CN114235352A - 一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法 - Google Patents

Abstract

一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，包括：S1、标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定，起偏产生线偏振方向可控的标准线偏振光；S2、四相机实时偏振成像系统光学系统偏振角度及视场内多点偏振角度测试；S3、四相机实时偏振成像系统暗电流测试；S4、粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，精测DN值最小时对应的偏振消光角度；S5、计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度。本发明可实现对四相机实时偏振成像系统各孔径的偏振消光角度测试，计算得到相对偏振角度，测试精度只与测试设备精度有关，可有效衡量四相机实时偏振成像系统相对偏振角度与设计值差距。

Description

一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法

技术领域

本发明属于偏振测试技术领域，涉及一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法。

背景技术

目标、环境和任务使命的变化在不断地促使光电成像制导系统的理论和技术发展演化。信息获取方式的改变、获取能力的增强是光电探测系统技术变革的基础和关键，目标偏振信息的获取和有效利用可为光电探测带来的增益愈发明显。为了在更加复杂的周边环境中，获取更加精细、多样化、丰富的目标信息，传统以强度探测为主的光电探测技术逐渐无法满足应用需求，因此需要综合考虑多维信息的获取，通过充分挖掘目标辐射或者反射的光的强度、光谱、偏振、相位等信息，实现多维信息的组合利用，实现智能化目标提取与识别等光电探测技术，提升光电探测技术在军民领域的应用效能。偏振成像技术作为一种新型光电探测技术近年来受到了广泛关注，偏振遥感的研究包括遥感器、辐射传输原理、仪器定标和数据应用等。在引入偏振后，遥感器的设计需要进行矢量计算，极大地丰富了信息量，偏振关注了电磁波作为横波的特性，拓展了电磁波的应用维度。

偏振仪器测试定标的原理和方法作为偏振遥感研究体系的一部分，是偏振遥感推广的理论和应用前提，为偏振探测系统的评价提供支撑。偏振定标不同于辐射强度定标，其原理和方法都更为复杂，偏振定标研究在我国是一个全新的课题，需要根据偏振辐射传输的原理研究偏振定标的一般性理论，再根据该理论对多个偏振参数发展具有针对性地测试方法和流程。辐射强度领域的遥感器定标已经发展的较为成熟，偏振定标是定量遥感研究中的一个重点和难点。

四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试是遥感器偏振定标的重要环节，对于大视场的光学系统而言，其偏振特性可以通过视场定标、辐射及其他偏振定标进行校正。但因偏振角度的角度误差而产生的偏振测量误差无法校正，因此检偏器的安装精度及安装方式很重要，它是提高偏振遥感探测精度的关键问题之一。现有的偏振角度测试方法理论可行，然而LED光源功率密度较低，偏振光强响应曲线在极小值点处变化缓慢，将引入较大测试误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，可构建一个线偏振方向可控的标准线偏振光，对四相机实时偏振成像系统开展实验室各孔径偏振消光角度测试，评估其与设计值差距，可应用于偏振遥感载荷参数高精度定标，给出数据处理先验知识，从而实现目标高精度偏振遥感探测。

本发明的技术解决方案是：

一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，包括：

S1、搭建第一测试系统，进行标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定，起偏产生线偏振方向可控的标准线偏振光；

S2、搭建第二测试系统，进行四相机实时偏振成像系统光学部分偏振角度及视场内多点偏振角度测试；

S3、进行四相机实时偏振成像系统暗电流测试；四相机实时偏振成像系统暗电流是指在无光照及无电注入条件下像元产生的额外输出，对偏振相机响应进行分析需要扣除暗电流；

S4、搭建第三测试系统，通过粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，确定精测DN值最小时对应的偏振消光角度；

S5、计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，完成四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试。

进一步的，在步骤S1中，所述标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定为偏振片角度与偏振片调整架之间的安装关系映射；定义偏振角度为偏振片偏光轴方向与偏振态测量仪水平0°偏振方向夹角；旋转标准线偏振片，通过偏振态测量仪读数，找到标志点的真实偏振角度与偏振片调整架刻度之间的关系；

