CN114166348B - 一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其基于旋转偏振延迟器进行全斯托克斯矢量偏振成像探测原理，将偏振延迟器安装于中空高速电机上高速旋转，并采用高精度同轴编码器实时测量偏振延迟器瞬时角度，与角度固定的偏振片结合，实现对成像镜头收集的入射光高速、高精度椭圆偏振调制；同时，采集光强探测器对连续旋转偏振延迟器瞬态偏振调制后的强度进行时间积分，并利用集成于数据采集及信号处理模块中的数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测。本发明极大提升全斯托克斯矢量偏振成像探测精度和测量速度。
Description
技术领域
本发明涉及偏振成像技术领域，特别涉及一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法。
背景技术
偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。因此，偏振成像技术展现出了巨大的发展潜力，也成为国内外关注的研究和应用热点之一，广泛应用于天文观测，生物组织检测和医学诊断，大气环境和海洋监测，遥感成像，航天飞行器发动机结构缺陷检测，军事目标探测等重要领域。
目前比较常见的偏振成像技术主要包括分时型、分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种。传统分时型偏振成像探测方法主要通过旋转偏振延迟器或波片的方法，并与角度固定的偏振片结合，获取对同一目标场景在不同时刻的全斯托克斯矢量偏振态图像，其具有装置结构简单、成本低、偏振成像精度高等优点，但由于需要采集多个静止位置偏振态，因此只能用于静态目标全斯托克斯矢量偏振成像；发明专利“一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置”(专利申请号：201910988812.4)、“一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像方法”(专利申请号：201510377163.6)、“全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪”(专利申请号：201510377162.1)、“基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法”(专利申请号：201310723574.7)等均采用新的原理提出了全斯托克斯矢量偏振成像方法，但上述方法均需要在多个静态偏振调制状态下开展测量，仍然没有改变智能对静态目标全斯托克斯矢量偏振成像的结果。分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种偏振成像方法均能够同时获取不同偏振调制下的全斯托克斯矢量偏振成像数据，实时性好，但存在功能和性能上的显著不足。如分振幅型全斯托克斯矢量偏振成像装置系统复杂、体积大、重量重、一致性和稳定性差，分孔径型全斯托克斯矢量偏振成像装置空间分辨率低、图像配准困难、系统稳定性不高，分焦平面型偏振成像装置一般只能获取目标成像线偏振态，无法获取全斯托克斯矢量。虽然发明专利“基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器”(专利申请号：201620748008.0)、“全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法”(专利申请号：201810620205.8)、“二维全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法”(专利申请号：202110097901.7)均提出了新的能够同时获取全斯托克斯矢量的偏振成像方法，但单元器件制作难度大、偏振调制消光比低、均匀性差、存在视场混淆误差等因素限制了此类全斯托克斯矢量偏振成像技术性能及其发展。
