CN116380256B - 基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，属于恶劣环境下目标的探测与识别技术领域，装置包括会聚准直装置、多模式偏振成像集成装置、调控装置和永磁无刷直流电机，所述方法是采用所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振装置实现的，基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，引入光强衰减系数与偏振成像结合起来实现对目标与背景的探测。

Description

基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法

技术领域

本发明涉及恶劣环境下目标的探测与识别技术领域，具体涉及一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法。

背景技术

恶劣条件下飞机降落过程中面临复杂光场干扰、可视距离受限、目标分类能力不足等难题，使得传统降落引导系统存在认不清、看不远、辨不出的问题。在无雷达导引或无地面指示等极端恶劣条件下或在战争条件下，目前尚未有一种有效的方式可以对恶劣环境的飞机降落引导进行高质量成像，并没有实现真正意义上的“盲降”。

2002年德国航空航天中心进行了红外光谱区的模型计算，选择大气红外探测窗口3-5微米和8-12微米，并与0.55微米处定义的可视范围进行比较，用以研究着陆进场期间低能见度条件下，特别是雾对空中交通的影响；2018年，俄罗斯圣彼得堡理工大学研究了增强飞行视觉系统(EFVS)中图像预处理方法，该系统的设计重点是全天候视觉，可通过对可见光、红外和毫米波信息的智能融合来实现；2019年，德国空客直升机公司将多光谱增强视觉系统(EVS)传感器集成在退化视觉环境(DVE)系统中，应用在民用认证H145直升机上，可增强雾天和弱光条件下的能见度；2018年西北工业大学提出了一种新的红外-惯性导航方法，用于低能见度和全球定位系统(GPS)拒绝环境下的民用飞机精确着陆；2018年，中航工业631所开发了一个基于短波红外图像传感器的低成本ESVS样机，用于民用运输机着陆时透雾霾看天气状况。但是在极端恶劣环境下，上述技术在穿透气象障碍对环境成像仍然有缺陷与不足。

通过对气候气象环境的形势分析，雾霾等天气将会在今后相当长的时期内，给光电探测成像仪器带来无法避免的影响。现有的光电仪器采用的大多是可见光或红外多谱段偏振探测成像技术，存在探测距离近、去雾效果弱、分类识别能力差等不足。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，解决了现有技术缺少对不同雾霾浓度中利用短波红外偏振特性进行目标识别和探测的问题。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：

本发明提出了一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，包括会聚准直装置、多模式偏振成像集成装置、调控装置和永磁无刷直流电机；所述会聚准直装置用于对目标透射光与大气光进行汇聚准直处理，获得短波红外波平行光束，并向多模式偏振成像集成装置传输；所述多模式偏振成像集成装置包括多谱窗口可调短波红外辐射计、短波红外偏振成像装置和壳体，所述多谱窗口可调短波红外辐射计和短波红外偏振成像装置均固定在壳体上，多谱窗口可调短波红外辐射计包括窗口可调装置、多谱滤波旋转装置、接收透镜、PIN光电二极管、信号放大电路、示波器、第一微型计算机和驱动电机，沿着光线的传输方向，所述窗口可调装置、多谱滤波旋转装置、接收透镜和PIN光电二极管依次设置；所述信号放大电路的输入端与PIN光电二极管连接，信号放大电路的输出端与示波器连接，第一微型计算机分别与示波器及驱动电机连接，第一微型计算机输出电信号作为控制信号输入到驱动电机完成对驱动电机的控制，驱动电机的输出端与多谱滤波旋转装置连接，用于驱动多谱滤波旋转装置旋转；其中窗口可调装置在非工作状态下关闭，在工作状态下打开，窗口可调装置用于使得进入后续光路的光辐射达到最大，窗口可调装置由布儒斯特窗口、硅光电二极管、探测器以及三个调节螺母构成，布儒斯特窗口初始方向与射向窗口可调装置的入射光主光路方向平行，三个调节螺母设置在布儒斯特窗口的下面，硅光电二极管放置在布儒斯特窗口下方，硅光电二极管用于接收布儒斯特窗口的反射光信号；探测器与硅光电二极管连接；在工作时，使得探测器光辐射读数达到最大；所述多谱滤波旋转装置为多个波段滤光片组成的旋转结构，多谱滤波旋转装置由八片滤波片呈扇形依旋转序列构成；所述短波红外偏振成像装置包括检偏器组件、红外热像仪、第二微型计算机和步进电机，所述步进电机的输出端与检偏器组件连接；所述检偏器组件配置为将其接收到的光束转换为0°线偏振光、45°线偏振光、90°线偏振光或135°线偏振光中的一种，检偏器组件与第二微型计算机连接；所述红外热像仪设置在检偏器组件的出射光路上，红外热像仪和第二微型计算机双向通信连接，红外热像仪采集红外辐射强度图像，并将红外辐射强度图像输入至第二微型计算机；

