CN113970374A - 一种分焦平面偏振探测系统定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外分焦平面偏振探测系统定标方法，所述方法包括：在进行微位移辐射定标和微位移偏振定标之前进行设备准备；对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像；微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数；以及将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正。本发明红外分焦平面偏振探测系统定标方法可以降低相机的空间噪声、校正偏振相机的非均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及偏振探测技术领域，具体地，涉及一种分焦平面偏振探测系统定标方法。
背景技术
偏振探测作为强度探测的有益补充，偏振探测把可用信息从光强、光谱和空间扩展到光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转方向，从而可以获取更多的介质物理和光学参数，这对提高目标探测能力具有重要意义。随着光学偏振遥感技术的发展，红外偏振探测逐步得到应用，为了保证目标红外偏振辐射特性的测量精度，开展目标表面红外偏振特性定量化研究，更好的应用偏振探测技术，需要对偏振探测系统进行偏振标定。
分焦平面偏振成像是一种新型的偏振信息获取技术，它是将微偏振阵列集成到相机的焦平面上，焦平面上的每个像元对应一个微偏振元，每2*2单元组成一个超像素，按照0°、45°、90°、135°排列。它可以一次成像获得多个偏振方向的光强响应，该系统结构紧凑、体积小，又具有高透过率、高消光比和高实时性等优点，是当前偏振成像的研究热点。
偏振探测相机可分为：分时型、分振幅型、分孔径型以及分焦平面型，其中，分焦平面偏振探测相机最为先进，采用红外探测器搭载微偏振元的结构，相比于分时系统，分焦平面偏振相机单次采集便可以直接获得偏振图像与偏振角图像，实时性高，体积小，但是由于微纳制造工艺的限制，导致微偏振片的参数并不理想，相机系统会存在很大的非均匀性问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种可以降低相机的空间噪声、校正偏振相机非均匀性的红外分焦平面偏振探测系统定标方法。
为了达成上述目的，本发明提供了一种红外分焦平面偏振探测系统定标方法，所述方法包括以下步骤：
在进行微位移辐射定标和微位移偏振定标之前进行设备准备；
对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像；
微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数；以及
将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正。
可选地，所述设备准备包括：将红外分焦平面偏振相机固定在微位移平台上以及准备长波线偏振片和一个面源黑体。
可选地，所述微位移平台的步进精度1/1500um，可以进行y轴与z轴的微位移，所述红外分焦平面偏振相机波段为9-11um，像元尺寸为30um*30um，像素320*256。
可选地，所述对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像的步骤具体包括：
步骤1：设置红外分焦平面偏振相机积分时间为1ms，将定标设备放于30℃的面源黑体前10cm处，使黑体充满整个视场；
步骤2：将镜头盖遮挡采集一副图像；
步骤3：上位机控制FPGA发送图像采集指令进行当前温度下的图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机，重复步骤2和步骤3直至温度升至70℃，一共可采集到9组微位移图像imgpositon,T(i,j)像和9幅背景图像imgback,T(i,j)；
步骤4：将采集到的9组微位移图像用于偏执系数矩阵与增益系数矩阵的计算；
步骤5：将采集到的9幅背景图像imgback,T(i,j)取加权平均作为噪声背景，将偏执系数矩阵、增益系数和噪声背景带入一阶成像模型得到微位移辐射校正后的响应图像。
可选地，将每组微位移图像相同像元位置对应的响应值取算术平均，公式为：
可选地，将采集到的9幅背景图像imgback,T(i,j)取加权平均作为噪声背景N，将K、B、N带入一阶成像模型得到微位移辐射校正后的响应图像为：
imgRcorrect(i,j)＝K*img(i,j)+B-N。
可选地，所述微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数的步骤具体包括：
步骤1：将长波线偏振片放于30℃的面源黑体前10cm处，长波分焦平面偏振相机放在偏振片前10cm处，使黑体可以充满整个视场，将定标好的增益系数、偏执系数和噪声背景加载到系统中；
步骤2：线偏振片起始检偏角为0°，上位机控制FPGA发送图像采集指令在当前起偏角进行图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机；
步骤3：起偏角增加10°重复执行步骤2，直到起偏角达到180°；
步骤4：将黑体温度调至50℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤5：将黑体温度调至70℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤6：总共采集到57组微位移图像imgT,Ang,position(i,j)，其中T为黑体温度，Ang为偏振源起偏角，posion为微位移位置；
步骤7：取30℃图像、50℃图像、70℃图像，对每组不同检偏角图像进行加权平均；
步骤8：根据分焦平面偏振探测器偏振像元响应模型，计算出不同温度下的偏振系数。
可选地，所述30℃图像对每组不同检偏角图像进行加权平均的公式为：
可选地，所述根据分焦平面偏振探测器偏振像元响应模型，计算出不同温度下的偏振系数的公式为：
可选地，所述将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正的步骤具体包括：将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的a1,a2偏振系数，将其带入公式对相机进行校正：
