CN113055566A - 一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法 - Google Patents

一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法，该装置包括镜头模块、偏振片、角度旋转模块、高速相机成像模块；偏振片设置在高速相机成像模块前，角度旋转模块带动偏振片绕自身光轴匀速旋转，外部光线经过光学镜头会聚再经过偏振片入射到高速相机成像模块内，高速相机成像模块用于在偏振片匀速旋转过程中曝光多次，测量目标场景在不同偏振角度下的光强图像，并使用拍取的光强图像求解偏振图像。本发明能提高分时法偏振成像的成像帧频，实现对一定运动目标的跟踪拍摄，并改善分时法的实时性，从而能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证两者之间相互制约的矛盾。

Description

一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法
技术领域
本发明涉及偏振成像技术领域，尤其涉及一种基于分时法的快速偏振成像的装置及方法.
背景技术
偏振是电磁波的重要特征之一，物质的偏振特性与性质密切相关，近年光电技术的发展催生了很多先进的目标信息探测技术，偏振成像技术就是其中的一个重要研究方向，偏振成像能够获取目标的二维图像信息和偏振态信息。偏振参数能够很好地表征被探测目标的性质特征，偏振信息在表达低照度和人工建筑目标方面有更丰富的内涵，反映目标的物理属性。偏振成像在军事侦察、伪装检测及航天遥感方面有着广泛的前景。
偏振成像技术可按同一像元偏振分量的获取方式来分类，主要分为以下四类，分别是分时、分振幅、分孔径以及分焦平面法。分时法因其结构简单、成本低等优点，是现在常用的偏振成像方法之一，目前分时法普遍按照时序依次获取同一目标场景不同偏振角度的三幅或者四幅光强图像来得到探测目标的偏振特性。
因为改变偏振测量角度的过程中需要一定的时间调节，当改变偏振测量角度所需时间较长时，分时法更适用于测量过程中目标和偏振成像探测系统处于相对静止状态的场合，在探测运动目标时测量结果误差较大。故目前的分时法一般意义上限于对(准)静态目标的偏振成像探测，存在一定的局限性。且由于受偏振片旋转速度、解偏算法等因素影响，偏振成像帧频较低，不能满足动态目标偏振探测，实时性有待改善。
例如针对大气探测的偏振测量仪器POLDER，其采用旋转片轮的方式，受其转轮调谐技术方案的限制，测量帧频很低(2-3FPS)；亚利桑那大学与美国陆军工程研发中心合作研制了计算层析通道型光谱偏振成像仪CTISP，在偏振分析仪转轮上安装了多个不同偏振方向的偏振片和波片，该装置每设置一次偏振器件位置，进行一次成像。其缺点是完成一次偏振信息的测量需要较长时间，不能够在目标快速变化的情况下使用。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法，以期能提高目前基于分时法偏振成像的成像帧频，实现对一定运动目标的跟踪拍摄，并改善分时法的实时性，从而能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证这两者之间相互制约的矛盾。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于分时法的快速偏振成像装置的特点在于，包括：镜头模块、角度旋转模块、偏振片、高速相机成像模块；
在所述高速相机成像模块的前方设置有所述偏振片，所述角度旋转模块带动所述偏振片匀速旋转的同时，所述镜头模块中的光学镜头将外部光线会聚后再经过所述偏振片入射到所述高速相机成像模块内，所述高速相机成像模块在所述偏振片连续匀速旋转过程中拍摄目标场景在不同偏振角度下的多幅光强图像以用于求解偏振图像。
本发明所述的基于分时法的快速偏振成像装置的特点也在于：所述高速相机成像模块在所述偏振片每次旋转一圈的时间内至少曝光五次。
所述角度旋转模块带动所述偏振片每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块拍摄一次图像，从而得到一系列在不同偏振角度下曝光时所拍摄的光强图像，其中，α<45°。
所述角度旋转模块包括：电机、转速检测装置和电机控制模块；
