CN214097788U

CN214097788U - 激光主动照明空间目标偏振成像系统

Info

Publication number: CN214097788U
Application number: CN202022466449.0U
Authority: CN
Inventors: 温冠宇; 苗澍茁; 范存波; 梁智鹏; 董雪
Original assignee: CHANGCHUN OBSERVATORY NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORIES CAS
Current assignee: CHANGCHUN OBSERVATORY NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORIES CAS
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2030-10-30

Abstract

激光主动照明空间目标偏振成像系统，属于空间目标探测与识别技术领域，包括高功率激光发射系统、CCD大视场空间目标成像分系统以及望远镜目标跟踪转台。本实用新型将微偏振阵列应用到空间目标的识别探测中，增加空间目标的发现几率，提高空间目标探测技术水平；利用激光主动照明技术提高目标表面亮度，从而在成像端提高图像的信息量，提高偏振度图像的信息熵与平均梯度等参数，增强图像的为提高偏振信息的信息量，为暗弱空间目标的探测与识别奠定基础。

Description

激光主动照明空间目标偏振成像系统

技术领域

本实用新型属于空间目标探测与识别技术领域，特别是涉及到一种光学望远镜偏振成像系统。

背景技术

空间目标包括在轨运行的航天器如卫星，空间站等以及太空垃圾形成的空间碎片。目前，空间目标在观测方面，主要的观测手段包括地基光电观测、地基雷达观测、天基观测等。在这些空间目标观测手段中，光电观测可以得到空间目标具体的位置测量信息，并且具有成本较低，能量消耗小的特点，光电观测在对于高轨目标的观测中具有一定的优势。此外，还可以通过光电观测获取空间目标的光度和光谱特征信息，便于开展下一阶段的空间目标识别。

空间目标的识别与定位技术目前有三大技术难题。首先，由于观测望远镜使用大视场接收望远镜，同一时刻出现在观测画面中的目标较多，且不同目标在灰度方面十分相似，其次，空间目标距离望远镜较远，其星像所占像素点少，且无纹理特征。此外，CCD相机自身包含许多附加是的噪声，如暗电流噪声、读出噪声，光子噪声等，在获取单帧图像上很难精确的识别出待测目标。

目前对于空间目标物理特性的有效探测手段主要有基于光强信息、光谱信息以及偏振信息的探测等。光强信息以空间目标反射太阳光的亮度为基础，存在亮度不足时对空间信息误判的缺陷。光谱测量是利用光谱仪测量卫星的反射及辐射能量随波长的变化，通过对光谱信息的分析可以确定目标的材料组成，也可以区分含有不同材料的目标，实现对空间目标的识别，但是光谱测量仪器测量成本较高，且仪器复杂度高，不利于设备的后期维护。偏振探测通过空间目标反射太阳光的偏振程度，任何目标在反射、散射和电磁辐射的过程中，会产生由其自身性质决定的偏振特征，从而可以得到表面形状、材料和运行状态等信息，对空间暗弱目标的探测与识别，具有较突出的优势。

传统的偏振成像主要采用旋转偏振片及分光后分别偏振成像的方法。前者需要旋转偏振器件，对整个系统的稳定性要求较高。后者必须使用多个偏振片和探测器集成，成本较高且稳定性要求较高。因此，微偏振阵列可以同时获取四个检偏方向的特点可以体现出来。微偏振阵列具有高透射率和消光比，可直接与CCD相机的窗口单元进行集成，具有高稳定性，非常适用于空间目标识别领域。

激光主动照明技术是一种主动光学成像系统，这种技术将激光技术，图像传感技术，以及暗弱目标成像技术结合在一起的新兴技术。主动照明成像系统可以弥补传统可见光目标成像系统等传统被动空间目标成像系统的劣势与不足，可在照度较低的条件下实现对空间目标的探测与识别，具有对比度高，成像质量好等特点。

因此，将激光主动照明技术与微偏振阵列探测技术结合，应用在空间目标识别领域，一方面，可以通过主动照明技术改善暗弱的探测环境，另一方面，也可以根据不同空间目标的偏振特征识别待测目标，增加空间目标在图像中的信息熵，便于不同目标的探测识别。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供激光主动照明空间目标偏振成像系统，将微偏振阵列应用到空间目标的识别探测中，增加空间目标的发现几率，提高空间目标探测技术水平；利用激光主动照明技术提高目标表面亮度，从而在成像端提高图像的信息量，提高偏振度图像的信息熵与平均梯度等参数，增强图像的为提高偏振信息的信息量，为暗弱空间目标的探测与识别奠定基础。

激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：包括高功率激光发射系统、CCD大视场空间目标成像分系统以及望远镜目标跟踪转台，

