CN111948148A - 一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法，属于光学特性测试技术领域，包括光源照射系统、转台、特性测量系统、数据处理系统、目标稳定平台以及控制箱。本发明将强度成像、光谱成像、偏振成像功能相结合，同时具有强度、光谱、偏振三者的优势。多光谱偏振成像探测技术在一定程度上具有实现“凸显目标”、“穿透烟雾”、“辨别真伪”的独特优势，可以发展为复杂环境下低可探测目标的探测与识别的一种有效手段，与强度成像、光谱成像探测手段实现互补，从而提高目标探测与识别能力。

Description

一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法
技术领域
本发明属于光学特性测试技术领域，特别是涉及到一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法。
背景技术
偏振二向反射模型pBRDF完整地描述了材料的偏振反射特性，不但可以量化方向散射的大小，还能够给出散射的偏振特性。pBRDF测量与建立方面，具有代表性的成果如下：2001年，安徽光机所研制的三通道航空偏振成像仪由三台CMOS相机组合。探测波段在可见光、近红外波段。每个通道各自选择波片。还研制了偏振辐射度计和航空多波段偏振相机，进行大气气溶胶、光学厚度方面研究。2002年，上海技物所研制的六通道偏振成像探测器(卷云计SZ-3)，装载于神舟三号飞船上用于大气卷云、冰晶云探测预报。在目标光谱探测方面，具有代表性的成果如下：1993～1994年，美军分别在红石兵工厂、赖特·帕特森空军基地和陆军白沙导弹试验场等地进行一系列红外超光谱现场测试，光谱分辨率为8cm-1的高灵敏度傅里叶变换红外光谱仪，在树冠、草地、雪地和沙漠等背景中,对涂有军用涂料的靶板、军用和民用车辆进行了试验。结果表明，自然背景的辐射谱段之间存在很高的相关性,可以选择合适的探测谱段区分目标和背景，即使在昼夜、夜昼交替时刻探测性能也不受影响。
传统探测方法存在着所需能量阈值一般很低，因而，复杂环境下目标探测成像时难以识别目标，大多不是因为能量不足，而是由于目标背景对比度不够高，无法从复杂背景中分辨出来。在雾霾、烟尘等干扰的复杂环境下，其中的目标常常是隐身、伪装等低可探测目标，势必造成传统光电成像探测识别能力下降。为了克服这些困难，现有技术中亟需提出了一种新的目标多谱段偏振特性测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法，将强度成像、光谱成像、偏振成像功能相结合，同时具有强度、光谱、偏振三者的优势。多光谱偏振成像探测技术在一定程度上具有实现“凸显目标”、“穿透烟雾”、“辨别真伪”的独特优势，可以发展为复杂环境下低可探测目标的探测与识别的一种有效手段，与强度成像、光谱成像探测手段实现互补，从而提高目标探测与识别能力。
一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置，其特征是：包括光源照射系统、转台、特性测量系统、数据处理系统、目标稳定平台以及控制箱，所述转台为半球形支架转台；所述光源照射系统设置在转台上，可沿转台的半球形支架滑动；所述特性测量系统设置在转台上，可沿转台的半球形支架滑动；所述控制箱与转台连接，用于控制光源照射系统和特性测量系统在支架上的固定位置；所述目标稳定平台设置在转台下表面上部中心位置；所述数据处理系统的信号输入端与光源照射系统和特性测量系统连接。
一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量方法，其特征是：应用所述的一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、入射面内的散射分布测量
将被测空间目标放置在目标稳定平台上，通过控制箱固定光源照射系统方位角，确定俯仰角，通过控制箱控制特性测量系统方位角与光源照射系统方位角一致，改变特性测量系统俯仰角从0°～90°测量；重复所述测量方法，从-90°～90°改变光源照射系统俯仰角，改变特性测量系统俯仰角从0°～90°测量，获得全角度入射面内的散射分布量；
步骤二、固定入射角，半球空间探测
将被测空间木耙放置在目标稳定平台上，光源照射系统方位角和俯仰角确定，特性测量系统方位角从0°～360°，俯仰角-90°～90°，每间隔1°进行半球空间测量；
步骤三、偏振特性数据获取
对光源照射系统的光源及特性测量系统的探测器产生或接收的线偏振及圆偏振特性的性能进行标定，对被测空间目标的偏振散射特性进行定量化测量，获取被测空间目标的偏振特性数据；
步骤四、获得多谱段偏振融合信息，完成被测空间目标的探测