标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与安装座刻度θ_{Polarizer-holder}之间存在以下对应关系：

式中，θ₀表示标准线偏振片偏振角度为0°时对应的旋转安装座刻度，等间距旋转标准线偏振片，找到几组标志点的偏振角度与安装座刻度之间对应关系拟合曲线，标志点分布在理论曲线附近；

所述第一测试系统包括：依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片保持平行；标准线偏振片安装在安装座上，安装座上设置有偏振片调整架，用于调整安装座的角度。

进一步的，在步骤S1中，线偏振方向可控的标准线偏振光为完全线偏振光，由激光透过已标定的标准线偏振片产生。

进一步的，在步骤S2中，第二测试系统具体包括依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片与光轴保持垂直；所述待测光学系统是指四相机实时偏振成像系统的光学部分；

所述四相机实时偏振成像系统光学部分是四相机实时偏振成像系统光学部组件，包括偏振角度为0°、45°、90°、135°的四条通道，每条通道包含一片线偏振片；每个通道呈2×2阵列平行分布用于对同一目标区域成像，每个通道的探测模块由镜头与线偏振片组成，四个通道探测模块依次命名为相机1、相机2、相机3、相机4，其偏振角度分别为0°、45°、90°、135°，四个通道的光学结构完全相同；

所述四相机实时偏振成像系统偏振角度是指含偏振片的光学系统的偏光轴角度，即透光方向与水平轴之间的角度，由偏振片偏光轴安装方向决定；

所述视场内多点是镜头中心点及其周围均布四点位置。

进一步的，在步骤S3中，暗电流由下式表示：

式中N_dark为暗电荷的数量，Q_dark为暗电流电荷量，q为电子电荷量，I_dark为暗电流，t_INT为积分时间；

DN＝DN_signal+DN_dark＝k·(N_signal+N_dark)

式中DN为待测相机响应，DN_signal为相机信号响应，DN_dark为相机暗电流响应；N_signal为信号电荷数量，k为响应系数；

将待测相机相应DN去除暗电流信号DN_dark实现暗电流校正；暗室中用黑布遮盖四相机实时偏振成像系统，此时的DN_dark为相机暗电流响应，取各像素的DN_dark中位数用于校正。

进一步的，在步骤S4中，所述第三测试系统具体包括依次放置的激光器、1号标准线偏振片、衰减片、2号标准线偏振片、待测成像系统以及数据采集系统；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测相机以及数据采集系统光轴保持一致，其中两个标准线偏振片、衰减片与光轴保持垂直，2号标准线偏振片需经过步骤S1标定；

粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，即旋转经过标定的2号标准线偏振片，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值先减小后增大的极值点所在范围，各孔径DN值均扣除暗电流；

此时1号标准线偏振片偏振角度与激光器消光角度有一定差距，以保证激光器与1号标准线偏振片组合后的出光方向不与任何一个四相机实时偏振成像系统待测偏振角度重合；

当四相机实时偏振成像系统响应为极小值时，2号标准线偏振片与四相机实时偏振成像系统消光，2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera相差±90°；直接对安装座刻度θ_{Polarizer-holder}读数，根据拟合曲线计算出2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer，从而得出四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera计算公式如下：

θ_camera＝θ_Polarizer±90°

符号正负需根据极小值点周围数值确定。

进一步的，在步骤S4中，精测DN值最小时对应的偏振消光角度为在消光范围内，旋转标准线偏振片调整架测微头，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值精确极小值点，各孔径DN值均扣除暗电流；

偏振光强响应曲线为余弦函数，其极小值点处导数为0，粗调找到极小值范围后，进一步缩小步长以精确找到导数为0的点。

进一步的，在步骤S5中，计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度是指通过对实测的各孔径偏振消光角度计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，

