用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、電子驅動器、雙通道圖像采集卡和計算機組成。光學系統(tǒng)分為兩個通道：通道一由魚眼光學鏡頭、濾光輪1、兩片液晶相位可變延遲器LCVR1和LCVR2、偏振片1、微距光學鏡頭1、電荷耦合器件1組成，用于完成天空光的成像；通道二由望遠光學鏡頭、濾光輪2、兩片液晶相位可變延遲器LCVR3和LCVR4、偏振片2、微距光學鏡頭2、電荷耦合器件2組成，用于完成地物光的光譜成像。電子驅動器用于控制加在四片LCVR上的電壓值改變其相位延遲，實現(xiàn)雙通道全偏振成像。被測天空光和地物光的圖像信號被計算機采集并作圖像處理。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地物光和天空光偏振信息的同步探測，可用于地物偏振遙感大氣效應校正的研究。
【專利說明】用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，是指一種用于偏振遙感領域的近地面的同步對天和對地的全偏振光譜成像探測的光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]利用地物反射光進行偏振成像遙感探測時，不斷變化的天空光會影響對地物的偏振探測精度與定量化水平。因為，對于絕大多數(shù)地物表面，其反射光的偏振特性會隨著入射光偏振態(tài)的變化而變化，利用地物反射光進行偏振成像時，地表目標的偏振特性中包含了天空光的偏振特性，因此，不斷變化的天空光是影響其探測精度的重要因素之一。影響天空光偏振特性的主要因素包括時間、空間、波長以及大氣中的氣溶膠、云層等，所以天空光對地物反射光偏振態(tài)的影響只能通過對天空光進行同步遙感測量技術來進行分析，進而實現(xiàn)地表目標偏振特性的定量化反演。
[0003]在偏振遙感領域，國外偏振技術的發(fā)展已經(jīng)較為成熟。上世紀80年代后期，法國開始研制的POLDER是第一個可以獲得偏振光觀測的星載對地探測器，可以對地氣系統(tǒng)反射的太陽輻射的方向和偏振度進行全球觀測，而且可以把大氣散射的輻射跟地表反射的輻射區(qū)分開。2002年，C.K.Harnett等人研制了基于雙折射液晶材料的微偏振片陣列，并用該器件研制成了成像偏振儀。2003年，美國亞利桑那州立大學光學研究中心研制了基于機械旋轉波片的快速成像偏振儀。2004年，Hanaoka等人研制了基于鐵電液晶相位可變延遲器的高速成像偏振儀，用于對地面目標進行探測。2005年，美國亨茨維爾市偏振傳感器研究中心研制了基于機械旋轉波片的紅外成像偏振儀，用于對水中的游泳者和人工目標進行探測。2006年，美國應用技術聯(lián)合會、空軍實驗室，Ball航天技術公司和新墨西哥州立大學電子計算機工程學院進行了長波紅外偏振成像應用，實驗儀器中使用了在探測器的每個小單元前面放置偏振濾光器的結構，可以同一時刻獲得四個偏振態(tài)下的圖像，包含在焦平面處的微柵格偏光陣列相對傳統(tǒng)的偏振儀可以即時并且關聯(lián)的獲得熱量信息和偏振信息。2007年，美國蒙大拿州立大學電子與計算機工程學院在美國空軍實驗室的資助下，為了適應對不同天空情況的目標偏振情況的測量，研制了基于LCVR的雙視場成像偏振儀。
[0004]國內關于偏振成像探測的研究剛剛起步。中科院安徽光機所于2002年研制出地面多波段偏振CCD相機試驗系統(tǒng)；相繼又研制出航空偏振CCD相機系統(tǒng)。2002年，上海技物所研制完成了一臺機載六光譜通道全偏振遙感儀，并進行了室內、外場景物的光譜及偏振探測和大氣氣溶膠探測等實驗。