采用多谱段动态偏振信息融合技术，对红外偏振动态序列与可见光序列、可见光偏振序列进行融合，首先对红外灰度动态序列及可见光偏振动态序列中的目标信息进行检测，将检测到的运动目标与可见光序列中各帧图像分别进行预处理，并进行图像间配准，对配准后各分量进行多尺度信息融合，得到多谱段偏振融合信息，获得被测空间目标的探测信息。
所述步骤一和步骤二测量过程中，被测空间目标放置在xy平面上，x轴为方位角起始0°，逆时针为正；俯仰角以xy平面为0°，顺时针方向从0°～180°为正。
所述步骤三中被测空间目标全偏振特性的测量在相应光源、照射和探测角度下，线偏振片转至0°、45°、90°、135°进行测量获取线偏振信息，线偏振结合四分之一波片进行测量获取圆偏振信息，从而获得该照射和探测角度下全斯托克斯Stokes参量总光强度I、X轴方向直线偏振光分量Q、45°方向直线偏振分光量U、右旋圆偏振光分量V，并计算得到偏振度、偏振角等特性信息，之后变换角度，获取不同角度对应的基础材质偏振特性。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法，主要采用比对测试法,即在相同的测试条件下，将测得样品反射光的电压值，同已知反射率标准板对应角度的电压相比较，就可计算出样品的反射率。测试方法的优点主要有：有效去除了系统误差，测量结果准确。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置结构示意图。
图2为一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量方法流程示意框图。
图中1-光源照射系统、2-转台、3-特性测量系统、4-数据处理系统、5-目标稳定平台、6-控制箱。
具体实施方式
一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法，其装置如图1所示，包括光源照射系统1、转台2、特性测量系统3、数据处理系统4、目标稳定平台5以及控制箱6，所述转台2为半球形支架转台；所述光源照射系统1设置在转台2上，可沿转台2的半球形支架滑动；所述特性测量系统3设置在转台2上，可沿转台2的半球形支架滑动；所述控制箱6与转台2连接，用于控制光源照射系统1和特性测量系统3在支架2上的固定位置；所述目标稳定平台5设置在转台2下表面上部中心位置；所述数据处理系统的信号输入端与光源照射系统1和特性测量系统3连接。
其中，光源照射系统1可实现多光场照射，转台2与控制箱6配合实现照射与探测的多角度，特性测量系统3实现多维度特性测试，数据处理系统4实现数据的整理分类与处理，目标稳定平台5实现目标的稳定承载。
本实施例的具体部件采用光源照射系统1采用HSX-F300型氙灯光源；特性测量系统3采用空间光电技术研究所的双向反射测量系统；目标稳定平台5采用空间光电技术研究所研制的用于承载光源、探测器和被测空间目标，并利用探测器测量被测空间目标在不同照射高角下，上半球空间内的散射特性其中，探测器采用荷兰ADMESY公司的Asteria系列的光亮度计加装与光源对应的滤光片；数据处理系统4采用多谱段动态偏振信息融合技术，具有SP-BRDF光谱偏振二向反射函数分析功能和数据管理功能。
一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置及方法，其方法如图2所示，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、入射面内的散射分布测量
将被测空间目标放置在目标稳定平台5上，通过控制箱6固定光源照射系统1方位角，确定俯仰角，通过控制箱6控制特性测量系统3方位角与光源照射系统1方位角一致，改变特性测量系统3俯仰角从0°～90°测量；重复所述测量方法，从-90°～90°改变光源照射系统1俯仰角，改变特性测量系统3俯仰角从0°～90°测量，获得全角度入射面内的散射分布量；
步骤二、固定入射角，半球空间探测
将被测空间木耙放置在目标稳定平台5上，光源照射系统1方位角和俯仰角确定，特性测量系统3方位角从0°～360°，俯仰角-90°～90°，每间隔1°进行半球空间测量；
步骤三、偏振特性数据获取
对光源照射系统1的光源及特性测量系统3的探测器产生或接收的线偏振及圆偏振特性的性能进行标定，对被测空间目标的偏振散射特性进行定量化测量，获取被测空间目标的偏振特性数据；
步骤四、获得多谱段偏振融合信息，完成被测空间目标的探测
采用多谱段动态偏振信息融合技术，对红外偏振动态序列与可见光序列、可见光偏振序列进行融合，首先对红外灰度动态序列及可见光偏振动态序列中的目标信息进行检测，将检测到的运动目标与可见光序列中各帧图像分别进行预处理，并进行图像间配准，对配准后各分量进行多尺度信息融合，得到多谱段偏振融合信息，获得被测空间目标的探测信息。
所述步骤一和步骤二的测量中，被测样品放置在xy平面上，x轴为方位角起始0°，逆时针为正(入射和探测均如此)。俯仰角也是xy平面为0°，顺时针方向从0°～180°。对被测样品目前主要考虑各向同性，因此入射光只考虑在指定入射面内改变俯仰角作为输入条件，分别测量了入射面的反射分布和半球空间的散射分布。
