一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀。該成像儀由前端光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、電控旋轉(zhuǎn)偏振片、AOTF濾波器、后端成像光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器組成。當(dāng)AOTF前端的電控旋轉(zhuǎn)偏振片只工作于豎直或水平狀態(tài)時，該成像儀為高光譜成像探測模式，擁有普通高光譜成像儀相當(dāng)?shù)男阅?；?dāng)AOTF前端的電控旋轉(zhuǎn)偏振片工作于三個以上不同角度實(shí)現(xiàn)探測時，該成像儀為高光譜偏振成像探測模式，擁有普通高光譜成像儀不具備的偏振信息獲取能力，能實(shí)現(xiàn)對同譜異物目標(biāo)的識別。兩種工作模式可電控自動切換，能根據(jù)使用場合和需求進(jìn)行高光譜探測或者高光譜偏振探測。
【專利說明】
一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光譜及偏振探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新的探測方式，光學(xué)波段的偏振成像探測技術(shù)從上世紀(jì)70年代開始逐漸發(fā)展。隨著光譜偏振探測機(jī)理研究的深入以及光學(xué)器件制造工藝的迅速發(fā)展，多光譜、高光譜探測及高光譜偏振探測技術(shù)逐漸成熟，越來越受到世界各國的高度重視。
[0003]按照分光原理不同，可以將光譜以及光譜偏振成像探測技術(shù)分成色散型、干涉型和濾光型三種，本發(fā)明涉及的是一種濾光型的光譜偏振成像儀，所以這里著重闡述濾光型的光譜偏振成像儀。濾光型的光譜偏振成像儀大體有三種。
[0004](I)用濾光片輪進(jìn)行光譜濾波的系統(tǒng)
[0005]早期的星載光譜偏振探測系統(tǒng)如法國的POLDER就是采用這種方式，它只是在有限的幾個波段用旋轉(zhuǎn)濾光片輪的方式獲取光譜偏振信息。這種方式使用電動馬達(dá)驅(qū)動濾光片輪旋轉(zhuǎn)，通過精確控制它轉(zhuǎn)動的角度，實(shí)現(xiàn)對探測光譜的選擇，由于這種探測方式原理簡單易于實(shí)現(xiàn)，所以中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了一臺機(jī)載多波段偏振成像探測儀。該設(shè)備采用偏振片和旋轉(zhuǎn)濾光片輪的結(jié)構(gòu)，對于同一場景，通過同時采集三個不同偏振方向的輻射圖，并不斷旋轉(zhuǎn)濾光片輪得到場景的光譜偏振圖像。此外，2003年上海技術(shù)物理研究所也研制了類似的裝置，并利用其獲取了多種景物在560nm、670nm、766nm三個波段上的輻射強(qiáng)度、偏振度以及偏振角圖像。由于旋轉(zhuǎn)濾光片輪的方式采用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)光譜選擇，所以其系統(tǒng)尺寸一般較大，雖然其可探測的光譜帶寬可以很窄，但是能夠探測的光譜數(shù)量有限。由此國內(nèi)外更加關(guān)注具有電調(diào)諧能力的光譜濾波方式。
[0006](2)用液晶可調(diào)濾光器(Liquid-Crystal Tunable Filter，LCTF)進(jìn)行光譜濾波的系統(tǒng)
[0007]液晶可調(diào)濾光器是應(yīng)用較早的一種電調(diào)諧光譜濾波方法，所以電調(diào)諧光譜偏振探測儀最早是采用液晶可調(diào)濾光器研制的。1999年，日本國家航空實(shí)驗(yàn)室研制了基于液晶可調(diào)濾光器的成像光譜偏振探測系統(tǒng)，在可見光和紅外波段采集了光譜偏振圖像。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)都安平等也使用類似的方法利用液晶可調(diào)濾光器和高倍增益CCD構(gòu)建了一臺光譜偏振圖像采集裝置，開展了偏振圖像融合的實(shí)驗(yàn)研究。上述系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)液晶可調(diào)濾光器的方式實(shí)現(xiàn)對偏振態(tài)的檢測，所以其應(yīng)用受到很大限制。此外上述系統(tǒng)不包括相位延遲裝置，無法探測圓偏振分量。