四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度θ_delta计算公式如下：

θ_delta(1-2)＝θ_camera2-θ_camera1＝θ_Polarizer2-θ_Polarizer1±90°

θ_delta(2-3)＝θ_camera3-θ_camera2＝θ_Polarizer3-θ_Polarizer2±90°

θ_delta(3-4)＝θ_camera4-θ_camera3＝θ_Polarizer4-θ_Polarizer3±90°

θ_delta(4-1)＝θ_camera1-θ_camera4＝θ_Polarizer1-θ_Polarizer4±90°

式中，θ_Polarizer1、θ_Polarizer2、θ_Polarizer3、θ_Polarizer4由步骤S4测量得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4消光时对应的2号标准线偏振片偏振角度，θ_camera1、θ_camera2、θ_camera3、θ_camera4由步骤S4计算得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4测量得到的偏振角度，θ_delta(1-2)为相机1和相机2之间的相对偏振角度，θ_delta(2-3)为相机2和相机3之间的相对偏振角度，θ_delta(3-4)为相机3和相机4之间的相对偏振角度，θ_delta(4-1)为相机4和相机1之间的相对偏振角度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法对各孔径偏振消光角度进行测试，可有效衡量四相机实时偏振成像系统相对偏振角度与设计值差距，评估四相机实时偏振成像系统研制水平。

(2)利用激光器配合标准线偏振片产生一个可控光源，可产生任意角度的完全线偏振光，并对完全线偏振光角度及偏振度做了标定；相比于玻璃片堆，产生的完全线偏振光偏振度高、出光稳定、系统简单；

(3)寻找消光位置过程中，由于以激光器为光源，聚焦光斑约20μm²，远小于探测器像面(约6mm²)，光强约为普通LED的1000倍(LED灯光效为80～100流明/瓦)，功率密度高3个数量级，偏振光强响应曲线在极小值点处变化快，偏振片消光现象明显，孔径消光范围小，偏振消光角度测量精确；

(4)本发明可用于四相机实时偏振成像系统的偏振探测精度评估，对整机的偏振角度进行测量，判断偏振角度误差对整机偏振测量误差影响，推导出整机偏振探测精度受到的影响。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法流程图。

图2是根据本发明的实施例的光强随偏振遥感器偏振角度变化曲线图。

图3是根据本发明的实施例的标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定光路图。

图4是根据本发明的实施例的光学系统偏振角度及视场内多点偏振角度测试光路示意图。

图5是根据本发明的实施例的四相机实时偏振成像系统各孔径偏振消光角度测试光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图，详细描述本发明的实施例。

如图1所示，本发明提出了一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，包括如下步骤：

S1、搭建第一测试系统，进行标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定，起偏产生线偏振方向可控的标准线偏振光；

如图3所示，所述第一测试系统包括：依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片保持平行；标准线偏振片安装在安装座上，安装座上设置有偏振片调整架，用于调整安装座的角度。

在步骤S1中，所述标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定为偏振片角度与偏振片调整架之间的安装关系映射；定义偏振角度为偏振片偏光轴方向与偏振态测量仪水平0°偏振方向夹角；旋转标准线偏振片，通过偏振态测量仪读数，找到标志点的真实偏振角度与偏振片调整架刻度之间的关系；

标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与安装座刻度θ_{Polarizer-holder}之间存在以下对应关系：

式中，θ₀表示标准线偏振片偏振角度为0°时对应的旋转安装座刻度，等间距旋转标准线偏振片，找到几组标志点的偏振角度与安装座刻度之间对应关系拟合曲线，标志点分布在理论曲线附近。

在步骤S1中，线偏振方向可控的标准线偏振光为完全线偏振光，由激光透过已标定的标准线偏振片产生，大部分电光调Q的YAG激光器输出光为单色部分线偏振光。线偏振光在观察时间内，光矢量的大小随时间改变，但振动方向始终不变。部分线偏振光概念与完全线偏振光相对，可以认为部分偏振光由完全线偏振光分量和非偏振光成分组合而成，部分偏振光光束总光强I可以表示为：

I＝I_p+I_o

式中，I_p表示完全线偏振光光强，I_o表示非偏振光光强。

强度为I₁的线偏振光通过偏振片(检偏器)后，出射光的强度I₂为：

I₂＝I₁cos²α

式中α为检偏器的偏振角度与入射线偏振光光矢量之间的夹角，上式称为马吕斯定律。从马吕斯定律可知，线偏振光通过检偏器后，光强随入射线偏振光的偏振角度和偏振片的偏振角度之间的夹角α的改变而改变。当α＝0或α＝π时，I₂＝I_2max＝I₁，光强最大；当

