CN113188660B - 一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统，由物镜、准直镜、分光光栅、会聚镜A、数字微镜器件(DMD)、会聚镜B、合光光栅、分孔径偏振组件、电荷耦合器件(CCD)和计算机组成。该偏振光谱系统基于DMD的可编程功能控制其编码矩阵所对的码元的反射方向进行光谱分辨率的调制，同时通过分孔径偏振组件进行被测光的偏振态的调制，并采用CCD像元合并的方法进行空间分辨率的调制，最终实现了该新型快照式偏振光谱系统的多维度参数的灵活调制。本发明具有对目标空间分辨率、光谱分辨率和偏振态灵活调制的能力，有助于获取在一定探测条件下的合适的多维度参数组合探测模式，以减小光谱分辨率、空间尺度效应以及大气效应对探测精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统，是指一种可灵活调制空间和光谱分辨率以及偏振态的偏振光谱成像探测系统。
背景技术
随着遥感科学的发展、遥感应用的深入，近些年涌现出目标多维度信息集成探测的光学遥感仪器，其中典型的一种就是在传统的光谱成像探测系统中加入偏振器件形成偏振光谱成像探测系统，这类偏振光谱成像系统的探测能力主要取决于其光谱分光模式和偏振调制模式。
近些年来，基于计算成像的快照式编码孔径光谱技术作为一种新型的快照式光谱成像技术在遥感成像领域中脱颖而出，已成为国内外光谱成像技术的研究热点。它可以在一次曝光时间内完成光谱数据立方体的采集，通过较少的测量结果就能复原出完整的空间信息、光谱信息，对平台要求低，稳定性高，尤其在数据的传输和存储方面有着巨大的优势。但由于该类系统存在空间和光谱分辨率固化、光谱解混复杂、解算速度慢等问题，目前该技术与实际应用还有一定的距离。如何灵活调制系统的空间、光谱分辨率并使二者得到最优匹配，有效提升光谱解算速度，是该类光谱成像系统得到突破性发展的关键所在。
与此同时，实时偏振成像探测技术也在突飞猛进地发展，目前的实时偏振成像技术均是针对目标反射光的偏振分量进行同步探测，经过数据处理进一步得到目标的偏振度图和偏振角图后，再做目标特性分析。然而，不同的偏振分量信息所蕴含的目标特性并不相同，适用范围和适用环境也有所不同。根据不同类型的目标和不同的天气情况，如何实现目标反射光的不同偏振态的自适应选择探测，是进一步提升实时偏振探测技术在遥感领域的应用价值的技术难点。
综上所述，设计一种可灵活调制空间和光谱分辨率以及偏振态的快照式偏振光谱系统十分必要，以解决快照式编码孔径光谱成像技术和实时偏振探测技术结合其本身存在的固有的问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统，该成像系统可以灵活调制空间和光谱分辨率以及偏振态，针对典型地物目标和复杂环境可选取合适的多维参数组合，以提高偏振光谱成像探测能力。
本发明一种新型的多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统，其技术解决方案：该系统包括下列部件：
物镜，位于整个成像系统的最前端，用于将视场内的目标成像在其焦平面；
准直镜，位于物镜的后面，其物方焦平面与物镜的像方焦平面重合，对物镜所成的像进行准直，使得光线按照一定的视场和口径平行出射；
分光光栅，位于准直镜的后面，将入射的各视场的平行光进行色散分光；
会聚镜A，位于分光光栅后面，且分光光栅位于其物方焦平面上，使得色散分光后的光线成像于数字微镜器件(DMD，Digital Mirror Device)上；
DMD，位于会聚镜像方焦平面上，由反射微镜阵列组成，通过编程为其加载相应的编码矩阵可以控制各微镜的驱动电压，使各微镜沿各自的对角线进行翻转，从而实现每个微镜上入射光信号的选通或阻断，完成对色散光光谱维度的编码调制；
会聚镜B，位于DMD后面，且其物方焦平面与DMD位置重合，经DMD编码调制后的带有空间和光谱信息的色散光经过会聚镜后到达合光光栅；
合光光栅，位于会聚镜B的像方焦平面上，与分光光栅对称放置，用于消除色散元件带来的像差，并将调制过的各分光谱段的光线进行合光；
