一種基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感偏振成像裝置及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)偏振態(tài)測量的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是一種基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感 偏振成像裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 偏振成像技術(shù)是指記錄圖像偏振信息的技術(shù)。圖像的偏振態(tài)可提供從光譜、光強(qiáng)、 相干度等量中無法獲取的，包括表面特征、形狀、陰影以及粗糙度等大量的信息，因而利用 偏振成像技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行區(qū)別和特性表征。在氣象環(huán)境科學(xué)研宄中，利用卷云散射輻 射的偏振特征來獲得其微觀特性和光學(xué)特性，為全球的輻射平衡和氣候變化的研宄提供重 要依據(jù)；在軍事、海洋以及衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域，利用人造物體與自然背景反射和輻射光偏振態(tài) 的差別，可以從復(fù)雜背景中提取人造物體目標(biāo)，區(qū)分不同的地表形態(tài)等等。多維的信息和廣 泛的應(yīng)用使偏振成像近年來成為國內(nèi)外光學(xué)探測和遙感領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003] 由于現(xiàn)有的CCD或者CMOS等感光元件不能直接分辨光的偏振態(tài)，所以通常需要在 探測器前加裝波片和偏振片來實(shí)現(xiàn)圖像偏振態(tài)測量。光偏振態(tài)可用Stocks矢量進(jìn)行完全 描述（S0，S1，S2, S3)，具有四個(gè)獨(dú)立的分量。要獲得完整偏振態(tài)信息至少需要四次不同波 片和偏振片組合的獨(dú)立測量。根據(jù)多次測量的方式不同，可以把偏振成像分成分時(shí)成像和 同時(shí)成像兩大類。分時(shí)成像通過旋轉(zhuǎn)或者調(diào)制光學(xué)器件在不同時(shí)間獲得多次測量結(jié)果，適 用于植被、礦物、建筑等靜態(tài)目標(biāo)的探測。而同時(shí)偏振成像技術(shù)通過多分光路單次曝光的方 式獲取多個(gè)測量結(jié)果，具有動(dòng)態(tài)測量能力。已有的同時(shí)成像技術(shù)中主要采用分幅、分孔徑、 分頻譜通道以及分焦平面等幾種分光方案。目前分幅和分孔徑偏振成像的時(shí)間、空間分辨 率較高，但是光路復(fù)雜，穩(wěn)定性不足，而且不同偏振態(tài)的圖像難以進(jìn)行像素量級(jí)的對(duì)準(zhǔn)；而 分頻譜通道方案采用雙折射晶體劈組調(diào)制圖像偏振態(tài)，干涉條紋的存在導(dǎo)致空間分辨率偏 低；分焦平面方案通過單次曝光可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)測量，而且整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定， 已經(jīng)被用于美國軍方的雷達(dá)遙感系統(tǒng)，是偏振成像技術(shù)未來的發(fā)展方向。但是目前基于微 偏振片陣列的分焦平面偏振成像只能測量Stocks矢量的前三個(gè)分量（SO, SI, S2)，其原因 在于通過單純的偏振片方向變化無法測量代表旋光成分的S3分量。隨著偏振成像技術(shù)應(yīng) 用范圍的擴(kuò)展，特別是在動(dòng)態(tài)目標(biāo)遙感研宄中，迫切需要發(fā)展同時(shí)具備高時(shí)間、空間分辨 率，并且能夠進(jìn)行全Stocks矢量測量以及長期穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)的全新偏振成像技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感偏振成像裝置及 其實(shí)現(xiàn)方法，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)遙感測量，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間、空間分辨率的完全偏振態(tài)測量。
[0005] 本發(fā)明的裝置采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感偏振成像裝 置，包括從左至右依次并排設(shè)置的望遠(yuǎn)鏡物鏡、望遠(yuǎn)鏡目鏡、成像透鏡以及一面陣相機(jī)；所 述的望遠(yuǎn)鏡物鏡前方設(shè)置有一窄帶濾波片，用于選擇特定帶寬；所述的望遠(yuǎn)鏡目鏡與所述 的成像透鏡之間依次設(shè)置有一微波片陣列與一單向偏振片，其中所述微波片陣列設(shè)置在所 述望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距位置，用以對(duì)圖像的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，所述的單向偏振片設(shè)置于所述 微波片陣列和成像透鏡之間，用以將二維偏振態(tài)分布轉(zhuǎn)換成二維光強(qiáng)分布；所述成像透鏡 用以將二維光強(qiáng)分布耦合到面陣相機(jī)中；所述面陣相機(jī)的輸出端連接至一計(jì)算機(jī)處理系 統(tǒng)，所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)包括中值濾波模塊、傅里葉變換模塊以及數(shù)組操作模塊。