[0005]從國內外發(fā)展情況可以看出，目前的偏振成像探測系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)天空光與地物反射光同步探測，只是將二者分別探測，這使得在不同的測量時間內，天空條件的變化會對測量的結果產(chǎn)生影響，探測的精度不高。因此，實現(xiàn)對天空光和地物反射光偏振信息的同步探測，對分析天空光對地物反射光偏振態(tài)的影響、提高對地偏振成像遙感的探測精度與定量化水平具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要技術解決問題是:提出一種用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)具有在可見光波長范圍同步精確探測天空光和地物反射光全偏振信息的能力。
[0007]本發(fā)明一種用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，其技術解決方案:該用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，包括下列部分:
[0008]魚眼光學鏡頭，位于光學系統(tǒng)通道一的最前端，用于將半球視場下的天空光一次成像在其焦平面上；
[0009]望遠光學鏡頭，位于光學系統(tǒng)通道二的最前端，用于將地物目標反射光一次成像在其焦平面上；
[0010]兩個濾光輪，位于各自光學系統(tǒng)通道的前置光學鏡頭的焦平面之后，安裝在濾光輪上的濾光片用于實現(xiàn)所在通道的多譜段分光功能；
[0011]四片液晶相位可變延遲器LCVR1、LCVR2、LCVR3和LCVR4，位于各自光學系統(tǒng)通道的濾光輪之后，每個通道各兩片，通過計算機控制改變LCVR上的電壓值，可以改變所在通道的入射光的相位延遲；
[0012]兩個偏振片，位于各自光學系統(tǒng)通道的兩片LCVR之后，用于改變所在通道的入射光的偏振方向；
[0013]兩個微距光學鏡頭，位于各自光學系統(tǒng)通道的偏振片之后，用于將所在通道的光學系統(tǒng)第一次所成像進行二次成像，聚焦在CCD上；
[0014]兩個電荷稱合器件(charge coupled device, CCD),為光電轉換器件,用于將所在通道的被測目標的光輻射強度轉換為電信號，其輸出的電信號經(jīng)由計算機I/O卡送入計算機；
[0015]電子驅動器，用于控制加在四片LCVR上的電壓值，從而改變LCVR的相位延遲值，其驅動輸出端與四片LCVR相接，通訊控制端與計算機的串口或USB接口相連；
[0016]雙通道圖像采集卡，用于將兩個通道C⑶光電轉換后的信號，送入計算機，其插在計算機的PCI插槽中；
[0017]計算機，用于控制加在LCVR的電壓值，從而改變LCVR的相位延遲值；采集被測目標圖像信號，并對所采集圖像進行處理，輸出被探測目標的偏振信息。
[0018]用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)中的雙通道光學系統(tǒng)同時工作，可以實現(xiàn)天空光和地物目標反射光的偏振光譜強度圖像的同步探測，這樣在之后的圖像處理中，可以得到同一時刻天空光和地物反射光的偏振信息，進而可以進行地物偏振遙感大氣效應校正的研究，提高地物反射光偏振探測的精度。
[0019]本發(fā)明的工作原理為:系統(tǒng)兩個通道均使用濾光片作為分光元件，以滿足系統(tǒng)光譜測量的功能。在每一個通道中都安裝一個可旋轉濾光輪，將6片濾光片分別安裝在帶6個濾光槽的濾光輪上，通過旋轉濾光輪從而改變通過探測系統(tǒng)的波長，得到目標在該波長處的圖像，實現(xiàn)系統(tǒng)的成像光譜探測功能。在每一個通道中，系統(tǒng)的全偏振探測功能由兩片LCVR和精確偏振片組成的偏振測量組件實現(xiàn)，調整精確偏振片的偏振軸方向只讓一個固定方向的偏振光通過，通過計算機控制加在LCVR的電壓值，從而改變LCVR的相位延遲值，設置4組不同的相位延遲值，分別采集圖像，可獲得到4個圖像強度值，得到一個線性方程組，利用Mueller矩陣反演得到全斯托克斯矢量的4個分量的值。系統(tǒng)可以對天空光和地物光偏振信息同步探測的功能是通過計算機控制兩個通道同時采集目標圖像來實現(xiàn)的。