所述调控装置用于向永磁无刷直流电机发送控制信号；

所述永磁无刷直流电机接收调控装置向其发送的信号并根据信号控制多模式偏振成像集成装置进行模式选择；多模式偏振成像集成装置包括两种工作模式，分别为模式一与模式二，调控装置设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”，将调控装置信号值设为“1”时，对应模式一，此时永磁无刷直流电机将多谱窗口可调短波红外辐射计调整至与会聚准直装置的光轴平行；将调控装置信号值设为“2”时，对应模式二，此时永磁无刷直流电机将短波红外偏振成像装置调整至与会聚准直装置的光轴平行。

进一步，所述会聚准直装置包括聚光组件和准直组件，聚光组件为带有短波红外波段增透膜的氟化钙双凸透镜，准直组件为氟化钙平凸组合透镜，所述聚光组件和准直组件的光轴在同一条直线，且准直组件位于聚光组件出射光路上，聚光组件用于对目标透射光与大气光进行会聚处理，并向准直组件传输；所述准直组件用于对接收到的光束进行准直处理，得到平行光束，并向多模式偏振成像集成装置传输。

进一步，所述多谱滤波旋转装置中的八片滤波片滤波波长分别选取808nm、905nm、1020nm、1129nm、1241nm、1356nm、1500nm和1611nm。

进一步，所述信号放大电路采用有偏直流跨导放大电路，包括电解电容、电阻和运算放大器，其中电解电容与电阻并联，并联后作为一个整体并联在运算放大器两端进行信号放大。

进一步，所述检偏器组件由圆偏振片、一个高消光比线偏振片轮、编码器和驱动器构成，高消光比线偏振片轮上设置有高消光比线偏振片，编码器设置在高消光比线偏振片中心处，用于记录该高消光比线偏振片实时位置；圆偏振片位于高消光比线偏振片前方用于全偏振信息获取，驱动器位于高消光比线偏振片轮的轴上，驱动器与步进电机的输出端连接，通过步进电机驱动该高消光比线偏振片依预先设定转速转动；其高消光比线偏振片的透过波段为0.8-1.7μm，消光比为10000:1，透过率大于80%，直径60mm。

进一步，所述检偏器组件与红外热像仪水平排列放置，间隔距离为1cm。

本发明还提出了一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像方法，所述方法是采用所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振装置实现的，包括如下步骤：

步骤S1、前期准备

首先需要调整会聚准直装置，使透过雾霾的入射光线通过会聚准直装置后会聚准直地进入到多模式偏振成像集成装置，同时打开窗口可调装置保证进入到后续光路中的光辐射最大；

步骤S2、调控装置接收多模式偏振成像集成装置输入的信号并开始工作，调控装置能够设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”；

步骤S3、将调控装置信号值设置为“1”时，永磁无刷直流电机将使多谱窗口可调短波红外辐射计调整至与会聚准直装置的光轴平行进行光线接收；

步骤S4、光线进入多谱窗口可调短波红外辐射计后，首先通过多谱滤波旋转装置进行滤光，同时接收透镜进行光线接收；之后通过PIN光电二极管进行光电信号转换，然后通过信号放大电路对PIN光电二极管中输出的电压信号进行放大，放大后通过示波器完成对不同波长光的电压响应度采集；

步骤S5、将示波器采集得到的数据输入到第一微型计算机进行数据处理，进行光强度成像，并对目标背景均方误差MSE和峰值信噪比SNR分析，预先设定图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值；若满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，则输出图像；

步骤S6、若不满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，第一微型计算机输出信号使驱动电机进行调节多谱滤波旋转装置继续进行多谱波长探测；

步骤S7、重复步骤S4至步骤S6的操作，直至满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求进行图像输出；

