原始图像序列进行按照帧序列与采样位置重新投影到探测器原始分辨率网格中，重建探测器原始分辨率多光谱与多偏振态图像，以获得与各通道高分辨率的图像，将每一个宏像素拆散并以光谱或偏振态为依据重新组合，形成多幅同一光谱或偏振态下的图像（图像处理方式如下图6）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在原有像素级多光谱与多偏振光学探测系统中，引入一个高精度平面微扫描（位移）平台，将光学系统中某一透镜固定于微动平台上或将探测器直接固定于微动平台上，通过微扫描平台带动透镜运动在像面上产生1个整像素的位移，扫描模式依据滤光片宏像素确定（扫描模式指的是扫描平台上下左右平移，带动安装在扫描平台上的透镜上下左右平移，同时光路在探测器靶面上的成像点也上下左右平移，其中探测器靶面上的成像点每一步的位移量是1个像素），二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列，本发明在不降低探测器原始分辨率的情况下，实现的多光谱或多偏振态的探测；大幅度提高了其多光谱与多偏振态探测的效率；消除了远距离观测或大视场观测时，由于探测器分辨率不足导致的失真。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的微扫模式的侧视图；
图3为本发明的微扫模式的正视图；
图4为本发明的上位机生成微扫描命令信号波形示意图；
图5为现有的基于像素级滤光片技术的多光谱与多偏振光学探测系统技术结构示意图；
图6为本发明的多光谱或多偏振态各通道高分辨率的图像方式结构示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，包括标准光学系统、安装有可动光学镜头的二维压电高速高精度微扫描平台或FSM系统、可动光学镜头数据连接的探测器、上位机、高频信号控制器和图像算法处理器；二维压电高速高精度微扫描平台是基于压电驱动的二维水平位移或两轴旋转机构，可动光学镜头与二维压电高速高精度微扫描平台物理连接；所述可动光学镜头与探测器数据连接，可动光学镜头对标准光学系统射出的光线进行折射，使得在探测器上的成像发生偏移；所述探测器与图像算法处理器数据接口连接，且探测器将其获得的原始数据图像数据通过传输链路传入图像算法处理器（探测器与图像算法处理器之间通过专业的视频数据传输接口物理连接，包括但不限于DVI、Cameralink、PCIE和SDI），通过图像算法处理器对图像数据进行分辨率还原；所述图像算法处理器数据连接有显示器，图像算法处理器（其控制盒为上海乂义实业有限公司自研的PROD184TX-1K嵌入式图像处理器）通过数据传输链路将图像数据传输至显示器进行图像数据输出；二维压电高速高精度微扫描平台的控制端与高频信号控制器之间数据连接，上位机的控制端与高频信号控制器之间数据连接。
进一步的，二维压电高速高精度微扫描平台带动可动光学镜头在像面上产生1个整像素的位移。
进一步的，探测器为集成有像素级多光谱滤光片或像素级多偏振态滤光片的探测器。
进一步的，二维压电高速高精度微扫描平台的扫描模式需与探测器曝光时间同步执行，与探测器帧频相匹配；以下为多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强的具体操作步骤：
S1：启动并控制上位机生成微扫描命令信号波形（如图4所示）；
S2：上位机发送命令信号至高频信号控制器；
S3：高频信号控制器接收来自上位机的命令信号，并将其输入并放大后通过数据传输输出至二维压电高速高精度微扫描平台，二维压电高速高精度微扫描平台进行微位移运动在像平面上产生1个像素大小的整体位移；
S4：二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；
S5：曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像；
S6：重复S1-S5步骤，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列。
进一步的，扫描平台的微扫描方式与多光谱或多偏振态通道数匹配，例如4通道，扫描方式则为2×2；9通道，扫描方式为3×3；16通道，扫描方式为4×4，以此类推；每次扫描步长为1个像素（如图2、图3所示）。
进一步的，图像处理的方式还原探测器的原始分辨率，通过二维压电高速高精度微扫描平台进行微扫描，使探测器的不同通道的像素均对同一空间位置高速多次序列采样，从而构建对同一物点多通道图像；通过微扫描使像面探测器的某一通道的像素在不同整像素空间位置多次序列采样，从而可重新构建同一通道原始探测器分辨率图像，从而还原探测器的原始分辨率；将低分辨原始图像序列进行按照帧序列与采样位置重新投影到探测器原始分辨率网格中，重建探测器原始分辨率多光谱与多偏振态图像，以获得与各通道高分辨率的图像，将每一个宏像素拆散并以光谱或偏振态为依据重新组合，形成多幅同一光谱或偏振态下的图像（图像处理方式如下图6）。
工作原理：在原有像素级多光谱与多偏振光学探测系统中，引入一个高精度平面微扫描（位移）平台，将光学系统中某一透镜固定于微动平台上或将探测器直接固定于微动平台上。通过微扫描平台带动透镜运动在像面上产生1个整像素的位移，扫描模式依据滤光片宏像素确定，如采用2x2, 3x3, 4x4模式，每一个微扫步长均为1个整像素尺寸（如下图2）。
对于反射成像系统，在原有像素级多光谱与多偏振光学探测系统中，也可引入一个高精度角摆动微扫描镜（FSM，Fast Steering Mirror），通过FSM高速扫描运动在像面上产生1个整像素的位移，扫描模式依据滤光片宏像素确定。如采用2x2, 3x3, 4x4模式，每一个微扫步长均为1个整像素尺寸（如下图3）。
