CN113466883B - 基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法 - Google Patents

基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法，属于偏振传输探测领域；本发明的宽谱段圆偏振光产生系统可产生宽谱段的圆偏振光。宽谱段圆偏振光通过海雾多层介质环境传输后，经过目标物反射，再经由海雾多层介质环境传输后，进入到偏振探测图像接收系统，偏振信息图像处理系统获取并分析偏振探测图像接收系统的信息，完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下探测目标的距离提升的研究。本发明能实现在海雾环境探测目标时增加对比度，提升探测距离的要求，为实现海洋环境下的偏振目标探测距离提升奠定理论和技术基础。

Description

基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法
技术领域
本发明属于偏振传输探测领域，尤其涉及基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法。
背景技术
由于海洋环境的复杂性与特殊性，导致海面上探测目标的工作变得困难。同时海雾中存在的各种粒子造成光的吸收、散射和折射，在一定距离外将探测不到目标。这给海上的探测工作带来很大的挑战。因此，在海雾的影响下，提升对目标的可探测距离以及提升对比度成为必须要解决的问题。
圆偏振光的偏振记忆能增加透过浓海雾看到光源的对比度，具有偏振记忆的圆偏振光源产生的图像比线偏振光源的对比度高，因此就可以有效增加探测距离。在海雾的散射环境中，通过使用偏振持续性记忆来增加探测范围已经越来越受到关注。通过真实世界和雾粒子分布模型给出的偏振光持续传输的模拟结果，表明圆偏振是增加海雾环境中感测范围的关键。前期研究表明主动照明的圆偏振光比线性偏振光在雾中有更优越的位置，圆偏振在宽波长范围内比线性偏振更持久。但迄今为止，还没有专门研究模拟现实世界中的圆偏振光持续性以及在宽波长范围内测量雾粒子环境以增加偏振光探测距离的装置。
因此本专利中将超连续谱激光与偏振探测相结合，提出了一种基于宽谱段圆偏振光提升海雾环境中探测距离的方法与装置，以弥补该技术领域的空缺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，利用宽谱段圆偏振光的偏振持续性，将光的强度信息和偏振信息有机组合，可有效增加探测距离以及增加对比度。该装置可实现远距离宽波段激光探测，弥补现有在浓雾环境下探测目标时距离不足导致成像不清晰的技术问题。
为实现上述目的，本发明的基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法的具体技术方案如下：
一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，包括二维角度调整平台，二维角度调整平台上安装宽谱段圆偏振光产生系统和偏振探测图像接收系统，同时偏振探测图像接收系统与偏振信息图像处理系统电学连接；
二维角度调整平台用于控制宽谱段圆偏振光产生系统和偏振探测图像接收系统间的对准，确保宽谱段圆偏振光产生系统发射的平行光束经过海雾介质经目标物反射后能被偏振探测图像接收系统所接收；
宽谱段圆偏振光产生系统，完成宽谱段圆偏振光的产生；偏振探测图像接收系统，完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的可见光及近红外图像的获取；偏振信息图像处理系统，完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的图像处理探测。
进一步，宽谱段圆偏振光产生系统由1064nm脉冲激光器、重复率三倍频器、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链、模式场适配器、七芯光子晶体光纤、激光扩束镜、衰减片、超宽带偏振片、1/4宽带波片组成，且以上部件同轴依次排列，1/4宽带波片靠近海雾布置，以确保该系统能够输出波长范围为355-2000nm的宽谱段圆偏振光；具体的，1064nm脉冲激光器以重复频率f产生脉冲，使用重复率三倍频器将脉冲重复率增加到3f，经过三级掺镱光纤放大器(YDFA)链使通过的光信号得到放大，进而使平均功率增大。使用模场适配器扩大光子晶体光纤的模场面积以解决模场失配，高损耗的问题。经过七芯光子晶体光纤即可产生355-2000nm的超连续谱激光。产生的超连续谱光源经激光扩束镜后，进而经过衰减片降低激光功率，便于对光的探测工作进行；再经过超宽带偏振片对光束进行起偏，角度调节范围为0-360°，产生宽谱段偏振光；再经过1/4宽带波片，获得宽谱段圆偏振光，由此输出波长范围为355-2000nm的宽谱段圆偏振光。