為克服這一缺點(diǎn)，法國泰勒斯技術(shù)研究所結(jié)合LCTF和液晶相位延遲器(Liquid-Crystal Variable Retardat1n, LCVR)開發(fā)了主動式成像光譜偏振探測系統(tǒng)，并開展了材料全偏振特性的研究工作，該系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是用相位延遲器探測Stokes矢量中的V分量，而且系統(tǒng)成像過程中完全由電控調(diào)節(jié)，不會有機(jī)械抖動。雖然LCTF的電調(diào)諧濾波能力已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，但是其缺點(diǎn)是響應(yīng)時間較長，波段只能覆蓋可見光和短波紅外。
[0008](3)用聲光可調(diào)濾光器(Acousto-Optic Tunable Filter,A0TF)進(jìn)行光譜濾波的系統(tǒng)
[0009]為了增加電調(diào)諧的速度，同時拓展偏振探測的研究波段，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室深入研究了聲光可調(diào)濾光器的原理和制作工藝，并根據(jù)AOTF的起偏和分光特點(diǎn)，采用多種結(jié)構(gòu)，組建了一系列光譜偏振成像儀，使光譜偏振探測的工作波長從紫外覆蓋到遠(yuǎn)紅外波段。由于這些成像儀采用AOTF實(shí)現(xiàn)窄帶濾光，其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固抗振、便于攜帶。采用聲光可調(diào)濾光器的突出優(yōu)點(diǎn)是光譜電調(diào)諧的速度比LCTF快的多，缺點(diǎn)是如果只使用一個液晶相位延遲器(LCVR)無法得到目標(biāo)的全偏振信息，所以上述研究中大都不使用液晶相位延遲器，而只得到目標(biāo)在水平和垂直方向的線偏振光。為了獲得其它偏振分量必須再增加一個LCVR，只是采用兩個LCVR獲取偏振態(tài)的方案將減小系統(tǒng)通光量，不僅提高了對后端CCD探測靈敏度的要求，而且整個系統(tǒng)的校準(zhǔn)標(biāo)定比較困難。
[0010]基于AOTF進(jìn)行光譜成像和光譜偏振成像的系統(tǒng)越來越受到國內(nèi)相干單位的重視。當(dāng)目標(biāo)與背景高光譜特性不同時，高光譜以及高光譜偏振成像儀都具有很好的目標(biāo)探測識別能力；但當(dāng)目標(biāo)與背景高光譜特性差異不大時，借助偏振信息才能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行分類識別，此時只能使用高光譜偏振成像儀。
[0011]雖然高光譜偏振成像儀的探測識別能力相對更好，但高光譜偏振成像儀因多了偏振探測功能，結(jié)構(gòu)相對更加復(fù)雜，通光量也相對更小，而用它獲取高光譜信息所需數(shù)據(jù)存儲量和處理量又是高光譜成像儀的數(shù)倍之多，所以當(dāng)高光譜成像儀能完成探測識別任務(wù)時，沒有必要使用高光譜偏振成像儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種兼具高光譜和高光譜偏振探測能力的成像儀。在高光譜成像模式下快速對目標(biāo)進(jìn)行高光譜成像，擁有普通高光譜成像儀相當(dāng)?shù)男阅?；在高光譜偏振成像模式下?lián)碛衅胀ǜ吖庾V成像儀不具備的偏振信息獲取能力，能實(shí)現(xiàn)對同譜異物目標(biāo)的識別。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種集成高光譜和高光譜偏振探測能力的成像儀。其特點(diǎn)是該成像儀由前端光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、電控旋轉(zhuǎn)偏振片、AOTF濾波器、后端成像光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器組成。當(dāng)AOTF前端的電控旋轉(zhuǎn)偏振片只工作于豎直或水平狀態(tài)時，該成像儀為高光譜成像探測模式；當(dāng)AOTF前端的電控旋轉(zhuǎn)偏振片工作于三個以上不同角度實(shí)現(xiàn)探測時，該成像儀為高光譜偏振成像探測模式。兩種模式可電控自動切換，能根據(jù)使用場合和需求選擇進(jìn)行高光譜探測還是高光譜偏振探測。
[0014]上述成像儀的前端光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)為變焦距望遠(yuǎn)鏡頭，鏡頭的透光波段不窄于AOTF的工作波段。