与现有技术相比，本发明红外分焦平面偏振探测系统定标方法基于微位移平台，首先对分焦平面探测器进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，再对其进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型求出偏振系数，根据偏振系数对相机进行校正。通过本发明方法可以进一步提升图像质量，有效的降低了红外分焦平面偏振相机的空间噪声，提高了偏振探测的精度，改善了偏振相机非均匀性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的基于微位移平台的图像采集方案示意框图。
图2为本发明实施例提供的红外分焦平面偏振探测系统定标方法流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
具体地，图1为本发明实施例提供的基于微位移平台的图像采集方案示意框图，其中基于微位移平台的图像采集方案，即可理解为如何用电脑控制相机采集微位移图像，图2所示为本发明实施例提供的红外分焦平面偏振探测系统定标方法流程框图，如图1和图2所示，本发明红外分焦平面偏振探测系统定标方法包括以下步骤：
S1：在进行微位移辐射定标和微位移偏振定标之前进行设备准备；
具体地，所述设备准备包括：将红外分焦平面偏振相机通过螺丝固定在微位移平台上，以及准备长波线偏振片和一个面源黑体。
所述微位移平台的步进精度1/1500um，可以进行y轴与z轴的微位移，所述红外分焦平面偏振相机波段为9-11um，像元尺寸为30um*30um，像素320*256。所述长波线偏振片的作用是为了产生单一检偏角的偏振光，在7-15um波段处消光比为10000。所述面源黑体温度分辨率0.1℃，辐射面200mm*200mm。
S2：对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像；
具体地，包括以下步骤：
步骤1：设置红外分焦平面偏振相机积分时间为1ms，将定标设备放于30℃的面源黑体前10cm处，使黑体充满整个视场；
步骤2：将镜头盖遮挡采集一副图像；
步骤3：上位机控制FPGA发送图像采集指令进行当前温度下的图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机。
所述微位移平台采用2*2位移方式，先向右移动30um，再向下移动30um，最后向左移动30um。
重复步骤2和步骤3直至温度升至70℃，一共可采集到9组微位移图像imgpositon,T(i,j)像和9幅背景图像imgback,T(i,j)。
步骤4：将采集到的9组微位移图像用于偏执系数矩阵与增益系数矩阵的计算；
首先将每组微位移图像相同像元位置对应的响应值取算术平均，如下所示：
其中imgave,T(i,j)代表取算术平均后的T温度下的图像，position代表四个不同的位置，分别计算出不同温度下黑体对应的辐射出射度，根据一阶成像模型采用线性最小二乘拟合出增益系数矩阵K与偏执系数矩阵B。
步骤5：将采集到的9幅背景图像imgback,T(i,j)取加权平均作为噪声背景N，将K、B、N带入一阶成像模型得到微位移辐射校正后的响应图像。
具体地，如下式所示：
imgRcorrect(i,j)＝K*img(i,j)+B-N。
S3：微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数；
具体地，包括以下步骤：
步骤1：将长波线偏振片放于30℃的面源黑体前10cm处，长波分焦平面偏振相机放在偏振片前10cm处，使黑体可以充满整个视场，将定标好的增益系数、偏执系数和噪声背景加载到系统中；
步骤2：线偏振片起始检偏角为0°，上位机控制FPGA发送图像采集指令在当前起偏角进行图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机。
步骤3：起偏角增加10°重复执行步骤2，直到起偏角达到180°。
步骤4：将黑体温度调至50℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤5：将黑体温度调至70℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤6：总共采集到57组微位移图像imgT,Ang,position(i,j)，其中T为黑体温度，Ang为偏振源起偏角，posion为微位移位置；
步骤7：取30℃图像，对每组不同检偏角图像进行加权平均；
具体地，公式如下：
类似地，对50℃图像、70℃图像重复执行步骤7，得到不同温度下不同检偏角对应的微位移响应均值图像。
步骤8：根据分焦平面偏振探测器偏振像元响应模型，计算出不同温度下的偏振系数。
具体地，公式如下：
IM＝GL(1+a1cos2βP+a2sin2βP)+B-N
M＝1,2....(i*j)p＝1,2,....,18
其中IM为像元响应值，βP为偏振光源的偏振角，a1,a2为偏振系数，L目标辐射出射度，首先计算出不同温度下的黑体的辐射出射度L30,L50,L70，G,B,N已由微位移辐射定标求解，不同温度下的不偏振态入射光源的像元的实际响应值为imgave,T,Ang(i,j)，利用非线性最小二乘法拟合，使得拟合值Ii与测量值imgave,T,Ang(i,j)之间的均方差值最小，从而计算出不同温度下的偏振系数aT,1,aT,2。
S4：将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正。
具体地，将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的a1,a2偏振系数，将其带入下列公式对相机进行校正。
Lideal表示校正后超像元响应矩阵，
表示超像元中四个检偏方向像元接收的辐照度，
和
表示超像元中对应像元的偏振参数。
与现有技术相比，本发明红外分焦平面偏振探测系统定标方法基于微位移平台，首先对分焦平面探测器进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，再对其进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型求出偏振系数，根据偏振系数对相机进行校正。通过本发明方法可以进一步提升图像质量，有效的降低了红外分焦平面偏振相机的空间噪声，提高了偏振探测的精度，改善了偏振相机非均匀性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在进行微位移辐射定标和微位移偏振定标之前进行设备准备；
