CN113701885B - 一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，属于光电探测领域，一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置包括离轴三反光学系统、多谱段分光片、长波偏振光谱成像探测系统、中波偏振光谱成像探测系统、近红外偏振光谱成像探测系统、可见光偏振光谱成像探测系统、图像融合处理系统。本发明将强度成像、光谱成像、偏振成像技术相结合，提出了一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，实现雾霾天气下高清晰高分辨光电成像探测。同时获取可见光、近红外、中波红外、长波红外四个谱段的偏振、光谱、强度信息，是传统成像探测的有益补充。将强度、光谱和偏振信息结合，提高目标探测识别概率25％以上，可以应用在光电探测技术领域，提高成像质量。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置。
背景技术
由于雾霾等复杂天气对光的遮蔽作用导致场景能见度下降，使公路和民航交通受阻，给国民经济造成不利影响。现有光电成像探测系统多为强度系统，但随着雾霾天气日益严重，仅采用强度成像技术的光电系统性能受到限制。
2018年，中国科学院安徽光学精密机械研究所提出了一种利用标准线偏振光源与圆偏振光源对一种分振幅型同时偏振成像仪进行定标的方法。线偏振定标源定标仪器测量矩阵的前三列，利用最小二乘拟合傅里叶系数获得定标系数；圆偏振定标源定标仪器测量矩阵的第4列，采用将光源旋转90°测量两次求平均的方法消除光源圆偏振态的非理想性。最后通过实验验证了同时全偏振成像仪的偏振测量精度，结果表明：定标后偏振测量精度优于1％。2019年，中国科学院安徽光学精密机械研究所提出基于离轴三反的前置望远系统，结合分振幅同时偏振成像技术，设计了一种运用于卫星平台环境的高空间分辨率的同时偏振成像仪，能同时获取目标的斯托克斯偏振参数，为抑制海面耀光、海雾、大气辐射等干扰，提升探测目标对比度提供了一种有效手段。
国内在强度、光谱、偏振探测这三个方面虽然开展了初步研究成果，但尚未报道离轴三反多谱段偏振光学成像探测装置。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，以解决现有光电成像探测系统多为强度系统，但随着雾霾天气日益严重，仅采用强度成像技术的光电系统性能受到限制的技术问题。
为实现上述目的，本发明的一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置的具体技术方案如下：
一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，主要由离轴三反光学系统、多谱段分光片、长波偏振光谱成像探测系统、中波偏振光谱成像探测系统、近红外偏振光谱成像探测系统、可见光偏振光谱成像探测系统和图像融合处理系统组成；
目标与背景多谱段光信息经过离轴三反光学系统进行接收；经多谱段分光片实现长波、中波、近红外、可见光多谱段光信息分离；长波偏振光谱成像探测系统、中波偏振光谱成像探测系统、近红外偏振光谱成像探测系统、可见光偏振光谱成像探测系统、分别实现长波、中波、近红外、可见光偏振光谱成像；为了能同时接收目标多谱段偏振探测信息，采用离轴三反望远系统接收目标光信息，使望远系统的出瞳与偏振成像单元的入瞳衔接，这样设计可避免存在渐晕。由于采用共口径偏振光学系统接收多谱段光信息，会存在色差，设计时选用进行复消色校正。当使用大口径光学系统时，引入的像差会导致边缘视场像质较差，优化时可适当加大权重，通过不断对系统结构参数进行优化，同时与离轴望远单元拼接，整体优化和修改，最终设计出高质量的多谱段偏振光学成像系统；
探测图像与信息传送给图像融合处理系统，经解译计算得出目标图像的强度、光谱、偏振信息，并进行图像增强后显示出来；长波偏振光谱成像探测系统、中波偏振光谱成像探测系统、近红外偏振光谱成像探测系统、可见光偏振光谱成像探测系统采用光栅光谱分光片实现光谱分光，采用微偏振片阵列实现偏振信息分离，最后由不同谱段的探测器进行接收，还可以使用计算光谱偏振、偏振+光谱芯片、干涉光谱偏振等多种偏振光谱探测形式；
将可见光、近红外、中波红外、长波红外四个谱段的偏振、光谱、强度信息同时获取，是对传统成像探测的有益补充。其中强度信息反映了探测距离、目标形状以及目标尺寸等；光谱信息反映了空间目标的材料组份以及表面形态等；偏振信息反映了目标的材质、粗糙度以及与背景的对比度；将强度、光谱和偏振信息联合应用，提高目标探测识别概率25％以上。