鉴于上述偏振成像装置的性能和速度不足，研究人员提出了基于连续旋转偏振片的快速偏振成像装置和方法，如发明专利“一种基于分时法的快速偏振成像装置和方法”(专利申请号：202110202881)，虽然一定程度上提升了偏振成像速度，但只能对线偏振分量进行探测，且未考虑偏振片连续旋转带来的偏振调制非均匀性，偏振成像精度和速度均受到限制。发明专利“基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置”(专利申请号：201910141102.8)采用旋转轮对三片角度不同的偏振片进行旋转切换偏振成像，但只能对线偏振分量进行探测，且在旋转轮连续旋转过程中仍将偏振片作单一偏振调制状态处理，降低偏振成像精度，测量速度受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何在连续旋转偏振延迟器提升全斯托克斯矢量偏振成像速度的同时，充分考虑偏振延迟器角度变化引入的非均匀偏振调制对强度积分的影响，建立入射光全斯托克斯矢量偏振态与强度-时间积分之间定量关系，建立强度-时间积分与偏振延迟器旋转速度、偏振延迟量、触发曝光瞬时角度以及积分时间之间的数学关系，提升全斯托克斯矢量偏振成像探测精度和速度，是偏振成像领域亟待解决的问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，该方法包括：
步骤一、构建强度-时间积分型全斯托克斯矢量快速偏振成像装置，由成像镜头、中空高速电机、高精度同轴编码器、偏振延迟器、偏振片、光强探测器、同步控制模块、数据采集及信号处理模块组成，成像镜头搜集入射光形成成像光束，经过偏振延迟器和偏振片偏振调制后进入光强探测器的光敏面上，并由数据采集及信号处理模块对光强探测器探测到的强度时间积分进行采集、处理，获取入射光的全斯托克斯矢量偏振参数，其中，中空高速电机由内转子和外定子组成，偏振延迟器和高精度同轴编码器与中空高速电机内转子固定连接，并跟随中空高速电机连续转动；偏振延迟器在高速连续转动过程中，与角度固定偏振片共同对成像光束进行连续偏振调制，形成瞬时偏振态变化的成像光束；高精度同轴编码器测量偏振延迟器瞬时旋转角度，并实时反馈给同步控制模块；同步控制模块根据测量偏振延迟器瞬旋转角度形成高速触发脉冲信号，对光强探测器进行同步曝光触发，对偏振延迟器连续偏振调制形成的瞬时偏振态成像光束在曝光时间进行强度积分，由数据采集及信号处理模块采集并处理强度-时间积分数据；此外，同步控制模块可对中空高速电机转速进行控制，并控制数据采集及信号处理模块同步采集强度-积分时间数据；
步骤二、利用数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测；具体的，静态情况下，光强探测器探测到的强度与偏振延迟器角度及入射光偏振态之间关系如公式(1)所示：
其中，[Iin,Qin,Uin,Qin]为入射光的全斯托克斯矢量，(α,δ)分别表示偏振延迟器快轴角度和偏振延迟量，f(α,δ)、g(α,δ)、p(α,δ)分别为Qin、Uin、Qin的系数函数，表达式如下式所示：
当偏振延迟器连续旋转时，光强探测器探测到的瞬时强度除了与入射光偏振态有关外，还与偏振延迟器瞬时角度和延迟量有关，因此，公式(1)可以表达为如下时变函数：
其中，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度。
相应地，公式(2)则写为：
在曝光时间内，光强探测器探测到光强可以表示为瞬时光强的时间积分，由此，公式(3)可以进一步表达为：
其中，t1和t2分别表示强度积分的起止时刻，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度，其与中空高速电机的转动角速度ω0有关，如下式所示：
α(t)＝ω0t (6)
进一步推导公式(5)可以得到Qin、Uin、Qin的系数函数时间积分数学表达式：
设偏振延迟器初始时刻t0时的瞬时角度为α0＝α(t0)＝ω0t0，光强探测器曝光时间△t＝t2-t1，在曝光时间△t内偏振延迟器旋转过的曝光角△α可以表示为：
Δα＝ω0Δt (10)
因此，公式(7)～(9)可以进一步表达为：
令：
则公式(5)可以重写为：
偏振延迟器高速旋转过程中，光强探测器曝光N次可以获得N个强度积分值，并构建N个线性方程，可写成矩阵形式如下：
其中，[α01,α02,…,α0N]为光强探测器对应N次曝光起始时刻偏振延迟器的瞬时角度，其可由高精度同轴编码器实时测量；[I1 out,I2 out,…,IN out]为光强探测器对应N次曝光在曝光时间内的强度积分值；
至此，公式(14)中对应系数矩阵均可实时测量，强度积分值可由光强探测器同步控制模块控制下根据偏振延迟器瞬时角度值同步触发并测量，并最终由数据采集及信号处理模块采集，进而可以精确解算出入射光的偏振态，如下式所示：
其中，[]+表达矩阵的广义逆。中空高速电机的转动角速度ω0可由高精度同轴编码器对偏振延迟器瞬时角度测量值对时间微分计算；曝光角△α可利用中空高速电机的转动角速度ω0和光强探测器曝光时间△t并根据公式(10)计算；