对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像；
微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数；
将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正。
2.根据权利要求1所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述设备准备包括：将红外分焦平面偏振相机固定在微位移平台上以及准备长波线偏振片和一个面源黑体。
3.根据权利要求2所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述微位移平台的步进精度1/1500um，可以进行y轴与z轴的微位移，所述红外分焦平面偏振相机波段为9-11um，像元尺寸为30um*30um，像素320*256。
4.根据权利要求2所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述对分焦平面探测系统进行微位移辐射定标，拟合出增益系数与偏执系数，求出背景噪声，得到微位移辐射校正后的响应图像的步骤具体包括：
步骤1：设置红外分焦平面偏振相机积分时间为1ms，将定标设备放于30℃的面源黑体前10cm处，使黑体充满整个视场；
步骤2：将镜头盖遮挡采集一副图像；
步骤3：上位机控制FPGA发送图像采集指令进行当前温度下的图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机，重复步骤2和步骤3直至温度升至70℃，一共可采集到9组微位移图像imgpositon,T(i,j)像和9幅背景图像imgback,T(i,j)；
步骤4：将采集到的9组微位移图像用于偏执系数矩阵与增益系数矩阵的计算；
步骤5：将采集到的9幅背景图像imgback,T(i,j)取加权平均作为噪声背景，将偏执系数矩阵、增益系数和噪声背景带入一阶成像模型得到微位移辐射校正后的响应图像。
5.根据权利要求4所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，将每组微位移图像相同像元位置对应的响应值取算术平均，公式为：
6.根据权利要求5所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，将采集到的9幅背景图像imgback,T(i,j)取加权平均作为噪声背景N，将K、B、N带入一阶成像模型得到微位移辐射校正后的响应图像为：imgRcorrect(i,j)＝K*img(i,j)+B-N。
7.根据权利要求1所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述微位移辐射定标后，对系统进行微位移偏振定标，根据偏振成像模型计算出不同温度下的偏振系数的步骤具体包括：
步骤1：将长波线偏振片放于30℃的面源黑体前10cm处，长波分焦平面偏振相机放在偏振片前10cm处，使黑体可以充满整个视场，将定标好的增益系数、偏执系数和噪声背景加载到系统中；
步骤2：线偏振片起始检偏角为0°，上位机控制FPGA发送图像采集指令在当前起偏角进行图像采集，每采集一次图像，成像电路向微位移平台控制电路发送高电位，进行一次位移，到位后采集第二幅图像，将采集到的图像数据与位移数据存储到FPGA中，采集结束后统一上传给上位机；
步骤3：起偏角增加10°重复执行步骤2，直到起偏角达到180°；
步骤4：将黑体温度调至50℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤5：将黑体温度调至70℃，重复执行步骤2和步骤3；
步骤6：总共采集到57组微位移图像imgT,Ang,position(i,j)，其中T为黑体温度，Ang为偏振源起偏角，posion为微位移位置；
步骤7：取30℃图像、50℃图像、70℃图像，对每组不同检偏角图像进行加权平均；
步骤8：根据分焦平面偏振探测器偏振像元响应模型，计算出不同温度下的偏振系数。
8.根据权利要求7所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述30℃图像对每组不同检偏角图像进行加权平均的公式为：
9.根据权利要求7所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述根据分焦平面偏振探测器偏振像元响应模型，计算出不同温度下的偏振系数的公式为：
10.根据权利要求1所述的红外分焦平面偏振探测系统定标方法，其特征在于，所述将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的偏振系数，根据最终的偏振系数对偏振相机进行校正的步骤具体包括：将计算出的不同温度下的偏振系数矩阵取平均得出最终的a1,a2偏振系数，将其带入公式对相机进行校正：
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115031843A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-09-09 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法 |
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2021
- 2021-10-28 CN CN202111260474.6A patent/CN113970374A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN115031843A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-09-09 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法 |
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