CN115855258B - 一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，属于红外光电探测与导引领域。入射光经宽光谱头罩入射到系统内，进入透射式聚焦模块汇聚后，进入四片反射镜构成的库德光路，再通过切换镜进行分光，在切换镜中挖有小孔，一部分的中心视场透射光进入滤光轮机构，滤光轮机构对透过光阑的红外光谱偏振特性进行筛选后，传入光谱模块系统，其他光束被分色片反射进入红外成像系统生成红外图像，实现对目标同时进行红外成像和光谱分析。本发明实现大视场红外短、中、长三波段成像及1.7‑20um全波段光谱成谱；根据目标像素数自适应切换光阑大小，滤光轮生成不同偏振光谱数据。

Description

一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统

技术领域

本发明属于红外光电探测与导引领域，更具体地，涉及一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统。

背景技术

物体的特性可由其光谱来表征，光谱包括散射环境照射的谱和自身辐射的谱，其谱特征可以区分不同的物体或物质，再加上物体的空间二维图像，使遥感识别物体的能力更加强大。同时收集图像和光谱的设备多为多光谱或高光谱扫描仪，如国内外研制的机载、星载多光谱及高光谱扫描仪，安装在飞行器上，其扫描镜旋转可使接收的瞬时视场作垂直于飞行方向的运动，实现较宽幅的对地覆盖。该设备形成原始数据处理速度慢；通常要传回地面处理，只适用于静止场景的非实时探测，对于运动目标和动态现象难以适用。

专利CN108152863B公开一种可大视场搜索的图谱协同探测系统，包括：卡式光学系统、库德光路、分光镜、红外成像透镜组，宽光谱透镜组，图谱联合处理模块、第一二维伺服随动系统以及第二二维伺服随动系统；所述卡式光学系统，设置于所述第一二维伺服随动系统和第二二维伺服随动系统上，用于对经光学头罩入射的入射光进行聚焦；所述库德光路，设置于所述第一二维伺服随动系统和第二二维伺服随动系统上，用于向所述分光镜发送聚焦后的入射光；所述分光镜，用于对聚焦后的入射光进行分光，其中，所述分光镜的中心孔周边入射光中100％的长波红外光经所述分光镜反射后，由所述红外成像透镜组到达所述图谱联合处理模块，在所述分光镜中心入射光中100％的短波红外光、中波红外光和长波红外光透过所述分光镜的中心孔，传输至所述宽光谱透镜组；所述图谱联合处理模块，用于输出待探测对象的时空谱多维信息，并根据所述时空谱多维信息控制所述第一二维伺服随动系统以及所述第二二维伺服随动系统运动，以使所述待探测对象的中心位置与测谱中心重叠；其中，所述第一二维伺服随动系统控制其内的光学系统做滚仰运动且所述第二二维伺服随动系统不动，以通过所述第一二维伺服随动系统以及所述第二二维伺服随动系统控制滚仰运动的光学系统进行大视场搜索。

然而，该系统存在以下缺陷和不足：1)双反式前端光学子系统瞬视场小，不能满足无人机载大视场需求；2)分光镜小孔位置固定不能移动，无法根据无人机飞行高度或目标像素大小改变测谱范围，识别虚警率高；3)由于无法获取不同偏振下的目标光谱，目标的探测识别率有限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，旨在解决现有导引系统无法满足无人机载大视场需求，由于测谱范围固定导致识别虚警率高、目标探测识别率有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，所述系统包括：红外宽光谱头罩、透射式聚焦模块、库德光路、小孔光阑切换模块、滤光轮机构、宽波段红外成像探测器和全光谱探测器；

所述红外宽光谱头罩，位于机载图谱关联导引系统前端，用于保证目标红外辐射高效透过的同时，保护光学成像探测系统；

所述透射式聚焦模块，位于头罩后方，由四片红外透镜组成，用于汇聚头罩传来的入射光；

所述库德光路，位于透射式聚焦模块与小孔光阑切换模块之间，用于向小孔光阑切换模块发送聚焦后的入射光，同时使其免受伺服机构转动影响；

所述小孔光阑切换模块，位于库德光路后方，其上的反射镜开有两个不同口径的锥形孔，具有分光作用，所述反射镜反射100％红外能量作为长波红外探测器通道，小孔透过100％能量作为光谱仪光路通道；