[0015]上述成像儀的電控旋轉(zhuǎn)偏振片由電控旋轉(zhuǎn)輪以及裝與其上的偏振片組成，電控旋轉(zhuǎn)輪按照預(yù)設(shè)的角度和編程指令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，偏振片的消光比不低于1000，透光波段不窄于AOTF的工作波段。
[0016]上述成像儀的AOTF濾波器包括一個單頻或多頻的驅(qū)動器，可在紫外波段、可見光波段、近紅外波段、中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段進(jìn)行單波長或多波長濾波。
[0017]上述成像儀的后端成像光學(xué)系統(tǒng)由消色散光鍥和成像鏡頭組成，消色散光鍥的作用是消除高光譜圖像的漂移，其材料特性與構(gòu)成AOTF濾波器的聲光晶體相似，成像鏡頭的透光波段不窄于AOTF的工作波段，能使目標(biāo)清晰成像于探測器上。
[0018]上述成像儀的成像探測器是和AOTF工作波段相對應(yīng)的紫外、可見光、近紅外、中紅外或遠(yuǎn)紅外波段探測器，以上成像探測器的光譜響應(yīng)范圍均不窄于AOTF的工作波段。
[0019]上述成像儀的后端成像光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器都位于AOTF —級衍射光的ο光光路或者e光光路上。
[0020]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是:
[0021]將高光譜成像和高光譜偏振成像集成于一個成像儀上，即達(dá)到了與普通高光譜成像儀相當(dāng)?shù)拇鎯瓦\(yùn)算性能，又具備高光譜偏振成像探測能力。該成像儀的發(fā)明將顯著提高對軍事目標(biāo)的探測和偵察能力，在反偽裝和目標(biāo)分類方面具有重要的軍事使用價值。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明成像儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]參見圖1，本發(fā)明提供了一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀。整個成像儀由外圍硬件和系統(tǒng)軟件兩大部分組成。
[0024]系統(tǒng)的外圍硬件由前端準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、偏振片旋轉(zhuǎn)裝置、A0TF、后端成像光學(xué)系統(tǒng)、CXD及AOTF的電調(diào)控制器組成。其中，前端準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)用來準(zhǔn)直物方入射的光線，從而保證以很小的入射傾角進(jìn)入偏振片和A0TF，從而保證AOTF器件正常工作；偏振片的作用是調(diào)制入射光的偏振態(tài)，只讓特定偏振方向的光進(jìn)入CCD，它配合后面的AOTF可以檢測出入射光的全偏振態(tài)；系統(tǒng)中用到的聲光可調(diào)濾光器是由較低聲光衰減的光學(xué)材料制成的，它具有良好的光學(xué)性能和較高的聲光品質(zhì)因數(shù)，根據(jù)聲光衍射原理，AOTF可產(chǎn)生完全正交的線偏振光，其波長調(diào)諧速度通常只有幾十個微秒，所以，AOTF能夠在極快的時間內(nèi)調(diào)諧到所需要的波段，實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、隨機(jī)地波長選擇，這一特性有助于光譜成像系統(tǒng)快速調(diào)諧到某些指定特征波段，利用典型的少數(shù)波段對物體進(jìn)行快速分類，從而減少探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，降低信息冗余度；后端的成像光學(xué)系統(tǒng)將AOTF衍射出來的光經(jīng)光鍥消色散后，重新成像在成像探測器的焦平面上，從而探測出物方的景物信息；本系統(tǒng)使用的探測器需要具有較高的靈敏度，因?yàn)槿肷涔饨?jīng)過偏振片和AOTF后衰減較大，因此要達(dá)到同樣的作用距離就必須提高探測器的靈敏度；偏振片控制器和AOTF的電調(diào)控制器分別用來控制偏振片的起偏方向和AOTF的調(diào)諧波長，這兩者結(jié)合在一起就可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)特定波長偏振態(tài)的測量。