步骤S8、将调控装置信号值设置为“2”时，永磁无刷直流电机将短波红外偏振成像装置调整至与会聚准直装置光轴平行；

步骤S9、通过步进电机调节检偏器组件，分别输出0˚、45˚、90˚和135˚的线偏振光，并通过红外热像仪采集红外辐射强度图像；

步骤S10、通过第二微型计算机采用MATLAB软件对红外辐射强度图像文件进行在线处理，计算目标场景的红外偏振度和偏振角信息，并进行均方误差MSE和峰值信噪比SNR分析。

进一步，图像均方误差MSE设置为0.01；峰值信噪比SNR阈值设置为10。

本发明解决了现有的短波红外偏振成像装置在恶劣环境条件下不能随着雾霾浓度的变化而改变成像波长的问题，具体效益包括：

1、本发明提出的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，引入光强衰减系数与偏振成像结合起来实现对目标与背景的探测。

2、本发明提出的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，极大地提高了分时型偏振成像的速度，达到了60帧/秒。

3、本发明提出的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置与方法，在雾霾环境中针对悬停和急速降落条件下目标探测识别装置集成在一个壳体中，使其占用空间体积更合理化。

具体地：飞机在陆地或舰船上降落时，易受雾霾、风力、气压、雨雪、阳光、海面耀斑等恶劣的环境影响，严重时会使驾驶员看不到任何目视参考。在悬停条件下，多谱窗口可调短波红外辐射计将开始工作，对目标及其背景进行被动强度图像输出进行探测；在急速降落条件下，需要对即将降落的区域进行实时成像，短波红外偏振成像装置将开始工作，将实时对目标背景进行红外偏振成像测量完成探测，保证在恶劣环境下飞机降落的安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置的结构框图；

图2是多谱窗口可调短波红外辐射计中多谱滤波旋转装置的结构图；

图3是多谱窗口可调短波红外辐射计的工作流程图；

图4是基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置结构示意图；

图5是窗口可调装置的结构图；

图中各标记如下：1-会聚准直装置，2-多模式偏振成像集成装置，3-调控装置，4-永磁无刷直流电机，11-聚光组件，12-准直组件，21-多谱窗口可调短波红外辐射计，22-短波红外偏振成像装置，211-窗口可调装置，212-多谱滤波旋转装置，213-接收透镜，214-PIN光电二极管，215-信号放大电路，216-示波器，217-第一微型计算机，218-驱动电机，221-检偏器组件，222-红外热像仪，223-第二微型计算机，224-步进电机；2110-布儒斯特窗口，2111-硅光电二极管，2112-探测器，2113-调节螺母。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

本发明提供的一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，如图1至图5所示，包括会聚准直装置1、多模式偏振成像集成装置2、调控装置3和永磁无刷直流电机4。

所述会聚准直装置1包括聚光组件11和准直组件12，聚光组件11为带有短波红外波段增透膜的氟化钙双凸透镜，准直组件12为氟化钙平凸组合透镜；所述聚光组件11和准直组件12的光轴在同一条直线，且准直组件12位于聚光组件11出射光路上；所述聚光组件11用于对目标透射光与大气光进行会聚处理，并向准直组件12传输；所述准直组件12用于对接收到的光束进行准直处理，得到平行光束，并向多模式偏振成像集成装置2传输。

所述多模式偏振成像集成装置2包括多谱窗口可调短波红外辐射计21、短波红外偏振成像装置22和壳体，所述多谱窗口可调短波红外辐射计21和短波红外偏振成像装置22均固定在壳体上，多谱窗口可调短波红外辐射计21包括