或

时I₂＝I_2min，光强最小，称为消光现象；当α取其它值时，光强I₂介于中间。

整个测量方法基于马吕斯定律原理，通过消光现象将待测相机偏振角度与标准线偏振片偏振角度建立联系。

标准线偏振片调整到某一角度时，透过偏振片的输出光强度最小，此时标准线偏振片偏振方向与激光器偏振方向正交，即相互消光。

首先让激光器发出的激光经过一片标准线偏振片，这一步是非常必要的，因为激光器发出的光有70％～80％左右的线偏振光，该标准线偏振片可起到滤光以及调整出射光偏振角度等于标准线偏振片偏振角度的作用。

S2、搭建第二测试系统，进行四相机实时偏振成像系统光学部分偏振角度及视场内多点偏振角度测试；

如图4所示，第二测试系统具体包括依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片与光轴保持垂直；所述待测光学系统是指四相机实时偏振成像系统的光学部分；

所述四相机实时偏振成像系统光学部分是四相机实时偏振成像系统光学部组件，包括偏振角度为0°、45°、90°、135°的四条通道，每条通道包含一片线偏振片；每个通道呈2×2阵列平行分布用于对同一目标区域成像，每个通道的探测模块由镜头与线偏振片组成，四个通道探测模块依次命名为相机1、相机2、相机3、相机4，其偏振角度分别为0°、45°、90°、135°，四个通道的光学结构完全相同；

所述四相机实时偏振成像系统偏振角度是指含偏振片的光学系统的偏光轴角度，即透光方向与水平轴之间的角度，由偏振片偏光轴安装方向决定；

所述视场内多点是镜头中心点及其周围均布四点位置，视场内多点检偏角度为取光学系统视场内均布五点位置，测量其偏振角度，可反映相机偏振角度分布均匀性。

通常所用的薄膜偏振片由特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中有规则排列而制成，允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏光轴方向)，而吸收与其垂直振动的光，即具有二向色性。偏光轴的方向没有特别标记。因此自然光通过偏振片后，透射光基本上成为平面偏振光。

为了便于测量，采取一种简单的区域划分方法，即把待测区域按照水平方向分别进行等分成六个图像区域块，取中轴线上用于划分区域的五个点作为测量点。

把每个测量点的测试数据看作一个样本数据，所有点的数据组成一个样本集合，可以采用样本方差或样本标准差表示不同点的偏差程度，即如果偏振角度在五个点上分布的都比较均匀，那么可以认为相机偏振角度分布比较均匀。

S3、进行四相机实时偏振成像系统暗电流测试；四相机实时偏振成像系统暗电流是指在无光照及无电注入条件下像元产生的额外输出，主要原因来自于半导体的热激发。对偏振相机响应进行分析需要扣除暗电流；

在步骤S3中，暗电流由下式表示：

式中N_dark为暗电荷的数量，Q_dark为暗电流电荷量，q为电子电荷量，I_dark为暗电流，t_INT为积分时间；

DN＝DN_signal+DN_dark＝k·(N_signal+N_dark)

式中DN为待测相机响应，DN_signal为相机信号响应，DN_dark为相机暗电流响应；N_signal为信号电荷数量，k为响应系数；

将待测相机相应DN去除暗电流信号DN_dark实现暗电流校正；暗室中用黑布遮盖四相机实时偏振成像系统，此时的DN_dark为相机暗电流响应，取各像素的DN_dark中位数用于校正。

S4、搭建第三测试系统，通过粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，确定精测DN值最小时对应的偏振消光角度；

如图5所示，第三测试系统具体包括依次放置的激光器、1号标准线偏振片、衰减片、2号标准线偏振片、待测成像系统以及数据采集系统；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测相机以及数据采集系统光轴保持一致，其中两个标准线偏振片、衰减片与光轴保持垂直，2号标准线偏振片需经过步骤S1标定；

粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，即旋转经过标定的2号标准线偏振片，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值先减小后增大的极值点所在范围，各孔径DN值均扣除暗电流；

此时1号标准线偏振片偏振角度与激光器消光角度有一定差距，以保证激光器与1号标准线偏振片组合后的出光方向不与任何一个四相机实时偏振成像系统待测偏振角度重合；

当四相机实时偏振成像系统响应为极小值时，2号标准线偏振片与四相机实时偏振成像系统消光，2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera相差±90°；直接对安装座刻度θ_{Polarizer-holder}读数，根据拟合曲线计算出2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer，从而得出四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera计算公式如下：

θ_camera＝θ_Polarizer±90°

符号正负需根据极小值点周围数值确定。

精测DN值最小时对应的偏振消光角度为在消光范围内，旋转标准线偏振片调整架测微头，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值精确极小值点，各孔径DN值均扣除暗电流；极小值点处即附图2中α₁、α₂处，此时根据马吕斯定律，偏振光强响应曲线为余弦函数，其极小值点处导数为0，故粗调找到极小值范围后，进一步缩小步长以精确找到导数为0的点。

选择激光而非积分球、LED、白炽灯等其他光源的根本原因在于，激光具有很好的方向性，能量集中于一非常小的立体角中，普通光源发散角为4π的立体角，因此激光在单一方向上的能量密度要比普通光源高得多。激光的偏振响应曲线在极小值点α₁、α₂处的变化速率远大于其他光源，这是保证本测量方法高精度的要点。

激光的能量密度，通常忽略掉其时间因素，多用于形容脉冲激光光源，单位为J/(cm²)。激光器输出脉冲的能量除以激光器输出光斑面积就是能量密度。

激光的功率密度，表示单位时间内激光辐照在单位面积靶材上的能量大小，多用于形容长脉冲激光或连续激光，单位为W/(cm²)。为了操作便利，本测试方法采用连续激光作为光源。

感光面上聚焦光斑的艾里斑直径可由下式计算：

D＝2.44λF_#

式中，D表示艾里斑直径，λ表示激光器波长，F_#表示光学系统F数。考虑常见激光器光束质量不高，聚焦光斑无法达到艾里斑级别，计算时应放大一些。

P_Laser为激光器功率，一般为mW级；πR²为聚焦光斑面积；PD_Laser为激光器功率密度，单位为W/(cm²)。

普通LED光源可以认为是面光源，面光源在某一给定方向上的辐射通量可由下式表示：

成像系统像平面的辐照度计算公式如下：

物空间亮度为L₀的微面元ds₀经过物镜成像在像空间ds₁微面元上，光源微面元向透镜口径D所张立体角发射的辐射通量为：

dΦ＝πL₀ds₀sin²u₀

其中，u₀为物点对成像系统的张角。

dΦ经过透过率为τ的物镜后照射在微面元ds₁上的照度为：

利用光学拉亥不变式n₀·r₀·sinu₀＝n₁·r₁·sinu₁，可将上式改写成：

照度与光强具有距离平方反比关系。

将激光光强与普通光源光强分别带入马吕斯定律，可得出经过偏振片后出射光的偏振响应曲线，其极小值点处的变化率仅由光强决定，即正相关于光源功率密度。

S5、计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，完成四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试。

计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度是指通过对实测的各孔径偏振消光角度计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，

四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度θ_delta计算公式如下：

θ_delta(1-2)＝θ_camera2-θ_camera1＝θ_Polarizer2-θ_Polarizer1±90°

θ_delta(2-3)＝θ_camera3-θ_camera2＝θ_Polarizer3-θ_Polarizer2±90°

θ_delta(3-4)＝θ_camera4-θ_camera3＝θ_Polarizer4-θ_Polarizer3±90°

θ_delta(4-1)＝θ_camera1-θ_camera4＝θ_Polarizer1-θ_Polarizer4±90°

式中，θ_Polarizer1、θ_Polarizer2、θ_Polarizer3、θ_Polarizer4由步骤S4测量得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4消光时对应的2号标准线偏振片偏振角度，θ_camera1、θ_camera2、θ_camera3、θ_camera4由步骤S4计算得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4测量得到的偏振角度，θ_delta(1-2)为相机1和相机2之间的相对偏振角度，θ_delta(2-3)为相机2和相机3之间的相对偏振角度，θ_delta(3-4)为相机3和相机4之间的相对偏振角度，θ_delta(4-1)为相机4和相机1之间的相对偏振角度。