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的微波片陣列的制作過程為：采用超快激光在一透明介質(zhì)內(nèi)部刻 蝕出若干個(gè)邊長為幾微米的方形亞波長光柵，并引入相位延時(shí)，調(diào)整加工參數(shù)使四個(gè)相鄰 的所述亞波長光柵的光軸方向和引入的相位延時(shí)不同，構(gòu)成微型波片陣列；所述微型波片 陣列在二維空間重復(fù)排列，覆蓋整個(gè)通光面；所述的加工參數(shù)包括所述超快激光的偏振方 向、加工時(shí)間以及聚焦參數(shù)。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的四個(gè)相鄰亞波長光柵的光軸方向分別為與水平方向夾角0°， 30°，45°和60°，所述引入的相位延時(shí)為90°。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種如上文所述的基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感偏振成像裝置的 實(shí)現(xiàn)方法，具體包括以下步驟： 步驟Sl :用所述窄帶濾波片對(duì)遠(yuǎn)處圖像進(jìn)行濾波，選擇一指定的波長范圍； 步驟S2 :采用所述望遠(yuǎn)鏡物鏡和望遠(yuǎn)鏡目鏡對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行縮放； 步驟S3 :所述的微波片陣列對(duì)步驟S2縮放后的圖像進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制，所述的單向偏振 片將進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制后的圖像轉(zhuǎn)換成二維光強(qiáng)分布，所述的成像透鏡將所述二維光強(qiáng)分布 耦合到所述的面陣相機(jī)，所述的面陣相機(jī)將光強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸至所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)； 步驟S4 :所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)接收到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演計(jì)算，得到二維 圖像上每個(gè)像素點(diǎn)的偏振態(tài)信息。
[0009] 較佳地，所述步驟S4具體包括以下步驟： 步驟S41 :所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)采用公式幾鱗。計(jì)算出入 ItfI 射光的偏振態(tài)，其中，為面陣相機(jī)采集的數(shù)據(jù)，客為入射光偏振態(tài)，M為一 4 X 4的 Milller矩陣，用以描述偏振器件； 步驟S42 :所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)采用步驟S41的方法對(duì)整個(gè)通光面進(jìn)行計(jì)算，從而獲 得圖像整個(gè)二維面內(nèi)的偏振態(tài)信息。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果： (1) 可測量包含旋光分量在內(nèi)的全Stocks矢量； (2) 微波片陣列采用超快激光微加工制作，可對(duì)其引入的相位延遲主軸方向和延遲量 進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化性能，并且制作精度高，成本和技術(shù)要求較低； (3) 所采用的微波片陣列存在于透明基底的內(nèi)部，便于對(duì)其表面進(jìn)行鍍膜和維護(hù)，可降 低成像光路中多重反射和散射等影響，從而提高成像質(zhì)量。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的微波片陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 主要組件符號(hào)說明] 圖中：1為窄帶濾波片，2為望遠(yuǎn)鏡物鏡，3為望遠(yuǎn)鏡目鏡，4為微波片陣列，5為單向偏 振片，6為成像透鏡，7為面陣相機(jī)，8為計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0015] 如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種基于微波片陣列的瞬時(shí)遙感偏振成像裝置，包 括從左至右依次并排設(shè)置的望遠(yuǎn)鏡物鏡、望遠(yuǎn)鏡目鏡、成像透鏡以及一面陣相機(jī)；所述的望 遠(yuǎn)鏡物鏡前方設(shè)置有一窄帶濾波片，用于選擇特定帶寬；所述的望遠(yuǎn)鏡目鏡與所述的成像 透鏡之間依次設(shè)置有一微波片陣列與一單向偏振片，其中所述微波片陣列設(shè)置在所述望遠(yuǎn) 鏡目鏡的焦距位置，用以對(duì)圖像的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，所述的單向偏振片設(shè)置于所述微波片 陣列和成像透鏡之間，用以將二維偏振態(tài)分布轉(zhuǎn)換成二維光強(qiáng)分布；所述成像透鏡用以將 二維光強(qiáng)分布耦合到面陣相機(jī)中；所述面陣相機(jī)的輸出端連接至一計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，所述 的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)包括中值濾波模塊、傅里葉變換模塊以及數(shù)組操作模塊。
[0016] 進(jìn)一步的，所述的微波片陣列的制作過程為：采用超快激光在一透明介質(zhì)內(nèi)部刻 蝕出若干個(gè)邊長為幾微米的方形亞波長光柵，并引入相位延時(shí)，所構(gòu)成的微型波片的光柵 方向和引入的相位延時(shí)與加工參數(shù)和光柵結(jié)構(gòu)相關(guān)。調(diào)整加工參數(shù)使四個(gè)相鄰的所述亞波 長光柵的光軸方向和引入的相位