一般情况下，N的取值至少为4，常用测量次数4次N＝4)，当测量次数为4次时，其最佳的偏振延迟量为137.7°，对应4个瞬时角度为[0.12°，36.7°，113.31°，149.88°]，并在[180.12°，216.7°，293.31°，329.88°]具有等效偏振成像结果，因此偏振延迟器旋转一圈过程中光强探测器曝光8次，获取8帧偏振调制探测图像，如此循环；采用数据复用方式偏振成像速率可以达到8帧/圈，为了获取更好的数据信噪比，测量次数N也可以更大，进行数据冗余探测，均可以采用公式(15)进行入射光全斯托克斯矢量偏振态反演。
进一步地，所述的高精度同轴编码器与偏振延迟器相对固定，用于实时测量偏振延迟器的瞬时角度。
进一步地，所述的中空高速电机旋转中心为空心轴，可用于安装偏振延迟器和高精度同轴编码器，并允许入射光透射并到达光强探测器的光敏面上，其可以采用直流无刷电机，也可以采用交流电机。
进一步地，所述的光强探测器对曝光时间内由于偏振延迟器连续旋转形成瞬时偏振调制成像光束强度进行时间积分，最终采用数据反演方法准确复原出入射光的偏振特性。
进一步地，所述的偏振延迟器用于与偏振片结合共同对入射光进行椭圆偏振调制，其可以根据应用场景不同采用零级波片、多级波片、低阶波片、可变波片以及消色差波片等，只要满足线偏振调制功能即可。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1).相对于传统分时型全斯托克斯矢量偏振成像装置，本发明不需将偏振延迟器停留在特定角度等待光强探测器曝光完成，而是采用连续旋转偏振延迟器方式，并利用本发明数据反演算法，可以对动态目标实现快速全斯托克斯矢量偏振成像，探测速度显著提升。
(2).相对于分焦平面全斯托克斯矢量偏振成像装置，本发明采用均匀器件制作，不存在视场非均匀性和消光比不均匀性等原理问题，且消光比大幅提升，测量精度高。
综上所述，本发明提出的一种强度-时间积分型全斯托克斯矢量快速偏振成像方法及装置，从原理上解决由于偏振延迟器连续旋转引入的偏振调制非均匀性及其对偏振成像探测性能的影响，在保证偏振成像精度的同时，进一步提升偏振成像速度，创新性明显，实用性强，可用于目标探测、生物医学、天文观测、材料识别等多个领域。
附图说明
图1为本发明一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法利用的装置，其中，1为成像镜头，2为中空高速电机，3为高精度同轴编码器，4为偏振片，5为光强探测器，6为同步控制模块，7为数据采集及信号处理模块，8为偏振延迟器。
图2为本发明提出的基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法中一种4次测量实现方式起始曝光角度和曝光角示意图，其中：[α0,1,α0,2,α0,3,α0,4]为光强探测器对应4次曝光起始时刻偏振片的瞬时角度，△α为曝光角，ω0为中空高速电机的转动角速度。
图3为本发明提出的基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法中一种4次测量实现方式数据复用方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法利用的装置，该方法利用的强度-时间积分型全斯托克斯矢量快速偏振成像装置，由成像镜头1、中空高速电机2、高精度同轴编码器3、偏振延迟器8、偏振片4、光强探测器5、同步控制模块6、数据采集及信号处理模块7组成。成像镜头1搜集入射光形成成像光束，经过偏振延迟器8和偏振片4偏振调制后进入光强探测器5的光敏面上，并由数据采集及信号处理模块7对光强探测器5探测到的强度时间积分进行采集、处理，获取入射光的全斯托克斯矢量偏振参数。其中，中空高速电机2由内转子和外定子组成，偏振延迟器8和高精度同轴编码器3与中空高速电机2内转子固定连接，并跟随中空高速电机2连续转动；偏振延迟器8在高速连续转动过程中，与角度固定偏振片4共同对成像光束进行连续偏振调制，形成瞬时偏振态变化的成像光束；高精度同轴编码器3测量偏振延迟器8瞬时旋转角度，并实时反馈给同步控制模块6；同步控制模块6根据测量偏振延迟器8瞬旋转角度形成高速触发脉冲信号，对光强探测器5进行同步曝光触发，对偏振延迟器8连续偏振调制形成的瞬时偏振态成像光束在曝光时间进行强度积分，由数据采集及信号处理模块7采集并处理强度-时间积分数据；此外，同步控制模块6可对中空高速电机2转速进行控制，并控制数据采集及信号处理模块7同步采集强度-积分时间数据。最终，利用本发明描述的数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测。