根据设计值θ_camera1＝0°、θ_camera2＝45°、θ_camera3＝90°、θ_camera4＝135°则其相对偏振角度θ_delta均应为45°。

实施例：

本实施例一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法是以偏振遥感器的高精度偏振测量为目标，衡量四相机实时偏振成像系统相对偏振角度与设计值差距，构建一个线偏振方向可控的标准线偏振光，对四相机实时偏振成像系统开展各孔径偏振消光角度测试，计算四相机实时偏振成像系统孔径相对偏振角度。主要包括：

(1)标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定

目的：标准线偏振片的偏振角度与高精度安装座的刻度不对应，因此需要标定出标准线偏振片的偏振角度与旋转安装座的刻度之间的线性关系。

1)按照图3搭建测试装置，保证光轴方向一致，将激光器固定在升降台上，固定标准线偏振片；利用671nm激光器和标准线偏振片产生标准完全线偏振光。

2)调整标准线偏振片安装座，通过偏振态测量仪读数，确定偏振角度读数与安装座刻度之间的关系。

3)调整标准线偏振片的偏振角度不与四相机实时偏振成像系统各孔径偏振角度重合，避免某方向完全通光而另一方向消光，导致测量误差增大。

标准线偏振片是THORLABS公司生产的偏振光学元件，专为改变或测量入射光偏振态而设计，适用于紫外、可见和红外波段，消光比最高可达10⁵:1。

安装座是THORLABS公司生产的光学调整架，可提供360°手动粗调和±7°无反向间隙的精细微调，游标精度为5弧分。

标准线偏振光是激光器出射光透过高消光比、高激光损伤阈值的1号标准线偏振片后产生的方向可控、偏振度高度接近1的标准线偏振光。

(2)四相机实时偏振成像系统光学系统偏振角度及视场内多点偏振角度测试

目的：测量四相机实时偏振成像系统光学系统对标准线偏振光偏振角度的改变，以确定四相机实时偏振成像系统光学系统的偏振角度。

1)按照图4搭建测试装置，保证光轴方向一致，利用671nm激光器+标准偏振片产生标准完全线偏振光，将待测四相机实时偏振成像系统放入光路，镜头1视场中心点与激光器光轴对齐，记录偏振态测量仪所示偏振角度。

2)等间隔移动相机1，记录视场中心点两侧各两个点(即左二点、左一点、右一点、右二点)偏振态测量仪示数。

3)重复测量相机2、相机3、相机4视场中心点及其他点偏振角度。

(3)四相机实时偏振成像系统暗电流测试

目的：相机暗电流引起的图像降质由两部分构成，一部分是随机噪声，另一部分是像元本身特性不均匀造成的，通过相机对均一物成像可求得像元之间不一致性修正系数，从而补偿不均匀性。

1)搭建暗室，整机覆盖遮光材料，待四相机实时偏振成像系统工作稳定后，记录各孔径DN值。

2)相机稳定工作一段时间后进行复测。

(4)四相机实时偏振成像系统各孔径偏振消光角度测试

目的：根据图2所示，光强随偏振片偏振角度变化曲线中α₁点附近为极小值位置，α₁即偏振消光角度，测试目的为借助2号标准线偏振片测量出四相机实时偏振成像系统各孔径的偏振消光角度。

1)按照图5搭建测试装置，保证光轴方向一致，调整1号标准线偏振片不与激光器消光、2号标准线偏振片与四相机实时偏振成像系统各孔径偏振角度设计值间距大致相等，即偏振角度大概为20°左右。

