CN111735539A - 基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，旨在解决现有的偏振光谱成像探测技术实用性差、光路复杂、体积较大，且偏振态非同步探测的技术问题，本发明包括沿光路依次设置的前置光学望远单元、光谱单元、探测单元以及控制与信号处理单元；前置光学望远单元将目标反射光准直出射；光谱单元包括至少一个旋转框架和与旋转框架一一对应的旋转组件；旋转组件驱动旋转框架旋转，从而将旋转框架上不同波段的滤波片或第一通光孔切换至光路上；探测单元包括依次设置的成像镜组、偏振组件及探测器；控制与信号处理单元接收偏振光谱图像并进行实时预处理，以及信息的重构与信息融合。该光谱成像探测装置光路简单且体积非常小。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像探测装置，具体涉及一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置。
背景技术
光谱成像和偏振成像相结合形成了一种新的光学遥感技术——偏振光谱成像技术，该技术能够集目标的图像信息、光谱信息和偏振态信息融于一体的新型探测技术，具有明显的原理先进性和技术优势，光谱成像类设备可能存在“同谱异物”和“同物异谱”的现象，在识别目标的精准度方面可能存在一定的局限性。在图像与光谱信息中加入偏振信息后，可达到最佳探测与识别能力。尤其适合在浑浊介质(烟、雾、霾、尘、水体等)等条件下的目标探测，也由偏振态具备的“强光弱化”和“弱光强化”特点，可以极大延伸遥感暗-亮两端的探测区。同时，用偏振手段对大气衰减可以进行精确刻画和规律发现，可为新大气窗口理论提供客观依据。
然而，现有的偏振光谱成像探测技术存在实用性差、光路复杂、体积较大，且偏振态非同步探测等不足。
发明内容
本发明旨在解决现有的偏振光谱成像探测技术实用性差、光路复杂、体积较大，且偏振态非同步探测的技术问题，而提供一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置光学望远单元、光谱单元、探测单元以及控制与信号处理单元；
所述前置光学望远单元将目标反射光准直出射；
所述光谱单元包括至少一个旋转框架和与旋转框架一一对应的旋转组件；所述旋转框架上绕其中心且沿同一圆周设有多个安装孔，其中一个安装孔为第一通光孔，其他安装孔上分别安装有不同波段的滤波片，用于对准直后的目标反射光进行滤波；所述旋转组件与旋转框架的中心处连接，用于驱动旋转框架旋转，从而将不同波段的滤波片或第一通光孔切换至光路上；
所述探测单元包括依次设置的成像镜组、偏振组件及探测器；所述成像镜组将滤波后的目标反射光成像于偏振组件进行偏振态调制；所述探测器用于获取偏振光谱图像；
所述控制与信号处理单元接收偏振光谱图像并进行实时预处理，以及信息的重构与信息融合。
进一步地，所述旋转组件包括固定座、垂直安装于固定座上的支撑板、其本体安装于固定座上的电机、设置于支撑板与电机之间的传动轴和传动组件；所述传动轴一端穿过支撑板与旋转框架的中心处固定连接，另一端通过传动组件和电机的输出端连接，使得电机通过传动组件和传动轴驱动旋转框架旋转，从而切换不同的安装孔至光路上；
所述电机与控制与信号处理单元连接；
所述支撑板上设有直径大于或等于安装孔直径的第二通光孔；所述安装孔可以旋转至与第二通光孔的位置相对应，使得目标反射光可依次穿过安装孔和第二通光孔。
进一步地，所述偏振组件包括第一偏振单元；
所述第一偏振单元由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成。
进一步地，所述偏振组件包括第二偏振单元；
所述第三偏振单元由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和90度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成。
进一步地，所述偏振组件包括第三偏振单元；
所述第三偏振单元由0度线偏方向、45度线偏方向、90度线偏方向和135度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成，n为大于等于1的正整数。
进一步地，所述偏振组件是由第一偏振单元、第二偏振单元和第三偏振单元中的至少一种以n×n矩阵形式任意组合配置而成；
所述第一偏振单元由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成；
所述第二偏振单元由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和圆偏振方向以2*2矩阵形式配置而成；
所述第三偏振单元(323)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和90度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成。
进一步地，所述传动组件包括安装于电机上的主动轮、安装于传动轴上的从动轮，以及安装于主动轮与从动轮上的同步传动带。
进一步地，所述前置光学望远单元包括沿光路依次设置的前置镜组、视场光阑以及准直镜组；
所述前置镜组实现目标反射光线的前置收集，并将目标反射光线入射至视场光阑，视场光阑对目标反射光线进行视场选择调整，后经准直镜组准直出射至光谱单元。