分孔径偏振组件，位于合光光栅后面，由四个子孔径组成，每个孔径由可变光阑、透偏方向不同的偏振片和成像镜组成，光线经分孔径偏振组件后被分成四路偏振态不同的光线，通过控制可变光阑的孔径的大小，选取特定偏振态的光线成像于探测器上，以获取不同的压缩偏振光谱图像；
电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；
计算机，通过计算机程序控制加载DMD的编码矩阵，采集偏振光谱图像数据，进行相关的图像处理，最终得到复原后的目标偏振光谱图像。
本发明的工作原理为：目标的反射光通过物镜和准直镜之后被分光光栅进行色散，产生光谱分离，经会聚镜A到达DMD上。DMD由反射微镜阵列组成，通过编程为其加载相应的编码矩阵可以控制各微镜的驱动电压，使各微镜沿各自的对角线进行翻转，从而实现每个微镜上入射光信号的选通或阻断，其响应时间为微秒级，且微镜的翻转状态可随时锁定，因此通过在DMD上加载设计好的编码模板，即可满足对所探测波段的入射光的高速且连续的控制，完成光谱维度的可编程调制编码操作。经编码模板调制后的带有空间和光谱信息的色散光经过会聚镜B后到达合光光栅，完成光谱图像数据立方体的合成，再经分孔径偏振组件对透射光进行特定方向的偏振检测，由成像镜成像在CCD对应的象限上，从而获取特定偏振分量的压缩偏振光谱图像。本系统基于DMD的可编程功能控制编码矩阵的码元尺寸来实现可变光谱分辨率的调制，同时通过可变光阑的大小实现偏振分量的调制，通过采用CCD像元合并的方法实现可变空间分辨率的调制，因而本系统具有空间和光谱分辨率以及偏振态组合灵活调制的能力，是一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统。
本发明与现有偏振光谱系统相比较具有如下优点：
可灵活调制系统的空间、光谱分辨率、偏振分量，使三者可以灵活匹配，有效提升目标探测能力，可用于复杂环境下动态目标的高精度探测。
附图说明
图1为本发明的系统组成原理图；
图2为本发明的分孔径偏振组件示意图；
图3为本发明的系统灵活探测模式设计流程图；
图中具体标号如下：
1、物镜 2、准直镜 3、分光光栅
4、会聚镜A 5、DMD 6、会聚镜B
7、合光光栅 8、分孔径偏振组件 9、可变光阑
10、偏振片 11、成像镜 12、CCD
13、计算机
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明可视为双色散型编码孔径成像偏振光谱仪，在此类光谱仪中，通常探测器的像元尺寸决定了空间分辨率，而编码孔径器件的码元尺寸则决定了光谱分辨率。如图1，本发明包括物镜1、准直镜2、分光光栅3、会聚镜A4、DMD5、会聚镜B6、合光光栅7、分孔径偏振组件8、CCD12、计算机13，其中分孔径偏振组件8的单个孔径元件由可变光阑9、偏振片10和成像镜11组成。物镜1将待测物体成像到一次像面处，准直镜2接收来自一次像面的光线，并将其准直入射到分光光栅3的表面。分光光栅3对入射光进行色散分光，不同波长的光线以不同的角度分开出射，经过会聚镜A4后，到达DMD5上再次成像。假设该系统的波长响应范围内的色散光谱在DMD上对应的色散距离为l，如果要得到7幅光谱图像，那么需要通过编写程序控制DMD，使编码矩阵的码元尺寸b为l/7，而如果想提高仪器的光谱分辨率，得到n(n>7)幅光谱图像，则需要将编码矩阵的码元尺寸b调整为l/n即可。计算机13通过DMD驱动电路与DMD进行通信，可以随时改变DMD上加载的编码矩阵。经DMD编码矩阵调制后的带有空间和光谱信息的色散光经过会聚镜B6到达合光光栅7，该光栅与分光光栅3在结构上互为对称光路，因此色散光束经过该合光光栅后，合成为复合光束。分孔径偏振组件8(见图2)的单个孔径元件位置处依次为可变光阑9、偏振片10以及成像镜11，各孔径只有偏振片的透偏方向不同。分孔径偏振组件将复合光束分为四束偏振态不同的光，可通过计算机控制可变光阑的孔径大小来实现对特定偏振态孔径的选通，完成对偏振分量的调制，最终成像于CCD12的特定区域，得到目标的压缩偏振光谱图像。空间分辨率即系统在其瞬时视场角内探测到的地面宽度，可用像元所成像的地面范围的大小来表示,ΔL＝L*a/f，其中L为物体距相机的距离，a为CCD的像元尺寸，f为探测系统的焦距，若需要将空间分辨率转换为m*ΔL，那么只需要将CCD上k*k的像元阵列合并为(k/m)*(k/m)个像元阵列，因此可采用像元合并的方法实现可变空间分辨率的调制。