所述宽波段红外成像探测器，位于小孔光阑切换模块上方，用于接收切换镜反射来的输入光，生成短、中、长三波段红外图像；

所述滤光轮机构，位于小孔光阑切换模块与全光谱探测器之间，具有垂直偏振、水平偏振和无偏振三个镜片，用于接收从小孔光阑中透射的入射光，并根据不同的偏振片，对入射光进行偏振特性筛选；

所述全光谱探测器，位于小滤光轮机构模块后方，用于接收滤光轮机构传来经过偏振特性筛选的输入光，生成1.7-20um的偏振宽光谱数据。

优选地，所述红外宽光谱头罩采用硒化锌材料。

优选地，所述透射式聚焦模块实现7°*5.6°的视场角。

优选地，所述库德光路设置于伺服机构之上，用于保证宽波段红外成像探测器和全光谱探测器均固联于图谱关联探测设备上。

优选地，所述小孔光阑切换模块包括：切换镜、电机、直线导轨、丝杠和柔性支撑；

所述切换镜与柔性支撑固连；所述电机在主控发送信号控制下转动，并由丝杠带动柔性支撑实现切换镜移动，完成测谱光阑大小的切换，所述直线导用于保证丝杠不放生偏位，从而保证切换镜在切换的时候能够稳定切换。

优选地，所述切换镜包含两个不同大小的光阑，从而实现无光阑、小孔光阑、大孔光阑三种模式的切换：

(1)无光阑模式：切换镜正中心为无光阑的全反射镜片，该模式下能将输入光全部反射至宽波段红外成像探测器，用于对目标进行图像跟踪；

(2)小孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心左侧三分之一处为圆心，设定小孔光阑；

(3)大孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心右侧三分之一处为圆心，设定大孔光阑。

优选地，光阑的设定方式为：人工设定或自适应设定；

所述自适应设定方式具体如下：获取宽波段红外成像探测器传入的系统与目标的距离信息以及目标在红外图像中所占像素大小，接收信息处理系统发送给切换机械机构发送切换指令，进行对应孔径的光阑的切换。

优选地，所述滤光轮机构包括：框架面板、滤光轮、电机座板和步进电机；其中，

所述框架面板作为基座平台，用于承载滤光轮、步进电机以及电机座板；

所述滤光轮通过电机座板与步进电机相连，便于步进电机控制滤光轮的转向角度，将不同偏振滤光片旋转至全光谱探测器上方，从而选择工作模式，实现相邻两种模式之间的0.1s切换时间间隔；

所述步进电机通过电机座板与框架面板相连，电机座板与框架面板采用螺栓连接。

优选地，所述滤光轮呈扇形结构，在扇面上镶嵌水平圆形偏振片、垂直圆形偏振片以及无偏振片的圆形孔洞，从而形成三种工作模式：

其一是对透过光阑红外光谱偏振特性不进行筛选，直接透过；

其二是对透过光阑红外光谱进行水平偏振筛选，使横向光谱通过；

其三是对透过光阑红外光谱进行垂直筛选，使纵向光谱通过。

优选地，所述全光谱探测器采用可见光、红外短、中、长波三明治探测器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明提出一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，包括：红外宽光谱头罩、透射式聚焦模块、库德光路、小孔光阑切换模块、滤光轮机构、宽波段红外成像探测器和全光谱探测器，透射式聚焦模块可增大成像视场角，透射式前端光学系统可实现较大瞬时视场；新增小孔光阑切换模块，位于库德光路后方，其上的反射镜开有两个不同口径的锥形孔，根据无人机飞行高度或目标像素大小改变，自适应实现无光阑、小孔光阑、大孔光阑三种模式的切换，使得光阑完全集中在目标处，进而有效避免测谱时旁边背景光谱的干扰，降低虚警率；新增滤光轮机构，位于小孔光阑切换模块与并根据不同的偏振片，对入射光进行偏振特性筛选；滤光轮机构具有垂直偏振、水平偏振和无偏振三个镜片，用于接收从小孔光阑中透射的入射光，并根据不同的偏振片，对入射光进行偏振特性筛选，实现三种工作模式的切换，可以获取不同偏振下的目标光谱，可以更好地为目标识别采集数据，提高整个系统对目标的探测识别率。