进一步，离轴三反光学系统由离轴三反主镜、离轴三反次镜、离轴三反三镜组成，按照离轴三反位置放置，实现目标与背景多谱段偏振光谱光信息接收。
进一步，多谱段分光片由中长波-可见光近红外分光片、中长波光学透镜组、中波长波分光片、可见光近红外光学透镜组、可见光-近红外分光片组成，中长波光学透镜组、中波长波分光片同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片的透射方向；可见光近红外光学透镜组、可见光-近红外分光片同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片的反射方向，实现多谱段光信息分离。
进一步，长波偏振光谱成像探测系统与多谱段分光片相连接；长波偏振光谱成像探测系统由长波二次成像透镜、长波光栅光谱分光片、长波微偏振片阵列、长波红外探测器组成，同轴依次排列，实现长波偏振光谱信息接收；具体的，其中长波二次成像透镜和中波长波分光片相互连接，按照图中顺序进行连接。
进一步，中波偏振光谱成像探测系统与多谱段分光片相连接；中波偏振光谱成像探测系统由中波二次成像透镜、中波光栅光谱分光片、中波微偏振片阵列、中波红外探测器组成，同轴依次排列，实现中波偏振光谱信息接收；具体的，中波二次成像透镜与中波长波分光片相互连接，按照图中顺序进行连接。
进一步，近红外偏振光谱成像探测系统与多谱段分光片相连接；近红外偏振光谱成像探测系统由近红外二次成像透镜、近红外光栅光谱分光片、近红外微偏振片阵列、近红外红外探测器组成，同轴依次排列，实现近红外偏振光谱信息接收；具体的，所述近红外二次成像透镜与可见光-近红外分光片相互连接，按照图中顺序进行连接。
进一步，可见光偏振光谱成像探测系统与多谱段分光片相连接；可见光偏振光谱成像探测系统由可见光二次成像透镜、可见光光栅光谱分光片、可见光微偏振片阵列、可见光红外探测器组成，同轴依次排列，实现可见光偏振光谱信息接收；具体的，所述可见光二次成像透镜与可见光-近红外分光片相互连接，按照图中顺序进行连接。
进一步，图像融合处理系统与中波偏振光谱成像探测系统和近红外偏振光谱成像探测系统同时连接；图像融合处理系统由计算机系统、处理算法组成，实现多谱段偏振、光强、强度图像信息融合与增强处理，并显示出来。
进一步，处理算法使用的强度、偏振、光谱解译公式，采用Stokes矢量来描述光的偏振态，Stokes矢量由4个参数写成下列矩阵形式：
其中，“<>”符号表示对时间的平均。其中S0表示X方向和Y方向上的强度和，S1为X方向与Y方向的强度差，S2为+45°和-45°方向上的强度差，S3用来表示是右旋(或左旋)偏振光；用这一组四维矢量可以表示包括偏振度在内的任意偏振光的状态。偏振度DOP作为整个强度中完偏振光谱多参量探测光的比例，偏振角AOP表示辐射两分量之间的相位差，分别用以下式表示：
偏振度：
偏振角：
进一步，处理算法使用多参量图像融合算法，将多源信道所采集到偏振、光谱等多参量图像信息经过图像处理，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后综合成高质量的图像，以提高图像中目标的显示度和识别率。多参量融合图像算法主要分为4个部分：图像配准、图像预处理、图像融合、图像输出，图像配准采用自适应FAST特征点检测，EOH特征描述与特征点匹配实现；图像预处理利用小波变换对光谱信息和偏振信息进行多层小波分解，将得到的低通分量和高通分量；图像融合采用不同的融合算法进行融合，得到最终的低频融合分量和高频分量，最后利用小波变换将低频和高频融合系数进行重构得到最终融合图像；图像输出实现多参量融合图像的显示。
本发明的一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置具有以下优点：设计离轴三反光学系统实现多谱段偏振成像探测，实现雾霾天气下高清晰高分辨光电成像探测。将可见光、近红外、中波红外、长波红外四个谱段的偏振、光谱、强度信息同时获取，是对传统成像探测的有益补充。其中强度信息反映了探测距离、目标形状以及目标尺寸等；光谱信息反映了空间目标的材料组份以及表面形态等；偏振信息反映了目标的材质、粗糙度以及与背景的对比度；将强度、光谱和偏振信息联合应用，提高目标探测识别概率25％以上。
附图说明
图1为本发明的一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置的结构示意图。
图2为本发明的一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置的图像融合处理系统中使用的处理算法。