静态情况下，光强探测器5探测到的强度与偏振延迟器8角度及入射光偏振态之间关系如公式(1)和公式(2)所示。
当偏振延迟器8连续旋转时，光强探测器5探测到的瞬时强度除了与入射光偏振态有关外，还与偏振延迟器8瞬时角度和延迟量有关，因此，公式(1)和公式(2)则变为时变函数，如公式(3)和公式(4)所示。在曝光时间内，光强探测器5探测到光强可以表示为瞬时光强的时间积分。由此，公式(3)和公式(4)可进一步表达为公式(5)～(12)。最终，光强探测器5探测到光强-时间积分值与中空高速电机2转速ω0、偏振延迟器8延迟量δ及其曝光瞬时角度、光强探测器5曝光时间△t建立了严格的数学关系，如公式(13)所示。
偏振延迟器8高速旋转过程中，光强探测器5曝光N次可以获得N个强度积分值，并构建N个线性方程，其矩阵形式如公式(14)所示。至此，公式(14)中对应系数矩阵均可实时测量，强度积分值可由光强探测器5同步控制模块6控制下根据偏振延迟器(8)瞬时角度值同步触发并测量，并最终由数据采集及信号处理模块7采集，进而可以精确解算出入射光的偏振态，如公式(15)。
一般情况下，N的取值至少为4，常用测量次数4次N＝4)。当测量次数为4次时，其最佳的偏振延迟量为137.7°，对应4个瞬时角度为[0.12°，36.7°，113.31°，149.88°]，并在[180.12°，216.7°，293.31°，329.88°]具有等效偏振成像结果，因此偏振延迟器8旋转一圈过程中光强探测器5曝光8次，获取8帧偏振调制探测图像，如此循环。采用数据复用方式偏振成像速率可以达到8帧/圈。为了获取更好的数据信噪比，测量次数N也可以更大，进行数据冗余探测，均可以采用公式(15)进行入射光全斯托克斯矢量偏振态反演。
图2给出了本发明提出的强度-时间积分型快速偏振成像方法中一种4次测量实现方式起始曝光角度和曝光角示意图。在实际应用中，还需要考虑曝光角△α和中空高速电机2转速ω0的最大限制问题。一般来说，曝光角△α不应在偏振片两个瞬时触发角度间产生重叠，即满足：
而光强探测器5的曝光时间△t取决于偏振成像对象及实际应用场景，因此中空高速电机2转速ω0应满足如下关系：
图3为本发明提出的基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法中一种4次测量实现方式数据复用方案。当偏振片旋转一转(360°)时，会新产生8个偏振图像，每新产生一个新的偏振图像均可以与已曝光的最近3帧图像组成一组，反演当前入射光偏振态，因此偏振成像速度为8帧/转。一般来说，若中空高速电机2使用直流无刷电机，其转速最高可以达到2000转/分钟(rpm)，其实际偏振图像输出速率最高可达267帧/秒(fps)。
需要指出的是，图2和图3仅给出了一种可能的具体实现方式，基于本发明提出的实现方法，存在无穷多种可能的实现方式，只要满足本发明的基本特征，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：该方法包括：
步骤一、构建强度-时间积分型全斯托克斯矢量快速偏振成像装置，由成像镜头(1)、中空高速电机(2)、高精度同轴编码器(3)、偏振延迟器(8)、偏振片(4)、光强探测器(5)、同步控制模块(6)、数据采集及信号处理模块(7)组成，成像镜头(1)搜集入射光形成成像光束，经过偏振延迟器(8)和偏振片(4)偏振调制后进入光强探测器(5)的光敏面上，并由数据采集及信号处理模块(7)对光强探测器(5)探测到的强度时间积分进行采集、处理，获取入射光的全斯托克斯矢量偏振参数，其中，中空高速电机(2)由内转子和外定子组成，偏振延迟器(8)和高精度同轴编码器(3)与中空高速电机(2)内转子固定连接，并跟随中空高速电机(2)连续转动；偏振延迟器(8)在高速连续转动过程中，与偏振片(4)共同对成像光束进行连续偏振调制，形成瞬时偏振态变化的成像光束；高精度同轴编码器(3)测量偏振延迟器(8)瞬时旋转角度，并实时反馈给同步控制模块(6)；同步控制模块(6)根据测量偏振延迟器(8)瞬旋转角度形成高速触发脉冲信号，对光强探测器(5)进行同步曝光触发，对偏振延迟器(8)连续偏振调制形成的瞬时偏振态成像光束在曝光时间进行强度积分，由数据采集及信号处理模块(7)采集并处理强度-时间积分数据；此外，同步控制模块(6)可对中空高速电机(2)转速进行控制，并控制数据采集及信号处理模块(7)同步采集强度-积分时间数据；