窗口可调装置211、多谱滤波旋转装置212、接收透镜213、PIN光电二极管214、信号放大电路215、示波器216、第一微型计算机217和驱动电机218，沿着光线的传输方向，所述窗口可调装置211、多谱滤波旋转装置212、接收透镜213和PIN光电二极管214依次设置；所述信号放大电路215的输入端与PIN光电二极管214连接，信号放大电路215的输出端与示波器216连接，第一微型计算机217分别与示波器216、驱动电机218连接，示波器216输出端的数据实时存入第一微型计算机217，经第一微型计算机217进行数据处理，具体处理流程如下：为了评价成像质量，引入均方误差MSE和峰值信噪比SNR，均方误差MSE反应了地物背景与目标反射率起伏和环境噪声对距离成像的影响。峰值信噪比SNR表征了目标相对于地物背景反射自然环境中太阳光强度差异。均方误差MSE越小，峰值信噪比SNR越大，则成像质量越好。本实施例中设置均方误差MSE为0.01，峰值信噪比SNR为10。如若达不到阈值设定初始要求，将进行下述工作，第一微型计算机217输出电信号作为控制信号输入到驱动电机218完成对驱动电机218的控制，驱动电机218的输出端与多谱滤波旋转装置212连接，用于驱动多谱滤波旋转装置212旋转；所述窗口可调装置211在非工作状态下关闭，在工作状态下打开，对成像进行辅助作用使其进入后续光路的光辐射达到最大，窗口可调装置211具体结构及工作方式如下：窗口可调装置211由布儒斯特窗口2110、硅光电二极管2111、探测器2112以及三个调节螺母2113构成，布儒斯特窗口2110初始方向与入射光主光路方向平行，三个调节螺母2113设置在布儒斯特窗口2110的下面，三个调节螺母2113在非工作状态时起到固定作用，在工作状态时调节螺母2113用于调整布儒斯特窗口2110的位置，硅光电二极管2111放置在布儒斯特窗口2110下方，硅光电二极管2111用于接收布儒斯特窗口2110的反射光信号；探测器2112与硅光电二极管2111连接；在工作时，使得探测器2112光辐射读数达到最大；布儒斯特窗口2110上的反射和折射均遵从光的反射定律和折射定律。垂直于入射面的偏振光反射系数和平行于入射面的偏振光反射系数/>随入射角的变化不同，它们遵循菲涅尔公式。如若主光束已经是垂直偏振光，则在布儒斯特窗口2110的透过率为1。首先需要调整布儒斯特窗口2110的三个调节螺母2113将反射光信号调制最小。本发明采用了单片硅光电二极管2111，放置在布儒斯特窗口2110下方，接收布儒斯特窗口2110的反射光信号，不断调整调节螺母2113使得探测器2112光辐射读数最小；在工作时，使得探测器2112光辐射读数达到最大。所述多谱滤波旋转装置212为多个波段滤光片组成的旋转结构，多谱滤波旋转装置212由八片滤波片呈扇形依旋转序列构成，八片滤波片滤波波长选取808nm、905nm、1020nm、1129nm、1241nm、1356nm、1500nm、1611nm，使进入接收透镜213的光波长为所需波长；所述接收透镜213起到接收光辐射并使其继续传播的作用；所述PIN光电二极管214作为光电探测器件起到将光信号转化为电信号，并将电信号输入到信号放大电路215，完成光的电压响应度采集的作用；所述信号放大电路215起到电信号放大的作用，并将放大后的电信号输入至示波器216。信号放大电路215采用有偏直流跨导放大电路，包括电解电容、电阻和运算放大器，其中电阻阻值为3.2M/>，电解电容与电阻并联，并联后作为一个整体并联在运算放大器两端进行信号放大。所述示波器216起到数据采集的作用；所述第一微型计算机217作为数据处理的单元，将示波器216采集得到的数据进行处理计算，进行光强度成像，对于达到预先规定的图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR的图像进行输出，从而进行目标背景探测，如若未达到预先规定的图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR，第一微型计算机217将输入信号至驱动电机218；驱动电机218使其完成对进入多谱窗口可调短波红外辐射计21光的波长调节，具体工作流程为：驱动电机218接收第一微型计算机217的输出信号使其开始工作，每次工作产生一个脉冲信号对驱动电机218进行角度控制，从而带动多谱滤波旋转装置212中滤波片序列转动，重复上述工作，直至完成满足预先要求均方误差MSE和峰值信噪比SNR的图像；

所述短波红外偏振成像装置22包括检偏器组件221、红外热像仪222、第二微型计算机223和步进电机224，所述步进电机224的输出端与检偏器组件221连接；所述检偏器组件221由圆偏振片、一个高消光比线偏振片轮、编码器和驱动器构成，高消光比线偏振片轮上设置有高消光比线偏振片，编码器设置在高消光比线偏振片中心处，用于记录该高消光比线偏振片实时位置；圆偏振片位于高消光比线偏振片前方用于全偏振信息获取，驱动器位于高消光比线偏振片轮的轴上，驱动器与步进电机224的输出端连接，通过步进电机224驱动该高消光比线偏振片依预先设定转速转动；其高消光比线偏振片的透过波段为0.8-1.7μm，消光比为10000:1，透过率大于80%，直径60mm。检偏器组件221通过步进电机224带动高消光比线偏振片以15圈/秒并且匀速旋转。检偏器组件211将使进入短波红外偏振成像装置22的光为线偏振光。检偏器组件221与红外热像仪222水平排列放置，间隔距离为1cm；所述红外热像仪222通过网络通信协议实现红外辐射强度图像的实时传输，将图像输入至第二微型计算机223，上述部分协调工作实现红外偏振图像实时采集。