2)本发明设计的透射式前端光学子系统，采用全光谱高透过率硒化锌材料，达到99％以上的宽谱透过率，实现机载使用搜索大视角。

3)本发明中全光谱探测器，采用可见光、红外短、中、长波三明治探测器，以同时感知全光谱目标信号。

附图说明

图1为本发明提供的一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统示意图。

图2为本发明提供的光路切分示意图。

图3为本发明提供的小孔光阑切换模块结构示意图。

图4为本发明提供的切换镜示意图。

图5为本发明提供的滤光轮机构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-4分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；5-8分别表示库德第一分光镜、库德第二分光镜、库德第三分光镜、库德第四分光镜；9表示切换镜对望远镜成像面；10表示红外成像系统；11表示光谱模块系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，所述系统包括：红外宽光谱头罩、透射式聚焦模块、库德光路、小孔光阑切换模块、滤光轮机构、宽波段红外成像探测器和全光谱探测器。

所述红外宽光谱头罩，位于机载图谱关联导引系统前端，用于保证目标红外辐射的高效透过的同时，保护光学成像探测系统。

所述透射式聚焦模块，位于头罩后方，由四片红外透镜组成，用于汇聚头罩传来的入射光。

所述库德光路，位于透射式聚焦模块与小孔光阑切换模块之间，用于向小孔光阑切换模块发送聚焦后的入射光，同时使其免受伺服机构转动影响。

所述小孔光阑切换模块，位于库德光路后方，其上的反射镜开有两个不同口径的锥形孔，具有分光作用，所述反射镜反射100％长波红外能量作为红外探测器通道，小孔透过100％能量作为光谱仪光路通道。

所述宽波段红外成像探测器，位于小孔光阑切换模块上方，用于接收切换镜反射来的输入光，生成短、中、长三波段红外图像。

所述滤光轮机构，位于小孔光阑切换模块与全光谱探测器之间，具有垂直偏振、水平偏振和无偏振三个镜片，用于接收从小孔光阑中透射的入射光，并根据不同的偏振片，对入射光进行偏振特性筛选。

所述全光谱探测器，位于小滤光轮机构模块后方，用于接收滤光轮机构传来经过偏振特性筛选的输入光，生成1.7-20um的偏振宽光谱数据。

如图2所示，整个系统工作过程如下：入射光经红外宽光谱头罩入射到系统内，之后通过由四片红外透镜(1-4)构成的透射式聚焦模块，进入四片反射镜(5-8)构成的库德系统，再通过切换镜对望远镜成像面9的光束进行分光，在切换镜中挖有小孔(该小孔尺寸可以变化)，这一小部分的中心视场透射光进入滤光轮机构，滤光轮机构对透过光阑的红外光谱偏振特性进行筛选，之后传入光谱模块系统11，而其他光束被分色片反射进入，红外成像系统10生成红外图像，这样便实现了对目标同时进行光谱成像和光谱分析。

优选地，所述红外宽光谱头罩采用硒化锌材料，且外壁镀膜。

优选地，所述透射式聚焦模块实现7°*5.6°的视场角。

优选地，所述库德光路设置于伺服机构之上，用于保证红外成像探测器和全光谱探测器均固联于图谱关联探测设备上。

优选地，如图3所示，所述小孔光阑切换模块包括：切换镜、电机、直线导轨、丝杠和柔性支撑；

所述切换镜与柔性支撑固连；所述电机在主控发送信号控制下转动，并由丝杠带动柔性支撑实现切换镜移动，完成测谱光阑大小的切换，所述直线导用于保证丝杠不发生偏位，从而保证切换镜在切换的时候能够稳定切换。