图中标记说明：1、离轴三反光学系统；11、离轴三反主镜；12、离轴三反次镜；13、离轴三反三镜；2、多谱段分光片；21、中长波-可见光近红外分光片；22、中长波光学透镜组；23、中波长波分光片；24、可见光近红外光学透镜组；25、可见光-近红外分光片；3、长波偏振光谱成像探测系统；31、长波二次成像透镜；32、长波光栅光谱分光片；33、长波微偏振片阵列；34、长波红外探测器；4、中波偏振光谱成像探测系统；41、中波二次成像透镜；42、中波光栅光谱分光片；43、中波微偏振片阵列；44、中波红外探测器；5、近红外偏振光谱成像探测系统；51、近红外二次成像透镜；52、近红外光栅光谱分光片；53、近红外微偏振片阵列；54、近红外红外探测器；6、可见光偏振光谱成像探测系统；61、可见光二次成像透镜；62、可见光光栅光谱分光片；63、可见光微偏振片阵列；64、可见光红外探测器；7、图像融合处理系统；71、计算机系统；72、处理算法；721、图像配准；722、图像预处理；723、图像融合；724、图像输出；。
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，对本发明一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置做进一步详细的描述。
如图1所示，本专利将强度成像、光谱成像、偏振成像技术相结合，提出了一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置。
本发明的一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，其特征在于装置主要由离轴三反光学系统1、多谱段分光片2、长波偏振光谱成像探测系统3、中波偏振光谱成像探测系统4、近红外偏振光谱成像探测系统5、可见光偏振光谱成像探测系统6、图像融合处理系统7共七个部分组成。
各部分位置与实现功能：
所述离轴三反光学系统1由离轴三反主镜11、离轴三反次镜12、离轴三反三镜13组成。各个组件之间的摆放位置按照离轴三反位置放置，通过离轴三反光学系统1可以实现目标与背景多谱段偏振光谱光信息接收。
所述多谱段分光片2由中长波-可见光近红外分光片21、中长波光学透镜组22、中波长波分光片23、可见光近红外光学透镜组24、可见光-近红外分光片25组成。所述各个分光片为深圳市元尔科技有限公司生产的Giai-beamsplitter分光片。所述中长波光学透镜组22、中波长波分光片23同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片21的透射方向；所述可见光近红外光学透镜组24、可见光-近红外分光片25同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片21的反射方向，实现多谱段光信息分离。
所述长波偏振光谱成像探测系统3由长波二次成像透镜31、长波光栅光谱分光片32、长波微偏振片阵列33、长波红外探测器34组成。所述长波光栅光谱分光片32为深圳市元尔科技有限公司生产的Giai-beamsplitter分光片。所述长波红外探测器34为H6417C1S海康威视非制冷长波红外探测器。所述各个组件之间同轴依次排列，功能是实现长波偏振光谱信息接收；具体的，其中长波二次成像透镜31和中波长波分光片23相互连接，按照图中顺序进行连接。
所述中波偏振光谱成像探测系统4由中波二次成像透镜41、中波光栅光谱分光片42、中波微偏振片阵列43、中波红外探测器44组成。所述中波光栅光谱分光片42为深圳市元尔科技有限公司生产的Giai-beamsplitter分光片。所述中波红外探测器44为南京光研软件系统有限公司研制的NIT非制冷中波红外探测器。所述各个组件之间同轴依次排列，功能是实现中波偏振光谱信息接收；具体的，中波二次成像透镜41与中波长波分光片23相互连接，按照图中顺序进行连接。
所述近红外偏振光谱成像探测系统5由近红外二次成像透镜51、近红外光栅光谱分光片52、近红外微偏振片阵列53、近红外红外探测器54组成。所述近红外红外探测器54是深圳市六朋电子有限公司研制的近红外红外探测器。所述各个组件之间同轴依次排列，功能是实现近红外偏振光谱信息接收；具体的，所述近红外二次成像透镜51与可见光-近红外分光片25相互连接，按照图中顺序进行连接。
所述可见光偏振光谱成像探测系统6由可见光二次成像透镜61、可见光光栅光谱分光片62、可见光微偏振片阵列63、可见光红外探测器64组成。所述可见光红外探测器64是由无锡市能控科技有限公司研制的红外可见光探测器NK9658F。所述各个组件之间同轴依次排列，功能是实现可见光偏振光谱信息接收；具体的，所述可见光二次成像透镜61与可见光-近红外分光片25相互连接，按照图中顺序进行连接。