[0025]系統(tǒng)的軟件主要由控制指令產(chǎn)生模塊和圖像信息處理模塊組成。其中控制指令產(chǎn)生模塊的作用是產(chǎn)生用于起偏、AOTF光譜濾波和圖像采集的指令，并將這些指令輸出到相應(yīng)的控制部件，同時該模塊還用來獲取探測器采集到的圖像，并將這些圖像輸出給圖像信息處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理；圖像信息處理模塊首先要對接收的圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行高光譜圖像配準(zhǔn)、去除噪聲干擾等處理，依據(jù)工作模式不同，提取高光譜圖像，或者根據(jù)前面采集的若干張強(qiáng)度圖像求解出高光譜偏振圖像，然后根據(jù)目標(biāo)和背景的特征及使用場合，綜合利用高光譜圖像信息和高光譜偏振圖像信息進(jìn)行目標(biāo)檢測與識別。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:由前端光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、電控旋轉(zhuǎn)偏振片、聲光可調(diào)濾波器、后端成像光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器組成。當(dāng)電控旋轉(zhuǎn)偏振片只工作于豎直或水平狀態(tài)時，該成像儀為高光譜成像探測模式；當(dāng)電控旋轉(zhuǎn)偏振片工作于三個以上不同角度實(shí)現(xiàn)探測時，該成像儀為高光譜偏振成像探測模式。兩種模式可電控自動切換，能根據(jù)使用場合和需求選擇進(jìn)行高光譜探測還是高光譜偏振探測。2.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述前端光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)為變焦距望遠(yuǎn)鏡頭，鏡頭的透光波段不窄于聲光可調(diào)濾波器的工作波段。3.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述電控旋轉(zhuǎn)偏振片由電控旋轉(zhuǎn)輪以及裝與其上的偏振片組成，電控旋轉(zhuǎn)輪按照預(yù)設(shè)的角度和編程指令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，偏振片的消光比不低于1000，透光波段不窄于聲光可調(diào)濾波器的工作波段。4.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述聲光可調(diào)濾波器包括一個單頻或多頻的驅(qū)動器，可在紫外波段、可見光波段、近紅外波段、中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段進(jìn)行單波長或多波長濾波。5.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述后端成像光學(xué)系統(tǒng)由消色散光鍥和成像鏡頭組成，消色散光鍥的作用是消除高光譜圖像的漂移，其材料特性與構(gòu)成聲光可調(diào)濾波器的聲光晶體相似，成像鏡頭的透光波段不窄于聲光可調(diào)濾波器的工作波段，能使目標(biāo)清晰成像于探測器上。6.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述成像探測器是和聲光可調(diào)濾波器工作波段相對應(yīng)的紫外、可見光、近紅外、中紅外或遠(yuǎn)紅外波段探測器，以上成像探測器的光譜響應(yīng)范圍均不窄于聲光可調(diào)濾波器的工作波段。7.如權(quán)利要求1所述的集成高光譜和偏振高光譜探測能力的成像儀，其特征在于:所述后端成像光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器都位于聲光可調(diào)濾波器一級衍射光的ο光光路或者e光光路上。
【文檔編號】G01J3/28GK105987754SQ201510093057
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月4日
【發(fā)明人】汪家春, 趙大鵬, 王啟超, 林志丹, 馬麗芳, 袁忠才, 王科偉, 程立, 陳蕾蕾, 陳宗勝, 徐紀(jì)偉
【申請人】中國人民解放軍電子工程學(xué)院