进一步，所述的偏振探测图像接收系统包括伽利略望远系统，伽利略望远系统远离海雾的一侧依次平行设置分光棱镜、近红外滤光片、第一成像透镜、近红外偏振相机和反射镜、可见光滤光片、第二成像透镜、可见光偏振相机。
进一步，伽利略望远系统放置在由目标物反射经过海雾反射光路上，分光棱镜水平放置在经由伽利略望远系统的光路一侧(为图中所示左侧)，且透射能量与反射能量之比是1:1；经由分光棱镜分出两束光，其中一束光线经过水平依次放置的近红外滤光片、第一成像透镜、近红外偏振相机后完成对经复杂多层海雾环境传输后的宽谱段圆偏振光束进行近红外成像；
另外一束经分光棱镜改变光路方向，然后再经过水平依次放置的反射镜、可见光滤光片、第二成像透镜、可见光偏振相机后完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的可见光成像。
进一步，偏振信息图像处理系统通过数据线分别与近红外偏振相机和可见光偏振相机相连接，用于监测成像信息，将可见光和近红外图像信息融合，采集、储存并分析偏振探测图像接收系统的数据，以表征宽谱段圆偏振光对探测距离的提升。
本发明还提供了一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置的使用方法，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤一、搭建实验装置；
步骤二、调整二维角度调整平台，使宽谱段圆偏振光产生系统和偏振探测图像接收系统分别置于入射光路和反射光路上；
步骤三、开启宽谱段圆偏振光产生系统中的1064nm脉冲激光器、激光光束依次经过重复率三倍频器、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链、模式场适配器、七芯光子晶体光纤、激光扩束镜、衰减片、超宽带偏振片及1/4宽带波片后射出，得到宽谱段圆偏振光，并经过海雾介质，射向目标物；
步骤四、宽谱段圆偏振光经过目标物反射，再次经过海雾介质后射向偏振探测图像接收系统；
步骤五、偏振探测图像接收系统接收经过海雾介质的反射光，经过伽利略望远系统和分光棱镜，透射光依次经过近红外滤光片、第一成像透镜、近红外偏振相机；
经分光棱镜反射后的光依次经过反射镜、可见光滤光片、第二成像透镜、可见光偏振相机；
步骤六、偏振信息图像处理系统(5)接收近红外偏振相机和可见光偏振相机的图像信息，获得可见光、近红外光的图像融合信息；
步骤七、改变此装置与目标物的距离，重复步骤二至步骤六，分析偏振图像信息，以得到宽谱段圆偏振光在海雾环境下探测的最大距离。
本发明的基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法具有以下优点：一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，提出了宽谱段圆偏振光产生系统，是对传统偏振传输探测的有益补充，利用圆偏振光的记忆功能，有效提高成像的图像对比度，从而增加了探测距离。其中偏振信息反映了成像的对比度，对比度提高50％；强度信息反映了探测距离；在能见度1-4km时提高25％。而更加有效地实现在海雾环境中探测目标工作。
附图说明
图1为本发明一种基于宽谱段圆偏振光提升海雾环境中探测距离装置的组成示意框图。
图中标记说明：1、宽谱段圆偏振光产生系统；11、1016nm脉冲激光器；12、重复率四倍频器；13、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链；14、模式场适配器；15、七芯光子晶体光纤；16、激光扩束镜；17、衰减片；18、超宽带偏振片；19、1/4宽带波片；2、二维角度调整平台；3、偏振探测图像接收系统；31、伽利略望远系统；32、分光棱镜；33、反射镜；34、近红外滤光片；35、可见光滤光片；36、第一成像透镜；37、第二成像透镜；38、近红外偏振相机；39、可见光偏振相机；4、偏振信息图像处理系统。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置及方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，包括宽谱段圆偏振光产生系统1、二维角度调整平台2、偏振探测图像接收系统3、偏振信息图像处理系统4。所述宽谱段圆偏振光产生系统1和偏振探测图像接收系统3设置在二维角度调整平台2上；同时偏振探测图像接收系统3与偏振信息图像处理系统4电学连接。