优选地，如图4所示，所述切换镜包含两个不同大小的光阑，从而实现无光阑、小孔光阑、大孔光阑三种模式的切换：

(1)无光阑模式：切换镜正中心为无光阑的全反射镜片，该模式下能将输入光全部反射至宽波段红外成像探测器，用于对目标进行图像跟踪；

(2)小孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心左侧三分之一处为圆心，设定小孔光阑；

(3)大孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心右侧三分之一处为圆心，设定大孔光阑。

优选地，光阑的设定方式为：人工设定或自适应设定。

所述自适应设定方式具体如下：获取宽波段红外成像探测器传入的系统与目标的距离信息以及目标在红外图像中所占像素大小，经过信息处理系统给切换机械机构发送切换指令进行对应孔径的光阑的切换。

本实施例中，小孔光阑口径为0.5mm，大孔光阑口径为1mm。在无人机图谱关联探测系统中，1)若目标所占像元数大于1mm口径光阑(28个像素)，则自动设定为1mm口径光阑。2)若目标所占像元数小于1mm口径光阑(28个像素)，则自动设定为0.5mm光阑。

优选地，如图5所示，所述滤光轮机构包括：框架面板、滤光轮、电机座板和步进电机；其中，所述框架面板作为基座平台，用于承载滤光轮、步进电机以及电机座板；所述滤光轮通过电机座板与步进电机相连，便于步进电机控制滤光轮的转向角度，将不同偏振滤光片旋转至全光谱探测器上方，从而选择工作模式，实现相邻两种模式之间的0.1s切换时间间隔；所述步进电机通过电机座板与框架面板相连，电机座板与框架面板采用螺栓连接。

优选地，所述滤光轮呈扇形结构，在扇面上镶嵌水平圆形偏振片、垂直圆形偏振片以及无偏振片的圆形孔洞，从而形成三种工作模式：

其一是对透过光阑红外光谱偏振特性不进行筛选，直接透过；

其二是对透过光阑红外光谱进行水平偏振筛选，使横向光谱通过；

其三是对透过光阑红外光谱进行垂直筛选，使纵向光谱通过。

优选地，所述全光谱探测器采用可见光、红外短、中、长波三明治探测器。

电子舱主要包括光谱仪、二次电源、光谱信号处理及信息处理机、伺服控制板，伺服控制板控制滚仰二维伺服随动系统，从而改变系统光轴指向。

宽波段红外成像探测器和全光谱探测器，固联在导引系统的内部壳体，通过库德光路与滚仰伺服位标器达到360°的旋转和俯仰±90°搜索视场的控制，以达到在视场内对感兴趣目标对象的捕获、定位、红外宽光谱测量和对象的识别、分类，以及无人机飞行路径的导引。

耦合光路的高精密滚仰伺服系统，光学舱内的可控位标器的一种具有空间稳定功能的二维光轴指向伺服驱动装置，主要功能是按需求转动库德光路跟踪目标，隔离载机振动。光轴伺服系统要完成功能有：角度预装、光轴稳定、目标跟踪、随动搜索。内框架(俯仰框)安装在外框架转轴上，外框架(滚仰框)直接安装在基座上。两通道的转动轴相互正交，俯仰可以做±90°运动，滚转通过滑环可以实现连续回转。

伺服机构的空间运动范围主要由整流罩内壁约束，保证位标器的机械轴与整流罩的中心轴共线。采用的气动外形线同时要求光机系统的旋转中心位于前端球体的中心。伺服机构采用组装式力矩电机直接驱动方式，俯仰的驱动电机，检测光学镜头俯仰角位置的码盘装在U形框架上；滚转的驱动电机、检测光学镜头滚转角位置；码盘装在中心旋转轴上。整个机构使用一个三自由度陀螺敏感载机空间运动的角速度。这种伺服机构驱动形式的主要优点是无减速器，效率高、静动态刚度高、动态响应快、精度高且稳定性好，速度调控性高、运行噪声低、零维护、结构紧凑易设计，并且可以实现大离角跟踪。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机载全光谱双偏振多光阑透射图谱关联导引系统，其特征在于，所述系统包括：红外宽光谱头罩、透射式聚焦模块、库德光路、孔径光阑切换模块、滤光轮机构、宽波段红外成像探测器和全光谱探测器；