所述调控装置3将接收信号并输出信号控制永磁无刷直流电机4转动，所述调控装置3采用CDVB2000G数字信号接收机，符合DVB-S标准，其采用富士通的单芯片处理器MB87L2250，具有高灵敏度的信号接收及输出功能。

所述永磁无刷直流电机4接收调控装置3的信号并根据信号控制多模式偏振成像集成装置2进行模式选择。多模式偏振成像集成装置2包括两种模式，其针对两种不同的应用场景，包括模式一与模式二，调控装置3设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”，开始工作时将调控装置3信号值设为“1”，永磁无刷直流电机4将多谱窗口可调短波红外辐射计21调整至与会聚准直装置1的光轴平行，进行模式一的工作，飞机在陆地或舰船上降落时，易受雾霾、风力、气压、雨雪、阳光、海面耀斑等恶劣的环境影响，严重时会使驾驶员看不到任何目视参考。在悬停条件下，多谱窗口可调短波红外辐射计21将开始工作，对目标及其背景进行被动强度图像输出进行探测；在针对实时成像要求时，将调控装置3信号值设为“2”，永磁无刷直流电机4将短波红外偏振成像装置22调整至与会聚准直装置1的光轴平行，进行模式二的工作；在急速降落条件下，需要对即将降落的区域进行实时成像，短波红外偏振成像装置将开始工作，将实时对目标背景进行红外偏振成像测量完成探测，保证在恶劣环境下飞机降落的安全。

本发明提出了一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像方法，所述方法是采用上述基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振装置实现的，包括如下步骤：

步骤S1、前期准备

首先需要调整会聚准直装置1，使透过雾霾的入射光线通过会聚准直装置1后会聚准直地进入到多模式偏振成像集成装置2，同时打开窗口可调装置211并保证进入到后续光路中的光辐射最大；

步骤S2、调控装置3接收多模式偏振成像集成装置2输入的信号并开始工作，调控装置3能够设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”；

步骤S3、当操作人员将信号值设置为“1”时，永磁无刷直流电机4将使多谱窗口可调短波红外辐射计21调整至与会聚准直装置1的光轴平行进行光线接收；

步骤S4、光线进入多谱窗口可调短波红外辐射计21后，首先通过多谱滤波旋转装置212进行滤光，同时接收透镜213进行光线接收；

步骤S5、之后通过PIN光电二极管214进行光电转换，该PIN光电二极管214是InGaAs PIN光电二极管；

步骤S6、由于InGaAs PIN光电二极管是电流型器件，所以信号放大电路215采用有偏直流跨导放大电路对步骤S5中输出电压进行放大，并通过示波器216完成对不同波长光的电压响应度采集；

步骤S7、将示波器216采集得到的数据输入到第一微型计算机217进行数据处理，进行目标背景均方误差MSE和峰值信噪比SNR分析，预先设定图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值，本发明图像均方误差MSE设置为0.01和峰值信噪比SNR阈值设置为10，若满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，则输出图像；

步骤S8、若不满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，第一微型计算机217输出信号使驱动电机218进行调节多谱滤波旋转装置212继续进行多谱波长探测；

步骤S9、重复步骤S4至步骤S8的操作，直至满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求进行图像输出；

步骤S10、当操作人员将信号值设置为“2”时，永磁无刷直流电机4将短波红外偏振成像装置22调整至与会聚准直装置1平行；

步骤S11、通过步进电机224调节检偏器组件221，分别输出0˚、45˚、90˚和135˚的线偏振光，通过红外热像仪222采集红外辐射强度图像，利用红外热像仪222自带的集成图像采集软件采集图像；