所述转速检测装置用于检测所述偏振片的转速，并实时向所述电机控制模块反馈所述偏振片的转速信息，所述电机控制模块再根据所述转速检测装置实时反馈的转速信息判断是否生成相应的转动控制指令送给所述电机，从而实现对所述偏振片的转速闭环控制。
所述电机为空心电机，从所述镜头模块中的光学透镜出射的光线在所述空心电机中心的孔径中通过，且所述偏振片置于所述空心电机的孔径内部。
本发明一种基于分时法的快速偏振成像方法的特点是应用于由镜头模块、角度旋转模块、偏振片、高速相机成像模块所组成的成像装置中，并按如下步骤进行：
S1、令所述偏振片绕其自身光轴旋转，当所述偏振片匀速平稳转动后，令所述高速相机成像模块开始拍照，并设定所述偏振片的透光轴与参考轴的初始夹角为0，之后所述偏振片每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块曝光一次，从而得到目标场景在不同偏振角度下曝光时所拍摄的K幅光强图像；
S2、根据所得到的K幅光强图像和已知探测器的焦平面像元数h×v，按照拍照时间顺序，每次计算偏振图像前，依次取前n幅光强图像，求解目标偏振态的Stokes参数，并根据所述Stokes参数与偏振度、偏振角之间的关系，求解出2×(K-n+1)幅偏振图像，以实现偏振成像的测量：
S2.1、定义四个变量k、i、S、n，并初始化k＝1、i＝1、S＝h×v、n为一固定值且n≥5；
S2.2、按照拍照时间顺序，在第k次求解偏振图像时，使用第k幅到第k+n-1幅的n幅光强图像，并利用式(1)表示在第k次解偏过程中求解各个像元的偏振信息时所用的矩阵方程：
Figure BDA0002948542790000031
式(1)中，
Figure BDA0002948542790000032
表示第k幅光强图像的第i个像元的光强值，
Figure BDA0002948542790000033
表示第k+n-1幅光强图像的第i个像元的光强值，
Figure BDA0002948542790000034
表示与入射光的总强度有关的参量，
Figure BDA0002948542790000035
表示与0°和90°方向的线偏振信息有关的参量，
Figure BDA00029485427900000315
表示与45°和135°方向的线偏振信息有关的参量；
令3×1的Stokes矢量
Figure BDA0002948542790000036
表征第k次解偏时第i个像元的偏振态；
令方程组系数矩阵
Figure BDA0002948542790000037
令光强值矩阵
Figure BDA0002948542790000038
S2.3、假设在等精度的测量条件下，使用式(2)所示的最小二乘法求解式(1)，得到第k次解偏时第i个像元的Stokes矢量的最佳估计解
Figure BDA0002948542790000039
Figure BDA00029485427900000310
式(2)中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；
S2.4、利用式(3)得到第k次解偏时第i个像元的偏振度
Figure BDA00029485427900000311
Figure BDA00029485427900000312
S2.5、利用式(4)得到第k次解偏时第i个像元的偏振角
Figure BDA00029485427900000313
Figure BDA00029485427900000314
S2.6、将i+1赋值给i，判断i>S是否成立，若成立，则表示第k次解偏完成；否则，返回步骤S2.2执行；
S2.7、将k+1赋值给k，判断k>K-n+1是否成立，若成立，则表示K幅光强图像全部解偏完成，并得到2×(K-n+1)幅偏振图像，且所述偏振图像是利用所述偏振度图像和偏振角图像来表征的；否则，返回步骤S2.2执行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、目前绝大多数分时法在偏振片旋转一圈的过程中只能用某些特定偏振角度处的光强图像(如：0°、60°和120°，或者0°、45°、90°和135°)来求解一次偏振图像；且获取相邻两幅光强图像时，偏振片旋转改变的角度越大，所需的调节时间越长，因而成像帧频越低。而本发明当电机带动偏振片开始匀速平稳旋转后，每旋转一个较小的角度增量值即可拍照一次，获取一幅光强图像，在偏振片旋转一圈的过程中能获得比目前其它分时法更多的光强图像，再配合高速相机和排序迭代算法的使用，相比于目前绝大多数的分时法而言，提高了偏振图像的成像帧频，并预期能实现对一定运动目标的跟踪拍摄，改善了分时法的实时性。