所述红外宽光谱头罩，位于机载图谱关联导引系统前端，用于保证目标红外辐射高效透过的同时，保护光学成像探测系统；

所述透射式聚焦模块，位于头罩后方，由四片红外透镜组成，用于汇聚头罩传来的入射光；

所述库德光路，位于透射式聚焦模块与孔径光阑切换模块之间，用于向孔径光阑切换模块发送聚焦后的入射光，同时使其免受伺服机构转动影响；

所述孔径光阑切换模块，位于库德光路后方，其上的切换镜开有两个不同口径的锥形孔，具有分光作用，反射100％长波红外能量的一路，作为红外探测器通道，透过锥形孔100％能量的一路，作为光谱仪光路通道；

所述宽波段红外成像探测器，位于孔径光阑切换模块上方，用于接收切换镜反射来的输入光，生成短、中、长三波段红外图像；

所述滤光轮机构，位于孔径光阑切换模块与全光谱探测器之间，具有垂直偏振、水平偏振和无偏振三个镜片，用于接收从小孔光阑中透射的入射光，并根据不同的偏振片，对入射光进行偏振特性筛选；

所述全光谱探测器，位于滤光轮机构模块后方，用于接收滤光轮机构传来经过偏振特性筛选的输入光，生成1.7-20um的偏振宽光谱数据；

所述孔径光阑切换模块包括：切换镜、电机、直线导轨、丝杠和柔性支撑；

所述切换镜与柔性支撑固连；所述电机在主控发送信号控制下转动，并由丝杠带动柔性支撑实现切换镜移动，完成测谱光阑大小的切换，所述直线导轨用于保证丝杠不发生偏位，从而保证切换镜在切换的时候能够稳定切换；

所述切换镜包含两个不同大小的光阑，从而实现无光阑、小孔光阑、大孔光阑三种模式的切换：

(1)无光阑模式：切换镜正中心为无光阑的全反射镜片，该模式下能将输入光全部反射至宽波段红外成像探测器，用于对目标进行图像跟踪；

(2)小孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心左侧三分之一处为圆心，设定小孔光阑；

(3)大孔光阑模式：以无光阑模式切换镜边的切换镜正中心右侧三分之一处为圆心，设定大孔光阑。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红外宽光谱头罩采用硒化锌材料。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透射式聚焦模块实现7°*5.6°的视场角。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述库德光路设置于伺服机构之上，用于保证宽波段红外成像探测器和全光谱探测器均固联于图谱关联探测设备上。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，光阑的设定方式为：人工设定或自适应设定；

所述自适应设定方式具体如下：获取宽波段红外成像探测器传入的系统与目标的距离信息以及目标在红外图像中所占像素大小，接收信息处理系统发送给切换机械机构的切换指令，进行对应孔径的光阑的切换。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤光轮机构包括：框架面板、滤光轮、电机座板和步进电机；其中，

所述框架面板作为基座平台，用于承载滤光轮、步进电机以及电机座板；

所述滤光轮通过电机座板与步进电机相连，便于步进电机控制滤光轮的转向角度，将不同偏振片旋转至全光谱探测器上方，从而选择工作模式，实现相邻两种模式之间的0.1s切换时间间隔；

所述步进电机通过电机座板与框架面板相连，电机座板与框架面板采用螺栓连接。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述滤光轮呈扇形结构，在扇面上镶嵌水平偏振片、垂直偏振片以及无偏振片的圆形孔洞，从而形成三种工作模式：

其一是对透过光阑红外光谱偏振特性不进行筛选，直接透过；

其二是对透过光阑红外光谱进行水平偏振筛选，使横向光谱通过；

其三是对透过光阑红外光谱进行垂直偏振筛选，使纵向光谱通过。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述全光谱探测器采用可见光、红外短、中、长波三明治探测器。