所述的二维角度调整平台2用于控制宽谱段圆偏振光产生系统1和偏振探测图像接收系统3与海雾上目标物的对准，确保宽谱段圆偏振光产生系统1发射的平行光束经过海雾介质经目标物，后反射至偏振探测图像接收系统3。
所述的宽谱段圆偏振光产生系统1由美国Nuphoton公司YDFL-Nano型号的1064nm脉冲激光器11、成都宏芯微科技有限公司重复率三倍频器12、诺派激光的YDFA-HP型的三级掺镱光纤放大器(YDFA)链13、讯泉科技生产的模式场适配器14、亢特科技的七芯光子晶体光纤15、美国Thorlabs的伽利略式激光扩束镜16、德国CINOGY公司的吸收和反射型衰减片17、昊量公司的超宽带偏振片18、江阴韵翔光电技术有限公司的1/4宽带波片19组成，以上部件同轴依次排列；1064nm脉冲激光器11以重复频率f产生脉冲，使用重复率三倍频器12将脉冲重复率增加到3f，经过三级掺镱光纤放大器(YDFA)链13使通过的光信号得到放大，使平均功率增大。使用模场适配器14扩大光子晶体光纤的模场面积，以解决模场失配以及高损耗的问题。经过七芯光子晶体光纤15即可产生355-2000nm的超连续谱激光。产生的超连续谱光源经激光扩束镜16后，经过衰减片17降低激光功率，便于对光进行探测工作；再经过超宽带偏振片18对光束进行起偏，角度调节范围为0-360°，产生宽谱段偏振光；再经过1/4宽带波片19，获得宽谱段圆偏振光，由此输出波长范围为355-2000nm的宽谱段圆偏振光。
所述的偏振探测图像接收系统3包括深圳LBTEK公司的BEF02-B伽利略望远系统31、美国Meadowlark optics公司BV-050-VIS分光棱镜32、美国Schott公司*
Figure BDA0003123349830000061
BB0511-E02反射镜33、美国Thorlabs公司的FEL0400型号可见光滤光片35、美国Thorlabs公司的FEL1050型号近红外滤光片34、大恒光电GCL-0102第一成像透镜36、大恒光电GCL-0102第二成像透镜37、加拿大LUCCID的Phoenix型号的可见光偏振相机39、双利合谱公司的Pure系列的近红外偏振相机38组成。伽利略望远系统31放置在经由目标物反射后的光路上，所述的分光棱镜32放置在经由伽利略望远系统31的光路上，且透射能量与反射能量之比是1:1；经由分光棱镜32分出两束光，其中一束光线水平经过依次放置的近红外滤光片34、第一成像透镜36、近红外偏振相机38后完成对经复杂多层海雾环境传输后的宽谱段圆偏振光束进行近红外成像；另外一束经分光棱镜32改变光路方向，然后再经过水平依次放置的反射镜33、可见光滤光片35、第二成像透镜37、可见光偏振相机39后完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的可见光成像，本实施方式中，经由分光棱镜32分出两束光相互垂直。
所述的偏振信息图像处理系统4通过数据线分别与偏振探测图像接收系统中的可见光偏振相机39、近红外偏振相机38相连接。用于监测成像信息，将可见光和近红外图像信息融合，采集、储存并分析偏振探测图像接收系统3的数据，以表征宽谱段圆偏振光对探测距离的提升。
一种基于宽谱段圆偏振光提升海雾环境中探测距离的方法，其特征在于，该方法采用上述基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置进行测试，具体包括如下步骤：
步骤一、按照上述基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置搭建实验装置；
步骤二、调整二维角度调整平台2，使宽谱段圆偏振光产生系统1和偏振探测图像接收系统3分别置于入射光路和反射光路上；
步骤三、开启宽谱段圆偏振光产生系统1中的1064nm脉冲激光器11、激光光束依次经过重复率三倍频器12、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链13、模式场适配器14、七芯光子晶体光纤15、激光扩束镜16、衰减片17、超宽带偏振片18及四分之一宽带波片19后射出，得到宽谱段圆偏振光，并经过海雾介质，射向目标物；
步骤四、宽谱段圆偏振光经过目标物反射，再次经过海雾介质后射向偏振探测图像接收系统3；
步骤五、偏振探测图像接收系统3接收经过海雾介质的反射光经过伽利略望远系统31、分光棱镜32、透射光依次经过近红外滤光片34、第一成像透镜36、近红外偏振相机38；反射光依次经过反射镜33、可见光滤光片35、第二成像透镜37、可见光偏振相机39；
步骤六、偏振信息图像处理系统5接收偏振探测图像接收系统3中的近红外偏振相机38、可见光偏振相机39的图像信息，获得可见光、近红外的图像融合信息；