2、本发明结合最小二乘法，通过使用冗余信息，即在每次求解偏振图像时使用更多幅的光强图像，可减小所求偏振图像的误差。
综合所述，本发明能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证这两者之间相互制约的矛盾，从而实现了具有实用性的快速偏振成像系统方案的设计。
附图说明
图1为本发明一种基于分时法的快速偏振成像装置的结构示意图；
图2为本发明采用排序迭代的方式对采集到的一系列光强图像进行解偏处理方法流程图；
图中标号：1：镜头模块；2：角度旋转模块；3：偏振片；4：高速相机成像模块。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种分时法快速偏振成像装置，包括：镜头模块1、角度旋转模块2、偏振片3、高速相机成像模块4。其中：
镜头模块1包括用于对目标场景进行成像的光学透镜；
角度旋转模块2包括电机、转速检测装置和电机控制模块，转速检测装置用于检测偏振片转速，并实时反馈给电机控制模块，电机控制模块根据收到的转速信息，判断是否生成控制指令，控制电机的启停、转速等状态。电机为空心直驱电机，镜头模块1出射的光线可从空心直驱电机中心的孔径中通过，偏振片3安装在空心直驱电机的孔径中心内部。偏振片3接收光学透镜出射的光线，其光轴与前端光学透镜的光轴重合，以便更好地接收光线。
高速相机成像模块4负责完成目标场景光强图像数据的采集、存储等处理。
偏振片3设置在高速相机成像模块4前，角度旋转模块2使用空心直驱电机带动偏振片3匀速旋转，外部光线经过光学镜头会聚再经过偏振片3入射到高速相机成像模块4内，高速相机成像模块4用于在偏振片连续匀速旋转过程中曝光拍照，偏振片每旋转一个固定的角度增量值α(<45°)高速相机成像模块4即拍照一次，高速相机成像模块4在偏振片每旋转一圈的时间内至少曝光拍照五次。
本实施例中，一种基于分时法的快速偏振成像方法，是采用基于分时法的快速偏振成像装置进行偏振成像，具体包括如下步骤：
S1、在目标场景一侧布设的基于分时法的快速偏振成像装置并校准；
其中校准包括调节镜头模块1和偏振片3的相对位置，使镜头模块1中光学透镜的光轴与偏振片3的光轴重合，偏振片3的中心位于高速相机成像模块4和空心直驱电机的中心轴线上。
S2、令偏振片3旋转，待偏振片3达到预设转速并匀速旋转后，控制模块发送触发信号令高速相机成像模块4开始等时间间隔曝光拍照，并设定偏振片透光轴与参考轴的初始夹角为0，高速相机成像模块4曝光拍照一段时间后得到K幅目标场景的光强图像。
在通过角度旋转模块2中的控制模块设定转速并发送指令给电机，控制偏振片3绕其自身光轴转动，并将偏振片3的旋转速度实时反馈给控制模块，待偏振片3达到设定转速并保持匀速转动状态后，设定偏振片透光轴与参考轴的初始夹角为0，高速相机成像模块4即开始等时间间隔曝光拍照。偏振片3每次旋转一个固定的角度增量值α高速相机成像模块4即曝光拍照一次，得到目标场景在不同偏振角度下曝光拍取的K幅光强图像。在偏振片3旋转过程中高速相机成像模块4会判断当前累计的角度值是否大于360°，一旦偏振片3累计旋转的角度值超过360°时，会将当前角度值减去360°，并将减去后的角度值作为当前的偏振角度值，这样始终将偏振角度值限定在0°～360°范围内。
S3、根据所得到的K幅光强图像和已知探测器的焦平面像元数h×v，按照拍照时间顺序，每次计算偏振图像前，依次取前n幅光强图像，求解目标偏振态的Stokes参数，并根据Stokes参数与偏振度、偏振角之间的关系，求解出2×(K-n+1)幅偏振图像，且偏振图像是利用偏振度和偏振角图像来表征的，以实现偏振成像的测量。
按照以下步骤获得来自目标入射光的Stokes矢量：
S3.1、基于Stokes矢量实现对目标偏振信息的描述；