步骤S12、后续通过第二微型计算机223采用MATLAB软件对红外辐射强度图像文件进行在线处理，计算待测目标场景的红外偏振度和偏振角信息。

所述多谱窗口可调短波红外辐射计21的具体工作原理为：

在雾霾环境中，影响成像质量的主要因素有粒子的种类、大小和浓度。在雾霾浓度较大时，由于粒子的尺寸相对较大，对大气环境光的散射、吸收和反射等效应均有所增强，导致成像质量较低，影响对目标与背景的探测。N. S. Kopeika在其文章《A systemengineering approach to imaging》中指出影响大气在雾霾中的衰减的唯一因子是衰减系数，与方向角等其他因素无关。

西安科技大学的刘飞博士在其博士论文《透混沌介质偏振成像技术》中指在雾霾环境中，第一微型计算机217最终接收到的图像的强度表达式为：

(/>

表示无穷远处大气光的辐射强度；g表示为PIN 光电二极管214的光学常数；为雾霾散射介质的衰减系数，其与观测方位角无关；/>为PIN 光电二极管214的光谱响应；d为目标与本发明所提出的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置之间的距离。

因为最终的成像质量与衰减系数密切相关，且衰减系数/>是光波波长/>的函数，通过调节成像波长/>，可以使得在不同雾霾浓度调节下均方误差MSE和峰值信噪比SNR达到最优。

所述短波红外偏振成像装置22具体工作原理为：

红外热像仪222为法国noxant公司新一代高端短波0.8-1.7μm红外热像仪NoxCamS系列，采用高性能的640x512像素铟镓砷（InGaAs）红外探测器。具有高线性度和高热灵敏度、高分辨率等特点。红外热像仪222采用第二微型计算机223控制触发方式，当红外热像仪222接收第二微型计算机223工作信号时，开始启动并采集红外辐射强度图像，利用红外热像仪222配置的高度开源化的软件模块采集图像，同时搭载HDMI高清模拟量视频输出。检偏器组件221是短波红外偏振成像装置22的核心部件，其是对入射至短波红外偏振成像装置22的红外光进行检偏，检偏器组件221通过步进电机224带动其以15圈/秒旋转，每个旋转周期内编码器实时记录高消光比线偏振片轮旋转的四个预先设置好的固定角度，分别为0°、45°、90°和135°，同时传输稳定的脉冲信号给红外热像仪222以采集图像。步进电机224的步距角为固定值，当输出一个脉冲信号时，检偏器组件221中的高消光比线偏振片旋转至特定的检偏角度。

在实验室环境下，通过示波器216对短波红外偏振成像装置22进行输出帧数频率测试。步进电机224以15圈/秒转动，且在0°、45°、90°、135°位置发送脉冲信号，同时使示波器216持续采集上述位置脉冲信号。在每个旋转周期内，检偏器组件221共传输四个脉冲信号，分别为0°、45°、90°、135°，其中0°与45°信号之间的时间间隔为8.334ms,每个旋转周期的时间是66.672ms。在稳定工作条件下，红外热像仪222每秒能采集60帧不同偏振方向的红外辐射强度图像。这样即可将该装置的红外偏振图像输出速度达到60帧/秒。

短波红外偏振成像装置22中对检偏器组件221的控制主要体现在对步进电机224的匀速控制以及高消光比线偏振片实时角度信息的采集；步进电机224驱动检偏器组件221开始工作后，红外热像仪222通过操作人员对第二微型计算机223的控制进行通信，通过HDMI(High Definition Multimedia Interface)接口进行连接，从而可实现信息交互协同工作；红外热像仪222与第二微型计算机223通信过程中，红外热像仪222作为信号输出端，第二微型计算机223作为信号接收端，通过网络音视频传输协议实现红外辐射强度图像的实时传输。上述三部分协调工作可实现红外偏振图像的采集。

整体工作流程：用户通过启动步进电机224通过MODBUS协议传输信号驱动检偏器组件221开始旋转,使用第二微型计算机223发送速度指令控制步进电机224转速。第二微型计算机223串口通信设置需在同一网段，串口服务器需要设置通讯模式MCP，波特率，连接方式RS485_HALF.步进电机224以预定每秒15圈的速度带动检偏器组件211中的高消光比线偏振片匀速旋转，同时检偏器组件221中编码器将会实时记录当前角度及距上次记录的角度变化量。当检偏器组件221中的高消光比线偏振片旋转到0°、45°、90°、135°的采集角度时，第二微型计算机223立即输出信号触发红外热像仪222采集数据，并通过网络音视频传输协议将采集到的实时数据输入至第二微型计算机223以输出红外辐射强度图像。在检偏器组件221中高消光比线偏振片每个旋转周期内都会有预先设置的四个角度采集的四幅红外辐射强度图像输入至第二微型计算机223。后续采用MATLAB或Labview软件对上述获取的红外辐射强度图像文件进行在线处理与评价，计算目标场景的红外偏振度和偏振角信息,满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求将存入预先设定好的文件夹。