2)将孔径1放入光路，调整2号标准线偏振片，粗调找到消光范围，每旋转1°记录一次DN值。根据DN值先递减再递增的规律，找到DN值最小时对应的高精度安装座读数。

3)在消光范围内，每0.35°再取6个点，找到DN值最小值，记录此时2号标准线偏振片的高精度安装座读数。

4)重复上述步骤对其他孔径进行测试。

以某型号四相机实时偏振成像系统孔径1为例，令其消光的2号标准线偏振片安装座刻度θ_{Polarizer-holder}与DN值对应关系粗测结果如下表所示：

精测结果如下表所示：

(5)计算四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度

目的：2号标准线偏振片与四相机实时偏振成像系统待测孔径偏振角度为正交关系，根据2号偏振片偏振角度测量值可计算四相机实时偏振成像系统待测孔径偏振角度，从而计算出各孔径相对偏振角度，与设计值比对。

1)整理四个孔径所对应的2号标准线偏振片高精度安装座读数，根据标准线偏振片对应关系标定结果，求解出对应的2号标准线偏振片偏振角度。

2)根据2号偏振片偏振角度计算其正交方向，即为四相机实时偏振成像系统待测孔径偏振角度。

3)计算各孔径偏振角度差值，即为四相机实时偏振成像系统相对偏振角度。

根据上述测试步骤的实施，可通过标准线偏振片的偏振消光角度测量，解出四相机实时偏振成像系统待测孔径偏振角度，从而计算出四相机实时偏振成像系统相对偏振角度。

以某型号四相机实时偏振成像系统为例，相对偏振角度计算结果如下表所示：

	孔径1	孔径2	孔径3	孔径4
					消光角度(°)	-89.80	-44.65	0.69	225.40
相机真实偏振角度(°)	0.20	45.35	90.69	135.40
					与前一相机相对角度(°)	44.80	45.15	45.34	44.71

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于步骤如下：

S1、搭建第一测试系统，进行标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定，起偏产生线偏振方向可控的标准线偏振光；

S2、搭建第二测试系统，进行四相机实时偏振成像系统光学部分偏振角度及视场内多点偏振角度测试；

S3、进行四相机实时偏振成像系统暗电流测试；四相机实时偏振成像系统暗电流是指在无光照及无电注入条件下像元产生的额外输出，对偏振相机响应进行分析需要扣除暗电流；

S4、搭建第三测试系统，通过粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，确定精测DN值最小时对应的偏振消光角度；

S5、计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，完成四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试。

2.根据权利要求1所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S1中，所述标准线偏振片偏振角度与安装座关系标定为偏振片角度与偏振片调整架之间的安装关系映射；定义偏振角度为偏振片偏光轴方向与偏振态测量仪水平0°偏振方向夹角；旋转标准线偏振片，通过偏振态测量仪读数，找到标志点的真实偏振角度与偏振片调整架刻度之间的关系；

标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与安装座刻度θ_{Polarizer-holder}之间存在以下对应关系：

式中，θ₀表示标准线偏振片偏振角度为0°时对应的旋转安装座刻度，等间距旋转标准线偏振片，找到几组标志点的偏振角度与安装座刻度之间对应关系拟合曲线，标志点分布在理论曲线附近；

所述第一测试系统包括：依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片保持平行；标准线偏振片安装在安装座上，安装座上设置有偏振片调整架，用于调整安装座的角度。

3.根据权利要求2所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S1中，线偏振方向可控的标准线偏振光为完全线偏振光，由激光透过已标定的标准线偏振片产生。

4.根据权利要求1所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S2中，第二测试系统具体包括依次放置的激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测光学系统以及偏振态测量仪光轴保持一致，其中标准线偏振片与衰减片与光轴保持垂直；所述待测光学系统是指四相机实时偏振成像系统的光学部分；

所述四相机实时偏振成像系统光学部分是四相机实时偏振成像系统光学部组件，包括偏振角度为0°、45°、90°、135°的四条通道，每条通道包含一片线偏振片；每个通道呈2×2阵列平行分布用于对同一目标区域成像，每个通道的探测模块由镜头与线偏振片组成，四个通道探测模块依次命名为相机1、相机2、相机3、相机4，其偏振角度分别为0°、45°、90°、135°，四个通道的光学结构完全相同；