偏振探测时多用Stokes矢量法表示偏振光的偏振信息，探测目标的Stokes矢量中有四个待测参量：S＝[I,Q,U,V]T。四个待测参量均有各自的物理意义：I表示偏振光的强度；Q是电场矢量在0°和90°两个方向上的分量的强度差；U是电场矢量在45°和135°两个方向上的分量的强度差；V是电场矢量中右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量之间的强度差。因为绝大多数物质的圆偏光分量V极小，接近于0，因此在很多偏振测量中只测量前三个分量：I、Q、U。一般地，设V＝0。
S3.2、基于Stokes矢量实现入射光和出射光之间的关系描述
入射光经过光学系统，受系统的光学变换作用，出射光的Stokes参数与入射光Stokes参数呈线性函数关系，该数学关系可表示为：
SOUT＝M×SIN (1)
式(1)中，SOUT为出射光的Stokes参数矩阵，SIN为入射光的Stokes参数矩阵，M为整个光学系统的Mueller矩阵。
对于理想的线偏振片，当透光轴与参考轴成α方位角，其Mueller矩阵为：
Figure BDA0002948542790000061
将上述的Mueller矩阵代入式(1)，得：
Figure BDA0002948542790000062
将式(2)用矩阵表示：
Figure BDA0002948542790000063
式(3)中，I(α)表示α方位角所对应的光强图像上某一像元的光强值。I、Q、U为三个待求的未知参数，设定n≥5时，即方程组内的方程数大于未知量的个数，属于超定方程组。可通过求解超定方程组解出三个待求参数的最佳估计值。
定义变量四个k、i、S、n，并初始化k＝1、i＝1、S＝h×v、n为一固定值且n≥5。
S3.3、利用可测的出射光光强值计算入射光Stokes矢量中各参数值；
按照拍照时间顺序，第k次求解偏振图像时使用第k幅到第k+n-1幅的n幅光强图像，n≥5，利用式(4)表示在第k次解偏过程中求解各个像元偏振信息时所用的矩阵方程：
Figure BDA0002948542790000071
式(4)中，
Figure BDA0002948542790000072
表示第k幅光强图像的第i个像元的光强值，
Figure BDA0002948542790000073
表示第k+n-1幅光强图像的第i个像元的光强值，采用3×1的Stokes矢量表征第k次解偏时第i个像元的偏振信息：
Figure BDA0002948542790000074
其中，参量
Figure BDA0002948542790000075
与入射光的总强度有关，
Figure BDA0002948542790000076
与0°和90°方向的线偏振信息有关，
Figure BDA0002948542790000077
与45°和135°方向的线偏振信息有关。
令方程组系数矩阵
Figure BDA0002948542790000078
令光强值矩阵
Figure BDA0002948542790000079
Ak为第k次解偏时n幅光强图像所对应的系数矩阵，
Figure BDA00029485427900000710
为在第k次解偏过程中求解第i个像元的Stokes参数时n幅光强图像上对应像元位置的光强测量值矩阵，
Figure BDA00029485427900000711
为第k次求解时第i个像元的Stokes参数矩阵。
例如第1次解偏时(k＝1)使用第1幅到第n幅(对应的偏振角度值从0°到(n-1)α)光强图像，利用式(5)表示第1次解偏时的矩阵方程：
Figure BDA00029485427900000712
此时A1为使用第1幅到第n幅光强图像所对应的系数矩阵，
Figure BDA00029485427900000713
为第1次解偏过程中求解第i个像元的Stokes参数时所用n幅光强图像上对应位置的光强测量值矩阵，
Figure BDA00029485427900000714
为第1次解偏时第i个像元的Stokes参数矩阵。有：
Figure BDA0002948542790000081
计算偏振图像时采用排序迭代的方式，示意图见图2：每次求解偏振图像时，按照采集的光强图像的顺序，更新每次解偏时所用的n幅光强图像。当第k次求解偏振图像时，使用第k幅到第(k+n-1)幅光强图像求解偏振图像：例如当第1次求解偏振图像时，使用第1幅到第n幅光强图像求解偏振图像；当第2次求解偏振图像时，使用第2幅到第(n+1)幅的光强图像求解偏振图像，即每次解偏时用一组新的光强图像数据替换当前组数据。在第k次求解偏振图像的过程中，每求解完一个像元的偏振信息后，光强测量值矩阵