无论平动扫描还是角摆动扫描均需与探测器曝光时间同步执行。其流程如下：
S1：启动并控制上位机生成微扫描命令信号波形（如图4所示）；
S2：上位机发送命令信号至高频信号控制器；
S3：高频信号控制器接收来自上位机的命令信号，并将其输入并放大后通过数据传输输出至二维压电高速高精度微扫描平台，二维压电高速高精度微扫描平台进行微位移运动在像平面上产生1个像素大小的整体位移；
S4：二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；
S5：曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像；
S6：重复S1-S5步骤，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列。
通过微扫描使像面探测器的不同通道的像素均对同一空间位置高速多次序列采样，从而构建对同一物点多通道图像。通过微扫描使像面探测器的某一通道的像素在不同整像素空间位置多次序列采样，从而可重新构建同一通道原始探测器分辨率图像，从而还原探测器的原始分辨率。将低分辨原始图像序列进行按照帧序列与采样位置重新投影到探测器原始分辨率网格中，重建探测器原始分辨率多光谱与多偏振态图像（图像处理方式如下图6）。
本发明在原有像素级多光谱与多偏振光学探测系统中，引入一个高精度平面微扫描（位移）平台，将光学系统中某一透镜固定于微动平台上或将探测器直接固定于微动平台上，通过微扫描平台带动透镜运动在像面上产生1个整像素的位移，扫描模式依据滤光片宏像素确定，二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列，本发明在不降低探测器原始分辨率的情况下，实现的多光谱或多偏振态的探测；大幅度提高了其多光谱与多偏振态探测的效率；消除了远距离观测或大视场观测时，由于探测器分辨率不足导致的失真。
二维压电高速高精度微扫描平台的微动机构采用上海乂义实业有限公司自研的PROD186XY-ST微动平动平台或PROD186DTT-SI角摆动平台，其利用两轴压电激励器，驱动透镜或反射镜，使光学系统光轴在焦平面上产生1个像素的位移。
值得注意的是：整个装置通过控制盒对其实现控制，由于控制盒匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，包括标准光学系统、安装有可动光学镜头的二维压电高速高精度微扫描平台或FSM系统、可动光学镜头数据连接的探测器、上位机、高频信号控制器和图像算法处理器，其特征在于，所述二维压电高速高精度微扫描平台是基于压电驱动的二维水平位移或两轴旋转机构，可动光学镜头与二维压电高速高精度微扫描平台物理连接；所述可动光学镜头与探测器数据连接，可动光学镜头对标准光学系统射出的光线进行折射，使得在探测器上的成像发生偏移；所述探测器与图像算法处理器数据接口连接，且探测器将其获得的原始数据图像数据通过传输链路传入图像算法处理器，通过图像算法处理器对图像数据进行分辨率还原；所述图像算法处理器数据连接有显示器，图像算法处理器通过数据传输链路将图像数据传输至显示器进行图像数据输出；所述二维压电高速高精度微扫描平台的控制端与高频信号控制器之间数据连接，上位机的控制端与高频信号控制器之间数据连接。
2.根据权利要求1所述的一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，其特征在于：所述探测器为集成有像素级多光谱滤光片或像素级多偏振态滤光片的探测器。
3.根据权利要求1或2所述的一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，其特征在于：所述二维压电高速高精度微扫描平台的扫描模式需与探测器曝光时间同步执行，与探测器帧频相匹配；以下为多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强的具体操作步骤：
S1：启动并控制上位机生成微扫描命令信号波形；
S2：上位机发送命令信号至高频信号控制器；
S3：高频信号控制器接收来自上位机的命令信号，并将其输入并放大后通过数据传输输出至二维压电高速高精度微扫描平台，二维压电高速高精度微扫描平台进行微位移运动在像平面上产生1个像素大小的整体位移；
S4：二维压电高速高精度微扫描平台扫描结束并到达稳定位置后，探测器开始曝光；
S5：曝光结束后，相机输出多通道光谱或偏振态低分辨率图像；
S6：重复S1-S5步骤，周期循环，从而获取多通道光谱或偏振态低分辨率图像序列。
4.根据权利要求4所述的一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，其特征在于：所述扫描平台的微扫描方式与多光谱或多偏振态通道数匹配，例如4通道，微扫描方式则为2×2；9通道，微扫描方式为3×3；16通道，微扫描方式为4×4，以此类推；每次微扫描步长为1个像素。
5.根据权利要求4所述的一种像素级多光谱与像素级多偏振态探测分辨率增强技术，其特征在于：所述图像处理的方式还原探测器的原始分辨率，通过二维压电高速高精度微扫描平台进行微扫描，使探测器的不同通道的像素均对同一空间位置高速多次序列采样，从而构建对同一物点多通道图像；通过微扫描使像面探测器的某一通道的像素在不同整像素空间位置多次序列采样，从而可重新构建同一通道原始探测器分辨率图像，从而还原探测器的原始分辨率；将低分辨原始图像序列进行按照帧序列与采样位置重新投影到探测器原始分辨率网格中，重建探测器原始分辨率多光谱与多偏振态图像，以获得与各通道高分辨率的图像，将每一个宏像素拆散并以光谱或偏振态为依据重新组合，形成多幅同一光谱或偏振态下的图像。
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