所述四相机实时偏振成像系统偏振角度是指含偏振片的光学系统的偏光轴角度，即透光方向与水平轴之间的角度，由偏振片偏光轴安装方向决定；

所述视场内多点是镜头中心点及其周围均布四点位置。

5.根据权利要求1所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S3中，暗电流由下式表示：

式中N_dark为暗电荷的数量，Q_dark为暗电流电荷量，q为电子电荷量，I_dark为暗电流，t_INT为积分时间；

DN＝DN_signal+DN_dark＝k·(N_signal+N_dark)

式中DN为待测相机响应，DN_signal为相机信号响应，DN_dark为相机暗电流响应；N_signal为信号电荷数量，k为响应系数；

将待测相机相应DN去除暗电流信号DN_dark实现暗电流校正；暗室中用黑布遮盖四相机实时偏振成像系统，此时的DN_dark为相机暗电流响应，取各像素的DN_dark中位数用于校正。

6.根据权利要求5所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S4中，所述第三测试系统具体包括依次放置的激光器、1号标准线偏振片、衰减片、2号标准线偏振片、待测成像系统以及数据采集系统；激光器、标准线偏振片、衰减片、待测相机以及数据采集系统光轴保持一致，其中两个标准线偏振片、衰减片与光轴保持垂直，2号标准线偏振片需经过步骤S1标定；

粗测找到四相机实时偏振成像系统各孔径消光范围，即旋转经过标定的2号标准线偏振片，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值先减小后增大的极值点所在范围，各孔径DN值均扣除暗电流；

此时1号标准线偏振片偏振角度与激光器消光角度有一定差距，以保证激光器与1号标准线偏振片组合后的出光方向不与任何一个四相机实时偏振成像系统待测偏振角度重合；

当四相机实时偏振成像系统响应为极小值时，2号标准线偏振片与四相机实时偏振成像系统消光，2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer与四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera相差±90°；直接对安装座刻度θ_{Polarizer-holder}读数，根据拟合曲线计算出2号标准线偏振片偏振角度θ_Polarizer，从而得出四相机实时偏振成像系统偏振角度θ_camera计算公式如下：

θ_camera＝θ_Polarizer±90°

符号正负需根据极小值点周围数值确定。

7.根据权利要求6所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S4中，精测DN值最小时对应的偏振消光角度为在消光范围内，旋转标准线偏振片调整架测微头，找到四相机实时偏振成像系统各孔径DN值精确极小值点，各孔径DN值均扣除暗电流；

偏振光强响应曲线为余弦函数，其极小值点处导数为0，粗调找到极小值范围后，进一步缩小步长以精确找到导数为0的点。

8.根据权利要求7所述的一种四相机实时偏振成像系统的相对偏振角度测试方法，其特征在于：在步骤S5中，计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度是指通过对实测的各孔径偏振消光角度计算得到四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度，

四相机实时偏振成像系统待测孔径的相对偏振角度θ_delta计算公式如下：

θ_delta(1-2)＝θ_camera2-θ_camera1＝θ_Polarizer2-θ_Polarizer1±90°

θ_delta(2-3)＝θ_camera3-θ_camera2＝θ_Polarizer3-θ_Polarizer2±90°

θ_delta(3-4)＝θ_camera4-θ_camera3＝θ_Polarizer4-θ_Polarizer3±90°

θ_delta(4-1)＝θ_camera1-θ_camera4＝θ_Polarizer1-θ_Polarizer4±90°

式中，θ_Polarizer1、θ_Polarizer2、θ_Polarizer3、θ_Polarizer4由步骤S4测量得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4消光时对应的2号标准线偏振片偏振角度，θ_camera1、θ_camera2、θ_camera3、θ_camera4由步骤S4计算得到，分别为相机1、相机2、相机3、相机4测量得到的偏振角度，θ_delta(1-2)为相机1和相机2之间的相对偏振角度，θ_delta(2-3)为相机2和相机3之间的相对偏振角度，θ_delta(3-4)为相机3和相机4之间的相对偏振角度，θ_delta(4-1)为相机4和相机1之间的相对偏振角度。

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