Figure BDA0002948542790000082
将改变以准备求解下一个像元；第k次解偏完成后，系数矩阵Ak和光强测量值矩阵
Figure BDA0002948542790000083
都将改变，以准备第k+1次解偏。如此依次循环，使用连续相邻的n幅光强图像解算出待测目标的多幅偏振图像，这样不仅能够充分利用每一幅光强图像，而且由于在本发明中设置偏振片3的旋转偏振角度增量值α较小、转速可设定，有利于提高偏振成像帧频，例如当偏振片3的平稳转速为5圈/秒时，设定α＝20°，可稳定输出目标场景偏振图像速度为90偏振帧/秒，基本满足动态目标监测的需求。
S3.4、使用最小二乘法求解上述(4)的超定方程组，可减小随机误差的影响，提高所得结果的精度。假设在等精度的测量条件下，可通过式(6)的矩阵运算得到第k次解偏时第i个像元的Stokes矢量的最佳估计解
Figure BDA0002948542790000084
Figure BDA0002948542790000085
式(6)中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；
S3.5、利用式(7)可得到第k次解偏时第i个像元的偏振度
Figure BDA0002948542790000086
Figure BDA0002948542790000087
S3.6、利用式(8)可得到第k次解偏时第i个像元的偏振角
Figure BDA0002948542790000088
Figure BDA0002948542790000089
S3.7、将i+1赋值给i，即改变光强测量值矩阵
Figure BDA0002948542790000091
以求解下一个像元的偏振信息；判断i>S是否成立，若成立，则表示第k次解偏完成；否则，返回步骤S3.3执行；
S3.8、将k+1赋值给k，即改变系数矩阵Ak和光强测量值矩阵
Figure BDA0002948542790000092
以准备下一次解偏；判断k>K-n+1是否成立，若成立，则表示K幅光强图像全部解偏完成，并得到了2×(K-n+1)幅偏振图像，且偏振图像是利用偏振度图像和偏振角图像来表征的；否则，返回步骤S3.3执行。
综上所述，本发明提出一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法。相比于目前绝大多数的分时法而言提高了偏振图像的显示帧频，并预期能实现对一定运动目标的跟踪拍摄，改善了分时法的实时性。再结合最小二乘法和高速图像处理技术，增加了冗余信息的使用，可减小偏振图像的误差。能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证这两者之间相互制约的矛盾，从而实现具有实用性的快速偏振成像系统方案的设计，同时装置结构较为简单，易于操作，成本低。

Claims (6)

1.一种基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于，包括：镜头模块(1)、角度旋转模块(2)、偏振片(3)、高速相机成像模块(4)；
在所述高速相机成像模块(4)的前方设置有所述偏振片(3)，所述角度旋转模块(2)带动所述偏振片(3)匀速旋转的同时，所述镜头模块(1)中的光学镜头将外部光线会聚后再经过所述偏振片(3)入射到所述高速相机成像模块(4)内，所述高速相机成像模块(4)在所述偏振片(3)连续匀速旋转过程中拍摄目标场景在不同偏振角度下的多幅光强图像以用于求解偏振图像。
2.根据权利要求1所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述高速相机成像模块(4)在所述偏振片(3)每次旋转一圈的时间内至少曝光五次。
3.根据权利要求2所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述角度旋转模块(2)带动所述偏振片(3)每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块(4)拍摄一次图像，从而得到一系列在不同偏振角度下曝光时所拍摄的光强图像，其中，α<45°。
4.根据权利要求1所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述角度旋转模块(2)包括：电机、转速检测装置和电机控制模块；