进一步地，还包括输出单元，用于将重构与融合之后的图像输出。
进一步地，所述偏振组件镀覆于探测器的靶面上；或者，所述偏振组件镀覆于玻璃片上，并贴近探测器的靶面设置。
本发明的有益效果是：
1、本发明的光谱成像探测装置相比传统的偏振光谱成像装置，具有偏振同步光谱获取的能力且体积非常小，光路简单紧凑且实用。
2、本发明的光谱成像探测装置无需推扫，具有较好的稳定性。
3、本发明的光谱成像探测装置光路简洁，系统大幅简化。
附图说明
图1是本发明基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置的结构示意图；
图2是本发明中旋转框架和旋转组件的结构示意图；
图3是图2的侧视图；
图4是本发明中第一偏振单元的配置图；
图5是本发明中第二偏振单元的配置图；
图6是本发明中第三偏振单元的配置图；
图7是本发明中四个第一偏振单元以2*2矩阵形式组合的配置图。
附图说明：
1-前置光学望远单元，11-前置镜组，12-视场光阑，13-准直镜组；
2-光谱单元，21-旋转框架，211-安装孔，22-滤波片，23-固定座，24-支撑板，241-第二通光孔，25-电机，26-传动轴，27-传动组件，271-主动轮，272-从动轮，273-同步传动带；
3-探测单元，31-成像镜组，32-偏振组件，321-第一偏振单元，322-第二偏振单元，323-第三偏振单元，33-探测器；
4-控制与信号处理单元，
5-输出单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，如图1所示，包括沿光路依次设置的前置光学望远单元1、光谱单元2、探测单元3、控制与信号处理单元4以及输出单元5；
前置光学望远单元1包括沿光路依次设置的前置镜组11、视场光阑12以及准直镜组13；前置镜组11实现目标反射光线的前置收集，并将目标反射光线入射至视场光阑12，视场光阑12对目标反射光线进行视场选择调整，后经准直镜组13准直出射至光谱单元2。
光谱单元2包括至少一个旋转框架21和与旋转框架21一一对应的旋转组件；如图2、图3所示，旋转框架21上绕其中心且沿同一圆周设有多个安装孔211，其中一个安装孔211为第一通光孔，其他安装孔211上分别安装有不同波段的滤波片22，用于对准直后的目标反射光进行滤波；旋转组件与对应的旋转框架21的中心处连接，用于驱动旋转框架21旋转，从而将不同波段的滤波片22或第一通光孔切换至光路上；具体的，旋转组件包括固定座23、垂直安装于固定座23上的支撑板24、其本体安装于固定座23上的电机25、设置于支撑板24与电机25之间的传动轴26和传动组件27；传动轴26一端穿过支撑板24与旋转框架21的中心处固定连接，另一端通过传动组件27和电机25的输出端连接，使得电机25通过传动组件27和传动轴26驱动旋转框架21旋转，从而切换不同的安装孔211至光路上；传动组件27包括安装于电机25上的主动轮271、安装于传动轴26上的从动轮272，以及安装于主动轮271与从动轮272上的同步传动带273；支撑板24上设有直径大于或等于安装孔211直径的第二通光孔241；第二通光孔241的位置与安装孔211对应，即安装孔211可以旋转至与第二通光孔241的位置相对应，使得目标反射光可依次穿过安装孔211和第二通光孔241。
探测单元3包括依次设置的成像镜组31、偏振组件32及探测器33；成像镜组31将滤波后的目标反射光成像于偏振组件32进行偏振态调制；探测器33用于获取偏振光谱图像；可将偏振组件32镀覆于探测器33的靶面上或镀覆于玻璃上靠近探测器33的靶面设置。
偏振组件32的配置方式多种多样，本发明提供以下四种：
第一种：如图4所示，偏振组件32包括第一偏振单元321；第一偏振单元321由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成。
第二种：如图5所示，偏振组件32包括第二偏振单元322；第二偏振单元322由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和圆偏振方向以2*2矩阵形式配置而成。
第三种：如图6所示，偏振组件32包括第三偏振单元323；第三偏振单元323由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和90度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成。
第四种：如图7所示，偏振组件32是由上述的第一偏振单元321、第二偏振单元322和第三偏振单元323中的至少一种以n×n矩阵形式任意组合配置而成，n为大于等于1的正整数；第一偏振单元321由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成；
控制与信号处理单元4为小型嵌入式处理单元；控制与信号处理单元4由主控芯片(FPGA、DSP、ARM)组成的信号处理板组成，通过信号接收与实时预处理模块实现信号接收与实时预处理，通过信息重构与融合模块实现多维信息的重构与融合，最后由输出单元5通过输出链路及终端输出，同时电机还与控制与信号处理单元4连接，通过控制与信号处理单元4控制驱动。
探测方式如下：目标反射光经过前置光学系统1后，进入光谱单元2，实现目标反射光的光谱选择并输出，光谱的谱段选择通过电调谐驱动电机25，实现滤波片22的旋转和选择；再经成像镜组31和偏振组件32，实现偏振态调制，最后成像于探测器33上，再通过小型嵌入式控制与信号处理单元4实现信号的接收与预处理、信息的重构与信息融合，最后通过输出单元5的输出链路传输至终端。