所述CCD大视场空间目标成像分系统包括大视场光学系统、分光片、微偏振阵列、CCD相机、激光探测器以及捕获跟踪处理单元，所述大视场光学系统的出射光路上设置有分光片；所述分光片与水平方向顺时针成135°设置，分光片的透射光路上依次设置有微偏振阵列以及CCD相机，分光片的反射光路上设置有激光探测器；所述激光探测器与捕获跟踪处理单元连接；所述捕获跟踪处理单元与望远镜目标跟踪转台连接；

所述高功率激光发射系统设置在望远镜目标跟踪转台上，高功率激光发射系统包括高功率激光器、偏振片、扩束镜组以及光学望远镜，所述高功率激光器的激光出射光路上依次设置偏振片、扩束镜组以及光学望远镜。

所述高功率激光器的波长为532nm，脉冲能量为30mJ。

所述微偏振阵列包括四个偏振线栅单元，四个偏振线栅单元偏振方向分别为0°、45°、90°以及135°，且每个光栅长度，线栅宽度以及占空比的参数均相同。

所述微偏振阵列的像素大小为7.4um，带宽为300nm～3um，基底厚度为0.7mm，基底材料为玻璃，尺寸为1600×1200。

所述扩束镜组为20倍扩束镜组。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：激光主动照明空间目标偏振成像系统，可以对空间暗弱目标进行探测，并可以根据偏振信息特征完成不同目标的特征识别，对天文观测和研究具有重要的现实意义和应用价值。

本实用新型的进一步有益效果在于：

1、增强了传统的光电观测望远镜的目标识别能力；

2、提高了获取的空间目标图像的对比度与包含的信息量。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型激光主动照明空间目标偏振成像系统中微偏振阵列结构示意图。

图2为本实用新型激光主动照明空间目标偏振成像系统结构示意图。

图3为本实用新型激光主动照明空间目标偏振成像系统应用流程示意框图。

图中1-高功率激光发射系统、2-CCD大视场空间目标成像分系统、3-望远镜目标跟踪转台、4-高功率激光器、5-偏振片、6-扩束镜组、7-光学望远镜、8-大视场光学系统、9-分光片、10-微偏振阵列、11-CCD相机、12-激光探测器、13-捕获跟踪处理单元。

具体实施方式

激光主动照明空间目标偏振成像系统，如图2所示，包括高功率激光发射系统1、CCD大视场空间目标成像分系统2以及望远镜目标跟踪转台3，

所述CCD大视场空间目标成像分系统2包括大视场光学系统8、分光片9、微偏振阵列10、CCD相机11、激光探测器12以及捕获跟踪处理单元13，所述大视场光学系统8的出射光路上设置有分光片9；所述分光片9与水平方向顺时针成135°设置，分光片9的透射光路上依次设置有微偏振阵列10以及CCD相机11，分光片9的反射光路上设置有激光探测器12；所述激光探测器12与捕获跟踪处理单元13连接；所述捕获跟踪处理单元13与望远镜目标跟踪转台3连接；CCD大视场成像系统2通过大视场光学系统8和CCD相机11对待测空间目标进行跟踪，并通过CCD相机11得到的画面寻找待测目标；同时大视场光学系统8接收到的激光信号传输给捕获跟踪处理单元13处理，控制望远镜目标跟踪转台3对待测目标进行捕获。

所述高功率激光发射系统1设置在望远镜目标跟踪转台3上，高功率激光发射系统1包括高功率激光器4、偏振片5、扩束镜组6以及光学望远镜7，所述高功率激光器4的激光出射光路上依次设置偏振片5、扩束镜组6以及光学望远镜7；高功率激光器4在经过偏振片5，以及扩束镜组6后，由光学望远镜7发射出去。偏振片5在光路中起到改变激光光束的偏振方向的作用，扩束镜组6用来扩大激光光束的光斑直径，从而提高激光到达待测目标表面的亮度，提高目标在暗弱环境下的分辨率。光学望远镜7的跟踪功能是由望远镜跟踪转台3完成的。

其中，所述高功率激光器4的波长为532nm，脉冲能量为30mJ；所述扩束镜组6为20倍扩束镜组。

本实用新型采用的微偏振阵列10结构如图1所示，采用斯托克斯矢量表达法的设计理念，斯托克斯矢量的全面性在于，可以对完全偏振光和部分偏振光均可以描述。斯托克斯矢量由S0、S1、S2、S3四个参量构成。四个斯托克斯参量均用来表示光强值，斯托克斯矢量在设计中设计的三个参量也是彼此独立的，且三个独立的斯托克斯参数可以表示唯一的一个椭圆，这也证明了斯托克斯理念的合理性。

依据斯托克斯的理论，在本实用新型中使用的微偏振阵列10由四个不同方向的偏振线栅组成。微偏振阵列每个像素单元包含2×2个像素点，四个单元偏振方向分别为0、45°、90°、135°。每个光栅的长度、线栅宽度、占空比等参数相同。在获取传感图像以后，可以通过多图像的灰度分析，提取图像中的前3个矢量。S₀代表了入射光在通过待测目标后的全部光强信息，与普通图像相同。从这种高分辨率偏振片阵列获取的图像中可以提取出入射光斯托克斯矢量中前三个参量(S₀，S₁，S₂)。S₁与S₂分别代表了光信号在不同的线偏振方向的偏振信息。S₃通常代表圆偏振信息，而微偏振阵列无法获取圆偏振信息，因此，在本实用新型中不使用S₃的量值作为待测空间目标的特征进行识别。