所述图像融合处理系统7由计算机系统71、处理算法72组成。所述图像融合处理系统7能够实现多谱段偏振、光强、强度图像信息融合与增强处理，并显示出来。
该系统工程过程：目标与背景多谱段光信息经过离轴三反光学系统1进行接收；经多谱段分光片2实现长波、中波、近红外、可见光多谱段光信息分离；长波偏振光谱成像探测系统3、中波偏振光谱成像探测系统4、近红外偏振光谱成像探测系统5、可见光偏振光谱成像探测系统6、分别实现长波、中波、近红外、可见光偏振光谱成像。探测图像与信息传送给图像融合处理系统7，经解译计算得出目标图像的强度、光谱、偏振信息，并进行图像增强后显示出来。
为了能同时接收目标多谱段偏振光谱探测信息，采用离轴三反望远系统接收目标光信息，使望远系统的出瞳与偏振成像单元的入瞳衔接，这样设计可避免存在渐晕。由于采用共口径偏振光谱光学系统接收多谱段光信息，会存在色差，设计时选用进行复消色校正。光学系统口径大，引入的像差会导致边缘视场像质较差，优化时可适当加大权重。通过不断对系统结构参数进行优化，同时与离轴望远单元拼接，整体优化和修改，最终设计出高质量的多谱段偏振光学成像系统。
本发明专利中长波偏振光谱成像探测系统3、中波偏振光谱成像探测系统4、近红外偏振光谱成像探测系统5、可见光偏振光谱成像探测系统6采用光栅光谱分光片实现光谱分光，采用微偏振片阵列实现偏振信息分离，最后由不同谱段的探测器进行接收，还可以使用计算光谱偏振、偏振+光谱芯片、干涉光谱偏振等多种偏振光谱探测形式。
本发明专利中处理算法72使用的强度、偏振、光谱解译公式，采用Stokes矢量来描述光的偏振态，在成像斯托克斯偏振仪测量过程中，可旋转的1/4波片用来调制入射光束的光强，则CCD探测到的光强信号I用傅里叶级数表示为
式中θ为1/4波片快轴相对于检偏器透光轴的旋转方位角
当检偏器的透光轴固定在水平方向时，斯托克斯参量S＝[S0 S1 S2 S3]T(T表示矩阵转置)的各项分量为：
S0＝a0-a4，
S1＝2a4，
S2＝2b4，
S3＝-b2，
式中等号右端各参量均为傅里叶系数。实际中要考虑成像斯托克斯偏振仪中偏振器件的参数误差。假设1/4波片的快轴方位角误差为ε1，相位延迟量误差为ε2，与入射光束斯托克斯参量及1/4波片两项参数误差相关的各项傅里叶系数为：
a0＝S0+1/2(1-ε2)·S1，
a2＝-2ε1·S3，
a4＝1/2(1+ε2)cos4ε1·S1+2ε1(1+ε2)cos2ε1·S2，
b2＝-cos 2ε1·S3，
b4＝1/2(1+ε2)cos4ε1·S2-2ε1(1+ε2)cos2ε1·S1.
可求得入射光束的斯托克斯参量的各分量为：
S0＝a0-γ·S1，
S1＝(αa4-βb4)/(α2+β2)，
S2＝(αb4+βa4)/(α2+β2)，
S3＝-b2/cos 2ε1
式中α＝1/2(1+ε2)cos 4ε1，β＝2ε1(1+ε2)cos2ε1，γ＝1/2(1-ε2).
这四个参量都代表着光强的时间平均值，S0表示总的光强，S1表示0度～90度方向上线偏振光的分量之差，S2表示±45度方向上线偏振光的分量之差，S3表示左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的分量之差。采用Stokes矢量表述偏振光具有许多优点，这四个参量都是光强的量纲，均可测量，并可以采用特定的偏振器件分别求解。偏振度DOP作为整个强度中完偏振光谱多参量探测光的比例，偏振角AOP表示辐射两分量之间的相位差，分别用以下式表示：
偏振度：
偏振角：
本发明专利中处理算法72使用多参量图像融合算法，将多源信道所采集到偏振、光谱等多参量图像信息经过图像处理，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后综合成高质量的图像，以提高图像中目标的显示度和识别率。多参量融合图像算法主要分为4个部分：图像配准721、图像预处理722、图像融合723、图像输出724，如图2所示。其中图像配准721采用自适应FAST特征点检测，EOH特征描述与特征点匹配实现；图像预处理722利用小波变换对光谱信息和偏振信息进行多层小波分解，得到对应的低通分量和高通分量。图像融合723采用不同的融合算法进行融合，得到最终的低频融合分量和高频融合分量，最后利用小波变换将低频和高频融合系数进行重构得到最终融合图像。图像输出724实现多参量融合图像的显示。
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)