所述转速检测装置用于检测所述偏振片(3)的转速，并实时向所述电机控制模块反馈所述偏振片(3)的转速信息，所述电机控制模块再根据所述转速检测装置实时反馈的转速信息判断是否生成相应的转动控制指令送给所述电机，从而实现对所述偏振片(3)的转速闭环控制。
5.根据权利要求4所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述电机为空心电机，从所述镜头模块(1)中的光学透镜出射的光线在所述空心电机中心的孔径中通过，且所述偏振片(3)置于所述空心电机的孔径内部。
6.一种基于分时法的快速偏振成像方法，其特征是应用于由镜头模块(1)、角度旋转模块(2)、偏振片(3)、高速相机成像模块(4)所组成的成像装置中，并按如下步骤进行：
S1、令所述偏振片(3)绕其自身光轴旋转，当所述偏振片(3)匀速平稳转动后，令所述高速相机成像模块(4)开始拍照，并设定所述偏振片(3)的透光轴与参考轴的初始夹角为0，之后所述偏振片(3)每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块(4)曝光一次，从而得到目标场景在不同偏振角度下曝光时所拍摄的K幅光强图像；
S2、根据所得到的K幅光强图像和已知探测器的焦平面像元数h×v，按照拍照时间顺序，每次计算偏振图像前，依次取前n幅光强图像，求解目标偏振态的Stokes参数，并根据所述Stokes参数与偏振度、偏振角之间的关系，求解出2×(K-n+1)幅偏振图像，以实现偏振成像的测量：
S2.1、定义四个变量k、i、S、n，并初始化k＝1、i＝1、S＝h×v、n为一固定值且n≥5；
S2.2、按照拍照时间顺序，在第k次求解偏振图像时，使用第k幅到第k+n-1幅的n幅光强图像，并利用式(1)表示在第k次解偏过程中求解各个像元的偏振信息时所用的矩阵方程：
Figure FDA0002948542780000021
式(1)中，
Figure FDA0002948542780000022
表示第k幅光强图像的第i个像元的光强值，
Figure FDA0002948542780000023
表示第k+n-1幅光强图像的第i个像元的光强值，
Figure FDA0002948542780000024
表示与入射光的总强度有关的参量，
Figure FDA0002948542780000025
表示与0°和90°方向的线偏振信息有关的参量，
Figure FDA0002948542780000026
表示与45°和135°方向的线偏振信息有关的参量；
令3×1的Stokes矢量
Figure FDA0002948542780000027
表征第k次解偏时第i个像元的偏振态；
令方程组系数矩阵
Figure FDA0002948542780000028
令光强值矩阵
Figure FDA0002948542780000029
S2.3、假设在等精度的测量条件下，使用式(2)所示的最小二乘法求解式(1)，得到第k次解偏时第i个像元的Stokes矢量的最佳估计解
Figure FDA00029485427800000210
Figure FDA00029485427800000211
式(2)中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；
S2.4、利用式(3)得到第k次解偏时第i个像元的偏振度
Figure FDA00029485427800000212
Figure FDA00029485427800000213
S2.5、利用式(4)得到第k次解偏时第i个像元的偏振角
Figure FDA00029485427800000214
Figure FDA00029485427800000215
S2.6、将i+1赋值给i，判断i>S是否成立，若成立，则表示第k次解偏完成；否则，返回步骤S2.2执行；
S2.7、将k+1赋值给k，判断k>K-n+1是否成立，若成立，则表示K幅光强图像全部解偏完成，并得到2×(K-n+1)幅偏振图像，且所述偏振图像是利用所述偏振度图像和偏振角图像来表征的；否则，返回步骤S2.2执行。
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