在以上公式中，I₀表示当偏振片角度为0°时，通过偏振片的光矢量的强度值。I₄₅表示当偏振片角度为45°时，通过偏振片的光矢量的强度值。I₉₀表示当偏振片角度为90°时，通过偏振片的光矢量的强度值。I₁₃₅表示当偏振片角度为135°时，通过偏振片的光矢量的强度值。本实用新型使用上述公式中的S₀，S₁，S₂计算图像中的线偏振度，从而得到空间目标的线偏振信息，来完成目标识别。

本实用新型激光主动照明空间目标偏振成像系统用于成像的方法，如图3所示，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、待测目标粗定位及跟踪

通过全球导航定位系统和空间目标组织发布的两行根数预报确定待测目标的粗略位置；利用CCD大视场成像分系统2、捕获跟踪处理单元13和望远镜目标跟踪转台3进行待测目标的粗略跟踪；

步骤二、待测目标精确跟踪

打开高功率激光器4，发射激光光束，将激光光束的方向调整至视场中待测目标位置，通过成像CCD相机11接收此时获得的图像信息，并利用捕获跟踪处理单元13和望远镜跟踪转台3对待测目标进行精确跟踪。

由于本实用新型中微偏振阵列10采集到的单帧图像同时包含0°,45°,90°和135°四幅不同检偏方向的图像，因此，需要将偏振方向相同的像素单元对应的灰度值分别取出,复制到四幅与原图像像素数目、尺寸相同的空值图像的对应位置,四幅图像中像素的其他空值部分采用如线性插值法等方法补齐空值数据,此时，即可得到四幅不同检偏方向时图像,得到的四幅图像的光强值分别为I(0),I(45),I(90)和I(135)。利用上文中的公式，得到S0，S1，S2参量。最后，对图像进行处理，计算图像的线偏振度，合成线偏振图像。线偏振图像中会比普通的光强图像包含更多的细节信息。对图像中的细节信息采用适当的图像处理方法，即可识别不同待测目标的偏振特征，从而达到空间目标识别的目的。

本实用新型通过在传统光学观测光电望远镜系统上，增加激光主动照明模块以及微偏振阵列来实现对暗弱空间待测目标的识别。激光主动照明可以增加待测目标的表面亮度，提高目标在图像中的对比度，而微偏振阵列由于自身具有稳定，高效的特点，可以同时获得四个偏振方向的图像信息，提高了传统通过转动偏振片进行偏振信息探测的光学系统的工作效率，同时获得更多的偏振探测信息，也可以增加待测空间目标的发现几率，提高空间目标探测技术水平。本实用新型对未来光电观测领域的应用具有重要价值。

Claims

1.激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：包括高功率激光发射系统(1)、CCD大视场空间目标成像分系统(2)以及望远镜目标跟踪转台(3)，

所述CCD大视场空间目标成像分系统(2)包括大视场光学系统(8)、分光片(9)、微偏振阵列(10)、CCD相机(11)、激光探测器(12)以及捕获跟踪处理单元(13)，所述大视场光学系统(8)的出射光路上设置有分光片(9)；所述分光片(9)与水平方向顺时针成135°设置，分光片(9)的透射光路上依次设置有微偏振阵列(10)以及CCD相机(11)，分光片(9)的反射光路上设置有激光探测器(12)；所述激光探测器(12)与捕获跟踪处理单元(13)连接；所述捕获跟踪处理单元(13)与望远镜目标跟踪转台(3)连接；

所述高功率激光发射系统(1)设置在望远镜目标跟踪转台(3)上，高功率激光发射系统(1)包括高功率激光器(4)、偏振片(5)、扩束镜组(6)以及光学望远镜(7)，所述高功率激光器(4)的激光出射光路上依次设置偏振片(5)、扩束镜组(6)以及光学望远镜(7)。

2.根据权利要求1所述的激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：所述高功率激光器(4)的波长为532nm，脉冲能量为30mJ。

3.根据权利要求1所述的激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：所述微偏振阵列(10)包括四个偏振线栅单元，四个偏振线栅单元偏振方向分别为0°、45°、90°以及135°，且每个光栅长度，线栅宽度以及占空比的参数均相同。

4.根据权利要求1所述的激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：所述微偏振阵列(10)的像素大小为7.4um，带宽为300nm～3um，基底厚度为0.7mm，基底材料为玻璃，尺寸为1600×1200。

5.根据权利要求1所述的激光主动照明空间目标偏振成像系统，其特征是：所述扩束镜组(6)为20倍扩束镜组。