本发明的工作流程图如图3所示。首先，先设定用户能够接受的信噪比区间，从而得到bi以及ai的范围；在限定范围内设置编码矩阵模板的码元尺寸bi，CCD像元尺寸ai以及选通偏振通道Pn，通过计算机程序控制加载相应的DMD编码矩阵；而后判断此时探测器与编码模板是否匹配，若ai>(β*bi)(其中β为DMD到CCD间的光学放大倍率)，选择亚像素超分辨率自适应编码完成匹配矫正，反之则采用灰度编码完成匹配矫正；控制可变光阑选通相应的偏振通道；之后CCD开始采集该组参数下的压缩偏振光谱图像，并根据所设置的ai进行相应的CCD像元合并，利用计算机进行相关的图像处理，最终得到重建后的目标偏振光谱图像，实现了系统的偏振光谱探测功能。然后依次改变DMD编码矩阵模板的码元尺寸、CCD像元尺寸和选通偏振通道Pn，重复上述操作，得到多组不同光谱、空间分辨率以及偏振态组合下的偏振光谱图像，从而完成了目标的多维度参数可调的偏振光谱探测；以峰值信噪比PSNR或其它典型的图像处理评价指标对重建得到的偏振光谱图像进行评价，选取合适的多维度参数组合，从而为提高目标探测精度提供一条切实可行的途径。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明说明书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。
Claims (1)
1.一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统，其特征在于，包括下列部分：
物镜，位于整个成像系统的最前端，用于将视场内的目标成像在其焦平面；
准直镜，位于物镜的后面，其物方焦平面与物镜的像方焦平面重合，对物镜所成的像进行准直，使得光线按照一定的视场和口径平行出射；
分光光栅，位于准直镜的后面，将入射的各视场的平行光进行色散分光；
会聚镜A，位于分光光栅后面，且分光光栅位于其物方焦平面上，使得色散分光后的光线成像于数字微镜器件(DMD，DigitalMirror Device)上；
DMD，位于会聚镜像方焦平面上，由反射微镜阵列组成，通过编程为其加载相应的编码矩阵可以控制各微镜的驱动电压，使各微镜沿各自的对角线进行翻转，从而实现每个微镜上入射光信号的选通或阻断，完成对色散光光谱维度的编码调制；
会聚镜B，位于DMD后面，且其物方焦平面与DMD位置重合，经DMD编码调制后的带有空间和光谱信息的色散光经过会聚镜后到达合光光栅；
合光光栅，位于会聚镜B的像方焦平面上，与分光光栅对称放置，用于消除色散元件带来的像差，并将调制过的各分光谱段的光线进行合光；
分孔径偏振组件，位于合光光栅后面，由四个子孔径组成，每个孔径由可变光阑、透偏方向不同的偏振片和成像镜组成，光线经分孔径偏振组件后被分成四路偏振态不同的光线，通过控制可变光阑的孔径的大小，选取特定偏振态的光线成像于探测器上，以获取不同的压缩偏振光谱图像；
电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；
计算机，通过计算机程序控制加载DMD的编码矩阵，采集偏振光谱图像数据，进行相关的图像处理，最终得到复原后的目标偏振光谱图像；
所述系统的多维度参数可调的方法和步骤包括：通过DMD驱动电路与DMD进行通信，实时改变DMD上加载的编码矩阵，控制编码矩阵的码元尺寸实现可变光谱分辨率的调制；分孔径偏振组件将复合光束分为四束偏振态不同的光，通过计算机控制可变光阑的孔径大小实现对特定偏振态孔径的选通，完成对偏振分量的调制；CCD采集压缩偏振光谱图像，并通过像元合并的方法实现可变空间分辨率的调制； 针对不同的探测环境和探测目标，依次改变DMD编码矩阵模板的码元尺寸、CCD像元合并大小和选通偏振通道，在一定范围内选取不同的空间分辨率、光谱分辨率、偏振态，得到多组不同光谱、空间分辨率以及偏振态组合下的偏振光谱图像，完成目标的多维度参数可调的偏振光谱集成探测。
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