Claims (10)
1.一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学望远单元(1)、光谱单元(2)、探测单元(3)以及控制与信号处理单元(4)；
所述前置光学望远单元(1)将目标反射光准直出射；
所述光谱单元(2)包括至少一个旋转框架(21)和与旋转框架(21)一一对应的旋转组件；所述旋转框架(21)上绕其中心且沿同一圆周设有多个安装孔(211)，其中一个安装孔(211)为第一通光孔，其他安装孔(211)上分别安装有不同波段的滤波片(22)，用于对准直后的目标反射光进行滤波；所述旋转组件与对应的旋转框架(21)的中心处连接，用于驱动旋转框架(21)旋转，从而将不同波段的滤波片(22)或第一通光孔切换至光路上；
所述探测单元(3)包括依次设置的成像镜组(31)、偏振组件(32)及探测器(33)；所述成像镜组(31)将滤波后的目标反射光成像于偏振组件(32)进行偏振态调制；所述探测器(33)用于获取偏振光谱图像；
所述控制与信号处理单元(4)接收偏振光谱图像并进行实时预处理，以及信息的重构与信息融合。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述旋转组件包括固定座(23)、垂直安装于固定座(23)上的支撑板(24)、其本体安装于固定座(23)上的电机(25)、设置于支撑板(24)与电机(25)之间的传动轴(26)和传动组件(27)；所述传动轴(26)一端穿过支撑板(24)与旋转框架(21)的中心处固定连接，另一端通过传动组件(27)和电机(25)的输出端连接，使得电机(25)通过传动组件(27)和传动轴(26)驱动旋转框架(21)旋转，从而切换不同的安装孔(211)至光路上；
所述电机(25)与控制与信号处理单元(4)连接；
所述支撑板(24)上设有直径大于或等于安装孔(211)直径的第二通光孔(241)；所述安装孔(211)可以旋转至与第二通光孔(241)的位置相对应，使得目标反射光可依次穿过安装孔(211)和第二通光孔(241)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述偏振组件(32)包括第一偏振单元(321)；
所述第一偏振单元(321)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述偏振组件(32)包括第二偏振单元(322)；
所述第二偏振单元(322)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和圆偏振方向以2*2矩阵形式配置而成。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述偏振组件(32)包括第三偏振单元(323)；
所述第三偏振单元(323)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和90度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述偏振组件(32)是由第一偏振单元(321)、第二偏振单元(322)和第三偏振单元(323)中的至少一种以n×n矩阵形式任意组合配置而成，n为大于等于1的正整数；
所述第一偏振单元(321)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和非偏振方向以2*2矩阵形式配置而成；
所述第二偏振单元(322)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和圆偏振方向以2*2矩阵形式配置而成；
所述第三偏振单元(323)由0度线偏方向、45度线偏方向、135度线偏方向和90度线偏方向以2*2矩阵形式配置而成。
7.根据权利要求2所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述传动组件(27)包括安装于电机(25)上的主动轮(271)、安装于传动轴(26)上的从动轮(272)，以及安装于主动轮(271)与从动轮(272)上的同步传动带(273)。
8.根据权利要求7所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述前置光学望远单元(1)包括沿光路依次设置的前置镜组(11)、视场光阑(12)以及准直镜组(13)；
所述前置镜组(11)实现目标反射光线的前置收集，并将目标反射光线入射至视场光阑(12)，视场光阑(12)对目标反射光线进行视场选择调整，后经准直镜组(13)准直出射至光谱单元(2)。
9.根据权利要求8所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：还包括输出单元(5)，用于将重构与融合之后的图像输出。
10.根据权利要求9所述的一种基于偏振同步调制与可调滤光的光谱成像探测装置，其特征在于：所述偏振组件(32)镀覆于探测器(33)的靶面上；或者，所述偏振组件(32)镀覆于玻璃片上，并贴近探测器(33)的靶面设置。
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