以上对本发明所提出的一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振系统装置与方法进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要强调的是，上述各个器件就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，各个器件进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓。

Claims (8)

1.一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于，包括会聚准直装置（1）、多模式偏振成像集成装置（2）、调控装置（3）和永磁无刷直流电机（4）；所述会聚准直装置（1）用于对目标透射光与大气光进行汇聚准直处理，获得短波红外波平行光束，并向多模式偏振成像集成装置（2）传输；所述多模式偏振成像集成装置（2）包括多谱窗口可调短波红外辐射计（21）、短波红外偏振成像装置（22）和壳体，所述多谱窗口可调短波红外辐射计（21）和短波红外偏振成像装置（22）均固定在壳体上，多谱窗口可调短波红外辐射计（21）包括窗口可调装置（211）、多谱滤波旋转装置（212）、接收透镜（213）、PIN光电二极管（214）、信号放大电路（215）、示波器（216）、第一微型计算机（217）和驱动电机（218），沿着光线的传输方向，所述窗口可调装置（211）、多谱滤波旋转装置（212）、接收透镜（213）和PIN光电二极管（214）依次设置；所述信号放大电路（215）的输入端与PIN光电二极管（214）连接，信号放大电路（215）的输出端与示波器（216）连接，第一微型计算机（217）分别与示波器（216）及驱动电机（218）连接，第一微型计算机（217）输出电信号作为控制信号输入到驱动电机（218）完成对驱动电机（218）的控制，驱动电机（218）的输出端与多谱滤波旋转装置（212）连接，用于驱动多谱滤波旋转装置（212）旋转；其中窗口可调装置（211）在非工作状态下关闭，在工作状态下打开，窗口可调装置（211）用于使得进入后续光路的光辐射达到最大，窗口可调装置（211）由布儒斯特窗口（2110）、硅光电二极管（2111）、探测器（2112）以及三个调节螺母（2113）构成，布儒斯特窗口（2110）初始方向与射向窗口可调装置（211）的入射光主光路方向平行，三个调节螺母（2113）设置在布儒斯特窗口（2110）的下面，硅光电二极管（2111）放置在布儒斯特窗口（2110）下方，硅光电二极管（2111）用于接收布儒斯特窗口（2110）的反射光信号；探测器（2112）与硅光电二极管（2111）连接；在工作时，使得探测器光辐射读数达到最大；所述多谱滤波旋转装置（212）为多个波段滤光片组成的旋转结构，多谱滤波旋转装置（212）由八片滤波片呈扇形依旋转序列构成；所述短波红外偏振成像装置（22）包括检偏器组件（221）、红外热像仪（222）、第二微型计算机（223）和步进电机（224），所述步进电机（224）的输出端与检偏器组件（221）连接；所述检偏器组件（221）配置为将其接收到的光束转换为0°线偏振光、45°线偏振光、90°线偏振光或135°线偏振光中的一种，检偏器组件（221）与第二微型计算机（223）连接；所述红外热像仪（222）设置在检偏器组件（221）的出射光路上，红外热像仪（222）和第二微型计算机（223）双向通信连接，红外热像仪（222）采集红外辐射强度图像，并将红外辐射强度图像输入至第二微型计算机（223）；

所述调控装置（3）用于向永磁无刷直流电机（4）发送控制信号；

所述永磁无刷直流电机（4）接收调控装置（3）向其发送的信号并根据信号控制多模式偏振成像集成装置（2）进行模式选择；多模式偏振成像集成装置（2）包括两种工作模式，分别为模式一与模式二，调控装置（3）设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”，将调控装置（3）信号值设为“1”时，对应模式一，此时永磁无刷直流电机（4）将多谱窗口可调短波红外辐射计（21）调整至与会聚准直装置（1）的光轴平行；将调控装置（3）信号值设为“2”时，对应模式二，此时永磁无刷直流电机（4）将短波红外偏振成像装置（22）调整至与会聚准直装置（1）的光轴平行。