步骤七、改变此装置与目标物的距离，重复步骤二至步骤六，分析偏振图像信息，已得到宽谱段圆偏振光在海雾环境下探测的最大距离。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，其特征在于，包括二维角度调整平台(2)，二维角度调整平台(2)上安装宽谱段圆偏振光产生系统(1)和偏振探测图像接收系统(3)，同时偏振探测图像接收系统(3)与偏振信息图像处理系统(4)电学连接；
二维角度调整平台(2)用于控制宽谱段圆偏振光产生系统(1)和偏振探测图像接收系统(3)间的对准，确保宽谱段圆偏振光产生系统(1)发射的平行光束经过海雾介质经目标物反射后能被偏振探测图像接收系统(3)所接收；
宽谱段圆偏振光产生系统(1)，输出波长范围为355-2000nm的宽谱段圆偏振光；偏振探测图像接收系统(3)，完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的可见光及近红外图像的获取；偏振信息图像处理系统(4)，完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的图像处理探测；
所述的偏振探测图像接收系统(3)包括伽利略望远系统(31)，伽利略望远系统(31)远离海雾的一侧依次平行设置分光棱镜(32)、近红外滤光片(34)、第一成像透镜(36)、近红外偏振相机(38)和反射镜(33)、可见光滤光片(35)、第二成像透镜(37)、可见光偏振相机(39)；
伽利略望远系统(31)放置在由目标物反射经过海雾反射光路上，分光棱镜(32)水平放置在经由伽利略望远系统(31)的光路一侧，且透射能量与反射能量之比是1:1；经由分光棱镜(32)分出两束光，其中一束光线经过水平依次放置的近红外滤光片(34)、第一成像透镜(36)、近红外偏振相机(38)后完成对经复杂多层海雾环境传输后的宽谱段圆偏振光束进行近红外成像；
另外一束经分光棱镜(32)改变光路方向，然后再经过水平依次放置的反射镜(33)、可见光滤光片(35)、第二成像透镜(37)、可见光偏振相机(39)后完成宽谱段圆偏振光在复杂多层海雾环境下的可见光成像；
宽谱段圆偏振光产生系统(1)由1064nm脉冲激光器(11)、重复率三倍频器(12)、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链(13)、模式场适配器(14)、七芯光子晶体光纤(15)、激光扩束镜(16)、衰减片(17)、超宽带偏振片(18)、1/4宽带波片(19)组成，且同轴依次排列，1/4宽带波片(19)靠近海雾布置，以确保该系统能够输出波长范围为355-2000nm的宽谱段圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置，其特征在于，偏振信息图像处理系统(4)通过数据线分别与近红外偏振相机(38)和可见光偏振相机(39)相连接，用于监测成像信息，将可见光和近红外图像信息融合，采集、储存并分析偏振探测图像接收系统(3)的数据，以表征宽谱段圆偏振光对探测距离的提升。
3.一种如权利要求1-2中任意一项所述的基于宽谱段圆偏振提升海雾环境中探测距离的装置的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤一、搭建实验装置；
步骤二、调整二维角度调整平台(2)，使宽谱段圆偏振光产生系统(1)和偏振探测图像接收系统(3)分别置于入射光路和反射光路上；
步骤三、开启宽谱段圆偏振光产生系统(1)中的1064nm脉冲激光器(11)、激光光束依次经过重复率三倍频器(12)、三级掺镱光纤放大器(YDFA)链(13)、模式场适配器(14)、七芯光子晶体光纤(15)、激光扩束镜(16)、衰减片(17)、超宽带偏振片(18)及1/4宽带波片(19)后射出，得到宽谱段圆偏振光，并经过海雾介质，射向目标物；
步骤四、宽谱段圆偏振光经过目标物反射，再次经过海雾介质后射向偏振探测图像接收系统(3)；
步骤五、偏振探测图像接收系统(3)接收经过海雾介质的反射光，经过伽利略望远系统(31)和分光棱镜(32)，透射光依次经过近红外滤光片(34)、第一成像透镜(36)、近红外偏振相机(38)；
经分光棱镜(32)反射后的光依次经过反射镜(33)、可见光滤光片(35)、第二成像透镜(37)、可见光偏振相机(39)；
步骤六、偏振信息图像处理系统(4)接收近红外偏振相机(38)和可见光偏振相机(39)的图像信息，获得可见光、近红外光的图像融合信息；
步骤七、改变此装置与目标物的距离，重复步骤二至步骤六，分析偏振图像信息，以得到宽谱段圆偏振光在海雾环境下探测的最大距离。
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