[0020]本發(fā)明一種用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，具有如下優(yōu)
占-
^ \\\.[0021](I)該系統(tǒng)采用雙通道同步采集圖像的技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)對天空光和地物光偏振信息同步探測，從而分析天空光對地物反射光偏振特性的影響。
[0022](2)系統(tǒng)中LCVR的相位延遲由電壓控制，無需運動部件，而且響應時間短，屬于毫秒級，與精確偏振片構成的偏振測量組件可以精確、快速的探測被測目標的全Stokes矢量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成原理框圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的LCVR在不同電壓控制下相位延遲示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明的濾光輪結構圖；
[0026]圖4為本發(fā)明的工作流程圖。[0027]圖中具體標號如下:
[0028]1、魚眼光學鏡頭2、濾光輪(I) 3、LCVR (I)和(2)
[0029]4、偏振片(I) 5、微距光學鏡頭(I) 6、CO) (I)
[0030]7、望遠光學鏡頭8、濾光輪(2) 9、LCVR (3)和(4)
[0031]10、偏振片(2) 11、微距光學鏡頭(2) 12、CCD (2)
[0032]13、雙通道圖像采集卡 14、計算機 15、LCVR驅動器
【具體實施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明包括魚眼光學鏡頭1、濾光輪(1)2、LCVR (I)和(2) 3、偏振片
(1)4、微距光學鏡頭(1)5、0? (1)6、望遠光學鏡頭7、濾光輪(2)8況0^ (3)和(4) 9、偏振片(2) 10、微距光學鏡頭(2) 11、(XD (2) 12、雙通道圖像采集卡13、計算機14和LCVR驅動器15。下面以光學系統(tǒng)通道一，對天空光實現(xiàn)成像探測的通道為例，魚眼光學鏡頭I將半球視場下的天空光一次成像在其焦平面上，經(jīng)過濾光輪(1)2上的濾光片，得到相應譜段的光線，然后經(jīng)過兩片LCVR (I)和(2) 3以及偏振片4，再經(jīng)過微距光學鏡頭(1)5最后成像在CXD (1)6上，并且將輸出的圖像信號經(jīng)雙通道圖像采集卡13傳輸?shù)接嬎銠C14，LCVR驅動器15與計算機14的串口相連。第一光學系統(tǒng)通道的全偏振探測的組件由兩片LCVR(I)和(2) 3與精確偏振片4組成，調節(jié)精確偏振片4的透偏方向，只讓固定的一個方向的偏振光透過，通過計算機來控制加載在兩片LCVR上的電壓值，來改變兩片LCVR的相位延遲量。設置4組不同的電壓值，使得兩片LCVR產(chǎn)生4組不同的相位延遲值，分別采集圖像，可以得到4輻圖像的強度值，從而得到一個線性方程組，在利用Mueller矩陣反演得到全斯托克斯矢量的4個分量值，實現(xiàn)了全偏振光譜探測的功能。其中，4組LCVR相位延遲的選取和精確偏振片透偏方向的選取是根據(jù)矩陣理論匯總的良態(tài)矩陣理論優(yōu)化得來的。對于光學系統(tǒng)通道二，對地物光實現(xiàn)成像探測的通道，實施的原理方案相同，兩片LCVR的4組延遲值和精確偏振片的透偏方向以及相應的濾光片選擇都相同。通過計算機控制兩個通道同時采集目標圖像可以實現(xiàn)對天空光和地物光偏振信息同步探測的功能。