步骤二、利用数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测；具体的，静态情况下，光强探测器探测到的强度与偏振延迟器角度及入射光偏振态之间关系如公式(1)所示：
其中，[Iin,Qin,Uin,Vin]为入射光的全斯托克斯矢量，(α,δ)分别表示偏振延迟器快轴角度和偏振延迟量，f(α,δ)、g(α,δ)、p(α,δ)分别为Qin、Uin、Vin的系数函数，表达式如下式所示：
当偏振延迟器连续旋转时，光强探测器探测到的瞬时强度除了与入射光偏振态有关外，还与偏振延迟器瞬时角度和延迟量有关，因此，公式(1)可以表达为如下时变函数：
其中，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度；
相应地，公式(2)则写为：
在曝光时间内，光强探测器探测到光强可以表示为瞬时光强的时间积分，由此，公式(3)可以进一步表达为：
其中，t1和t2分别表示强度积分的起止时刻，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度，其与中空高速电机的转动角速度ω0有关，如下式所示：
α(t)＝ω0t (6)
进一步推导公式(5)可以得到Qin、Uin、Vin的系数函数时间积分数学表达式：
设偏振延迟器初始时刻t0时的瞬时角度为α0＝α(t0)＝ω0t0，光强探测器曝光时间△t＝t2-t1，在曝光时间△t内偏振延迟器旋转过的曝光角△α可以表示为：
Δα＝ω0Δt (10)
因此，公式(7)～(9)可以进一步表达为：
令：
则公式(5)可以重写为：
偏振延迟器高速旋转过程中，光强探测器曝光N次可以获得N个强度积分值，并构建N个线性方程，可写成矩阵形式如下：
其中，[α01,α02,…,α0N]为光强探测器对应N次曝光起始时刻偏振延迟器的瞬时角度，其可由高精度同轴编码器实时测量；[I1 out,I2 out,…,IN out]为光强探测器对应N次曝光在曝光时间内的强度积分值；
至此，公式(14)中对应系数矩阵均可实时测量，强度积分值可由光强探测器同步控制模块控制下根据偏振延迟器瞬时角度值同步触发并测量，并最终由数据采集及信号处理模块采集，进而可以精确解算出入射光的偏振态，如下式所示：
其中，[]+表达矩阵的广义逆；中空高速电机的转动角速度ω0可由高精度同轴编码器对偏振延迟器瞬时角度测量值对时间微分计算；曝光角△α可利用中空高速电机的转动角速度ω0和光强探测器曝光时间△t并根据公式(10)计算；
N的取值至少为4，当测量次数为4次时，其最佳的偏振延迟量为137.7°，对应4个瞬时角度为[0.12°，36.7°，113.31°，149.88°]，并在[180.12°，216.7°，293.31°，329.88°]具有等效偏振成像结果，因此偏振延迟器旋转一圈过程中光强探测器曝光8次，获取8帧偏振调制探测图像，如此循环；采用数据复用方式偏振成像速率可以达到8帧/圈，为了获取更好的数据信噪比，测量次数N也可以更大，进行数据冗余探测，均可以采用公式(15)进行入射光全斯托克斯矢量偏振态反演。
2.根据权利要求1所述的一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：所述的高精度同轴编码器(3)与偏振延迟器(8)相对固定，用于实时测量偏振延迟器(8)的瞬时角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：所述的中空高速电机(2)旋转中心为空心轴，可用于安装偏振延迟器(8)和高精度同轴编码器(3)，并允许入射光透射并到达光强探测器(5)的光敏面上，其可以采用直流无刷电机，也可以采用交流电机。
4.根据权利要求1所述的一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：所述的光强探测器(5)对曝光时间内由于偏振延迟器(8)连续旋转形成瞬时偏振调制成像光束强度进行时间积分，最终采用数据反演方法准确复原出入射光的偏振特性。
5.根据权利要求1所述的一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：所述的偏振延迟器(8)用于与偏振片(4)结合共同对入射光进行椭圆偏振调制，其可以根据应用场景不同采用零级波片、多级波片、低阶波片、可变波片以及消色差波片，只要满足线偏振调制功能即可。
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