1.一种离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，其特征在于，该成像探测装置包括：离轴三反光学系统(1)、多谱段分光片(2)、长波偏振光谱成像探测系统(3)、中波偏振光谱成像探测系统(4)、近红外偏振光谱成像探测系统(5)、可见光偏振光谱成像探测系统(6)和图像融合处理系统(7)；
目标与背景多谱段光信息经过离轴三反光学系统(1)进行接收；经过多谱段分光片(2)实现长波、中波、近红外、可见光多谱段光信息分离；长波偏振光谱成像探测系统(3)、中波偏振光谱成像探测系统(4)、近红外偏振光谱成像探测系统(5)、可见光偏振光谱成像探测系统(6)，分别实现长波、中波、近红外、可见光偏振光谱成像；
为了能同时接收目标多谱段偏振探测信息，采用离轴三反望远系统接收目标光信息，使望远系统的出瞳与偏振成像单元的入瞳衔接；通过不断对系统结构参数进行优化，同时与离轴望远单元拼接，整体优化和修改，最终设计出高质量的多谱段偏振光学成像系统；
长波偏振光谱成像探测系统(3)与多谱段分光片(2)相连接；长波偏振光谱成像探测系统(3)由长波二次成像透镜(31)、长波光栅光谱分光片(32)、长波微偏振片阵列(33)、长波红外探测器(34)组成，同轴依次排列，实现长波偏振光谱信息接收；
中波偏振光谱成像探测系统(4)与多谱段分光片(2)相连接；中波偏振光谱成像探测系统(4)由中波二次成像透镜(41)、中波光栅光谱分光片(42)、中波微偏振片阵列(43)、中波红外探测器(44)组成，同轴依次排列，实现中波偏振光谱信息接收；
近红外偏振光谱成像探测系统(5)与多谱段分光片(2)相连接；近红外偏振光谱成像探测系统(5)由近红外二次成像透镜(51)、近红外光栅光谱分光片(52)、近红外微偏振片阵列(53)、近红外红外探测器(54)组成，同轴依次排列，实现近红外偏振光谱信息接收；
可见光偏振光谱成像探测系统(6)与多谱段分光片(2)相连接；可见光偏振光谱成像探测系统(6)由可见光二次成像透镜(61)、可见光光栅光谱分光片(62)、可见光微偏振片阵列(63)、可见光红外探测器(64)组成，同轴依次排列，实现可见光偏振光谱信息接收；
图像融合处理系统(7)与中波偏振光谱成像探测系统(4)和近红外偏振光谱成像探测系统(5)同时连接；图像融合处理系统(7)由计算机系统(71)、处理算法(72)组成，实现多谱段偏振、光强、强度图像信息融合与增强处理，并显示出来；
处理算法(72)使用多参量图像融合算法，多参量融合图像算法主要分为4个部分：图像配准(721)、图像预处理(722)、图像融合(723)、图像输出(724)，图像配准(721)采用自适应FAST特征点检测，EOH特征描述与特征点匹配实现；图像预处理(722)利用小波变换对光谱信息和偏振信息进行多层小波分解，得到对应的低通分量和高通分量；图像融合(723)采用不同的融合算法进行融合，得到最终的低频融合分量和高频融合分量，最后利用小波变换将低频和高频融合系数进行重构得到最终融合图像；图像输出(724)实现多参量融合图像的显示；
处理算法(72)使用的强度、偏振、光谱解译公式，采用Stokes矢量来描述光的偏振态，Stokes矢量由4个参数写成下列矩阵形式：
其中，“<>”符号表示对时间的平均，其中S0表示X方向和Y方向上的强度和，S1为X方向与Y方向的强度差，S2为+45°和-45°方向上的强度差，S3用来表示是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的分量之差；
偏振度DOP作为整个强度中完偏振光谱多参量探测光的比例，偏振角AOP表示辐射两分量之间的相位差，分别用以下式表示：
偏振度：
偏振度：
2.根据权利要求1所述的离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，其特征在于，离轴三反光学系统(1)由离轴三反主镜(11)、离轴三反次镜(12)、离轴三反三镜(13)组成，按照离轴三反位置放置，实现目标与背景多谱段偏振光谱光信息接收。
3.根据权利要求1所述的离轴三反全谱段偏振光谱成像探测装置，其特征在于，多谱段分光片(2)由中长波-可见光近红外分光片(21)、中长波光学透镜组(22)、中波长波分光片(23)、可见光近红外光学透镜组(24)、可见光-近红外分光片(25)组成，中长波光学透镜组(22)、中波长波分光片(23)同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片(21)的透射方向；可见光近红外光学透镜组(24)、可见光-近红外分光片(25)同轴排列，放置在中长波-可见光近红外分光片(21)的反射方向，实现多谱段光信息分离。
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