2.根据权利要求1所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于：所述会聚准直装置（1）包括聚光组件（11）和准直组件（12），聚光组件（11）为带有短波红外波段增透膜的氟化钙双凸透镜，准直组件（12）为氟化钙平凸组合透镜，所述聚光组件（11）和准直组件（12）的光轴在同一条直线，且准直组件（12）位于聚光组件（11）出射光路上，聚光组件（11）用于对目标透射光与大气光进行会聚处理，并向准直组件（12）传输；所述准直组件（12）用于对接收到的光束进行准直处理，得到平行光束，并向多模式偏振成像集成装置（2）传输。

3.根据权利要求1所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于：所述多谱滤波旋转装置（212）中的八片滤波片滤波波长分别选取808nm、905nm、1020nm、1129nm、1241nm、1356nm、1500nm和1611nm。

4.根据权利要求1所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于：所述信号放大电路（215）采用有偏直流跨导放大电路，包括电解电容、电阻和运算放大器，其中电解电容与电阻并联，并联后作为一个整体并联在运算放大器两端进行信号放大。

5.根据权利要求1所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于：所述检偏器组件（221）由圆偏振片、一个高消光比线偏振片轮、编码器和驱动器构成，高消光比线偏振片轮上设置有高消光比线偏振片，编码器设置在高消光比线偏振片中心处，用于记录该高消光比线偏振片实时位置；圆偏振片位于高消光比线偏振片前方用于全偏振信息获取，驱动器位于高消光比线偏振片轮的轴上，驱动器与步进电机（224）的输出端连接，通过步进电机（224）驱动该高消光比线偏振片依预先设定转速转动；其高消光比线偏振片的透过波段为0.8-1.7μm，消光比为10000:1，透过率大于80%，直径60mm。

6.根据权利要求1所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像装置，其特征在于：所述检偏器组件（221）与红外热像仪（222）水平排列放置，间隔距离为1cm。

7.一种基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像方法，其特征在于：所述方法是采用权利要求1-6中任一项所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振装置实现的，包括如下步骤：

步骤S1、前期准备

首先需要调整会聚准直装置（1），使透过雾霾的入射光线通过会聚准直装置（1）后会聚准直地进入到多模式偏振成像集成装置（2），同时打开窗口可调装置（211）保证进入到后续光路中的光辐射最大；

步骤S2、调控装置（3）接收多模式偏振成像集成装置（2）输入的信号并开始工作，调控装置（3）能够设置信号值，所述信号值包括“1”和“2”；

步骤S3、将调控装置（3）信号值设置为“1”时，永磁无刷直流电机（4）将使多谱窗口可调短波红外辐射计（21）调整至与会聚准直装置（1）的光轴平行进行光线接收；

步骤S4、光线进入多谱窗口可调短波红外辐射计（21）后，首先通过多谱滤波旋转装置（212）进行滤光，同时接收透镜（213）进行光线接收；之后通过PIN光电二极管（214）进行光电信号转换，然后通过信号放大电路（215）对PIN光电二极管（214）中输出的电压信号进行放大，放大后通过示波器（216）完成对不同波长光的电压响应度采集；

步骤S5、将示波器（216）采集得到的数据输入到第一微型计算机（217）进行数据处理，进行光强度成像，并对目标背景均方误差MSE和峰值信噪比SNR分析，预先设定图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值；若满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，则输出图像；

步骤S6、若不满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求，第一微型计算机（217）输出信号使驱动电机（218）进行调节多谱滤波旋转装置（212）继续进行多谱波长探测；

步骤S7、重复步骤S4至步骤S6的操作，直至满足图像均方误差MSE和峰值信噪比SNR阈值要求进行图像输出；

步骤S8、将调控装置（3）信号值设置为“2”时，永磁无刷直流电机（4）将短波红外偏振成像装置（22）调整至与会聚准直装置（1）光轴平行；

步骤S9、通过步进电机（224）调节检偏器组件（221），分别输出0˚、45˚、90˚和135˚的线偏振光，并通过红外热像仪（222）采集红外辐射强度图像；

步骤S10、通过第二微型计算机（223）采用MATLAB软件对红外辐射强度图像文件进行在线处理，计算目标场景的红外偏振度和偏振角信息，并进行均方误差MSE和峰值信噪比SNR分析。

8.根据权利要求7所述的基于雾霾衰减系数的短波红外全偏振成像方法，其特征在于：图像均方误差MSE设置为0.01；峰值信噪比SNR阈值设置为10。