[0034]如圖2所示，LCVR是受電壓控制的光學器件，在不同電壓控制下對入射線偏光的作用各不相同。當加上適當?shù)碾妷簳r，LCVR可以精確、快速的控制光學系統(tǒng)中光的偏振狀態(tài)。利用兩片LCVR與精確偏振片構成具有可精確探測目標4個全斯托克斯矢量的功能的偏振測量組件。
[0035]如圖3所示，濾光輪帶有6個濾光槽，可以安裝6片濾光片，通過旋轉濾光輪從而改變通過探測系統(tǒng)的波長，得到目標在該波長處的圖像，實現(xiàn)系統(tǒng)的成像光譜探測功能。濾波片的波長和帶寬可選范圍較廣，根據(jù)被測目標的特征可以隨時更換濾光輪上的濾波片。
[0036]本發(fā)明的工作流程圖如圖4所示。首先，將光學系統(tǒng)通道一的光學系統(tǒng)垂直向上對準天空，將光學系統(tǒng)通道二的光學系統(tǒng)垂直向下對準地物；其次，將兩個光學系統(tǒng)通道的濾光輪旋轉到所需探測波長，通過計算機控制對兩個通道的LCVR器件分別設置4組不同的電壓值，使其產(chǎn)生4組不同的相位延遲值；與此同時，通過計算機控制雙通道圖像采集卡，同步采集兩個通道的各4幅圖像，得到各通道所成的圖像在該波長上的4個光強值，解線性方程組就可得各通道入射光的4個Stokes偏振分量值，從而完成了天空光與地物光全偏振光譜信息的同步探測。
【權利要求】
1.用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括下列部分: 魚眼光學鏡頭，位于光學系統(tǒng)通道一的最前端，用于將半球視場下的天空光一次成像在其焦平面上； 望遠光學鏡頭，位于光學系統(tǒng)通道二的最前端，用于將地物目標反射光一次成像在其焦平面上； 兩個濾光輪，位于各自光學系統(tǒng)通道的前置光學鏡頭的焦平面之后，安裝在濾光輪上的濾光片用于實現(xiàn)所在通道的多譜段分光功能； 四片液晶相位可變延遲器LCVR1、LCVR2、LCVR3和LCVR4，位于各自光學系統(tǒng)通道的濾光輪之后，每個通道各兩片，通過計算機控制改變LCVR上的電壓值，可以改變所在通道的入射光的相位延遲； 兩個偏振片，位于各自光學系統(tǒng)通道的兩片LCVR之后，用于改變所在通道的入射光的偏振方向； 兩個微距光學鏡頭，位于各自光學系統(tǒng)通道的偏振片之后，用于將所在通道的光學系統(tǒng)第一次所成像進行二次成像，聚焦在CXD上； 兩個電荷稱合器件(charge coupled device, CO)),為光電轉換器件,用于將所在通道的被測目標的光輻射強度轉換為電信號，其輸出的電信號經(jīng)由計算機I/O卡送入計算機； 電子驅動器，用于控制加在四片LCVR上的電壓值，從而改變LCVR的相位延遲值，其驅動輸出端與四片LCVR相接，通訊控制端與計算機的串口或USB接口相連； 雙通道圖像采集卡，用于將兩個通道CXD光電轉換后的信號，送入計算機，其插在計算機的PCI插槽中； 計算機，用于控制加在LCVR的電壓值，從而改變LCVR的相位延遲值；采集被測目標圖像信號，并對所采集圖像進行處理，輸出被探測目標的偏振信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于同步探測地物光與天空光的全偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于雙通道光學系統(tǒng)同時工作，可以實現(xiàn)天空光和地物目標反射光的偏振光譜強度圖像的同步探測，這樣在之后的圖像處理中，可以得到同一時刻天空光和地物反射光的偏振信息，進而可以進行地物偏振遙感大氣效應校正的研究，提高地物反射光偏振探測的精度。
【文檔編號】G01J3/447GK103743485SQ201410022694
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權日:2014年1月17日
【發(fā)明者】張穎, 趙慧潔, 王澤穎, 宋平 申請人:北京航空航天大學