所述步骤三中被测空间目标全偏振特性的测量在相应光源、照射和探测角度下，线偏振片转至0°、45°、90°、135°进行测量获取线偏振信息，线偏振结合四分之一波片进行测量获取圆偏振信息，从而获得该照射和探测角度下全斯托克斯Stokes参量总光强度I、X轴方向直线偏振光分量Q、45°方向直线偏振分光量U、右旋圆偏振光分量V，并计算得到偏振度、偏振角等特性信息，之后变换角度，获取不同角度对应的基础材质偏振特性。
具体的被测空间目标的BRDF测量首先需要对设备中使用的光源照射系统1进行标定，标定过程主要为：将偏振器件耦合到光度计前段，通过旋转偏振器件，获取对应的亮度值。表为标定结果，通过氙灯光源的标定结果可知：BRDF测量设备的光源可以近似看作自然光源。各偏振方向的亮度平均值为23.5cd/cm2，标准差为0.5cd/cm2，各偏振方向亮度值与亮度平均值偏差不超过3.8％。
本发明将强度成像、光谱成像、偏振成像功能相结合，同时具有强度、光谱、偏振三者的优势。多光谱偏振成像探测技术在一定程度上具有实现“凸显目标”、“穿透烟雾”、“辨别真伪”的独特优势，可以发展为复杂环境下低可探测目标的探测与识别的一种有效手段，与强度成像、光谱成像探测手段实现互补，从而提高目标探测与识别能力。

Claims (4)

1.一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置，其特征是：包括光源照射系统(1)、转台(2)、特性测量系统(3)、数据处理系统(4)、目标稳定平台(5)以及控制箱(6)，所述转台(2)为半球形支架转台；所述光源照射系统(1)设置在转台(2)上，可沿转台(2)的半球形支架滑动；所述特性测量系统(3)设置在转台(2)上，可沿转台(2)的半球形支架滑动；所述控制箱(6)与转台(2)连接，用于控制光源照射系统(1)和特性测量系统(3)在支架(2)上的固定位置；所述目标稳定平台(5)设置在转台(2)下表面上部中心位置；所述数据处理系统的信号输入端与光源照射系统(1)和特性测量系统(3)连接。
2.一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量方法，其特征是：应用权利要求1所述的一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、入射面内的散射分布测量
将被测空间目标放置在目标稳定平台(5)上，通过控制箱(6)固定光源照射系统(1)方位角，确定俯仰角，通过控制箱(6)控制特性测量系统(3)方位角与光源照射系统(1)方位角一致，改变特性测量系统(3)俯仰角从0°～90°测量；重复所述测量方法，从-90°～90°改变光源照射系统(1)俯仰角，改变特性测量系统(3)俯仰角从0°～90°测量，获得全角度入射面内的散射分布量；
步骤二、固定入射角，半球空间探测
将被测空间木耙放置在目标稳定平台(5)上，光源照射系统(1)方位角和俯仰角确定，特性测量系统(3)方位角从0°～360°，俯仰角-90°～90°，每间隔1°进行半球空间测量；
步骤三、偏振特性数据获取
对光源照射系统(1)的光源及特性测量系统(3)的探测器产生或接收的线偏振及圆偏振特性的性能进行标定，对被测空间目标的偏振散射特性进行定量化测量，获取被测空间目标的偏振特性数据；
步骤四、获得多谱段偏振融合信息，完成被测空间目标的探测
采用多谱段动态偏振信息融合技术，对红外偏振动态序列与可见光序列、可见光偏振序列进行融合，首先对红外灰度动态序列及可见光偏振动态序列中的目标信息进行检测，将检测到的运动目标与可见光序列中各帧图像分别进行预处理，并进行图像间配准，对配准后各分量进行多尺度信息融合，得到多谱段偏振融合信息，获得被测空间目标的探测信息。
3.根据权利要求1所述的一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量方法，其特征是：所述步骤一和步骤二测量过程中，被测空间目标放置在xy平面上，x轴为方位角起始0°，逆时针为正；俯仰角以xy平面为0°，顺时针方向从0°～180°为正。
4.根据权利要求1所述的一种多光场多角度多维度光谱偏振特性测量方法，其特征是：所述步骤三中被测空间目标全偏振特性的测量在相应光源、照射和探测角度下，线偏振片转至0°、45°、90°、135°进行测量获取线偏振信息，线偏振结合四分之一波片进行测量获取圆偏振信息，从而获得该照射和探测角度下全斯托克斯Stokes参量总光强度I、X轴方向直线偏振光分量Q、45°方向直线偏振分光量U、右旋圆偏振光分量V，并计算得到偏振度、偏振角等特性信息，之后变换角度，获取不同角度对应的基础材质偏振特性。
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