本發(fā)明涉及光譜偏振成像領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)及其裝調(diào)方法。

背景技術(shù)：

1、光譜成像技術(shù)是一項獲取目標(biāo)二維幾何形狀和一維光譜信息的技術(shù)，可同時獲取目標(biāo)的空間強(qiáng)度和光譜信息，具有圖譜合一的優(yōu)勢。光譜信息對目標(biāo)的種類、材質(zhì)等極為敏感，可有效區(qū)分與識別目標(biāo)。但是，光譜成像易受云霧、復(fù)雜光照等影響，光譜成像信噪比下降，導(dǎo)致識別精度降低、虛警率增高。偏振作為一種新興的探測手段，對大氣粒子、物體紋理等特征較為敏感，可顯著提升復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)探測能力和成像對比度。

2、光譜偏振成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合了光譜成像技術(shù)和偏振成像技術(shù)，同時獲取并高效利用目標(biāo)的空間、光譜和偏振信息的一種新型成像技術(shù)。光譜偏振成像技術(shù)拓展了對目標(biāo)的信息感知維度，既發(fā)揮了光譜精細(xì)識別的作用，還保留了偏振凸顯目標(biāo)的優(yōu)勢，有望破解單一維度成像在復(fù)雜環(huán)境下的感知局限性，是未來信息感知領(lǐng)域的發(fā)展方向。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、地球遙感勘測、醫(yī)學(xué)物質(zhì)檢驗、軍事偵查搜救等多種領(lǐng)域。

3、然而，目前的光譜偏振系統(tǒng)多采用可調(diào)諧濾光片、干涉型或快照式的成像方式，需要一定的采樣時間，且光路復(fù)雜、體積大、圖像重構(gòu)難度高且無法滿足機(jī)載領(lǐng)域的光譜偏振一體化成像。因此，本發(fā)明提出一種機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)，利用棱鏡-光柵分光元件和偏振探測器的組合，實現(xiàn)單光路的光譜、偏振信息的同時獲取，具有高光譜分辨率、高空間分辨率、高時間分辨率和快速圖像重構(gòu)等特點。此外，推掃式的成像方式還適用于機(jī)載平臺，能夠提供廣域高分辨率觀測、快速響應(yīng)能力以及實時數(shù)據(jù)獲取的優(yōu)勢。

4、對于任何的光學(xué)系統(tǒng)而言，裝調(diào)是不可避免的，而裝調(diào)的好壞直接決定了系統(tǒng)性能的高低，因此，精準(zhǔn)的裝調(diào)是保證光學(xué)系統(tǒng)能夠成功研制的一個重要環(huán)節(jié)，即使整個光學(xué)系統(tǒng)與機(jī)械元件的加工都滿足公差要求，也可能由于裝調(diào)過程中引入的誤差而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。然而，目前國內(nèi)外研究的光譜成像系統(tǒng)裝調(diào)僅是簡單的利用測量儀器對棱鏡-光柵分光元件的出射光方向進(jìn)行大致判斷，沒有理論指導(dǎo)，不能做到具有實時預(yù)判、精準(zhǔn)的裝調(diào)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中亟需一種新的方案來解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有光譜偏振系統(tǒng)多采用可調(diào)諧濾光片、干涉型或快照式的成像方式，需要一定的采樣時間，且光路復(fù)雜、體積大、圖像重構(gòu)難度高且無法滿足機(jī)載領(lǐng)域的光譜偏振一體化成像技術(shù)的問題，提出一種機(jī)載推掃高光譜偏振成像一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有物鏡組、狹縫、準(zhǔn)直鏡組、棱鏡、光柵、成像鏡組和偏振探測器，通過機(jī)載平臺的穩(wěn)定前向運(yùn)動，獲得整個空間的目標(biāo)信息，并根據(jù)偏振探測器中不同偏振方位像元的交錯分布，通過插值算法求解出不同波長的空間目標(biāo)對應(yīng)的偏振信息。同時也解決了機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)在棱鏡-光柵裝調(diào)過程中效率低、準(zhǔn)確性差的問題，利用推導(dǎo)出的棱鏡-光柵傾斜時入射光的出射角公式為理論依據(jù)對其進(jìn)行裝調(diào)，裝調(diào)準(zhǔn)確性高。

2、本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括：物鏡組、狹縫、準(zhǔn)直鏡組、棱鏡、光柵、成像鏡組和偏振探測器；

3、所述物鏡組將來自目標(biāo)光的光束聚焦至狹縫；

4、所述目標(biāo)光為無窮遠(yuǎn)含有目標(biāo)與背景多譜段光信息的平行光；

5、所述準(zhǔn)直鏡組置于狹縫后方，用于將狹縫的出射光準(zhǔn)直成平行光束；

6、所述棱鏡和光柵依次置于準(zhǔn)直鏡后方，用于將所述目標(biāo)光在可見光范圍內(nèi)進(jìn)行色散；

7、成像鏡組和偏振探測器將色散后的所述目標(biāo)光依次進(jìn)行聚焦與成像。

8、所述成像系統(tǒng)利用狹縫對成像范圍進(jìn)行限制，通過推掃的運(yùn)動方式實現(xiàn)成像。

9、所述成像系統(tǒng)適用于機(jī)載平臺。

10、一種如上所述的機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)的裝調(diào)方法，包括以下步驟：

11、步驟1：利用已知波長的單色光對準(zhǔn)設(shè)置在光學(xué)平臺上的刻度架中心，此時刻度架中心為單色光的光斑；

12、步驟2：依次放置物鏡組與準(zhǔn)直鏡組，調(diào)整兩者位置保持所述光斑位置位于刻度架中心；

13、步驟3：在準(zhǔn)直鏡組后依次放置棱鏡和光柵，并對棱鏡和光柵進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述光斑保持在刻度架中心；

14、步驟4：在棱鏡和光柵后放置成像鏡組，保持所述光斑位置在刻度架中心，并在成像鏡組后焦面處放置偏振探測器；

15、步驟5：使用平行光管并在所述平行光管前側(cè)加入小圓孔，使用偏振探測器進(jìn)行成像，并調(diào)整偏振探測器的位置，直至找到最小的圓形亮斑；

16、步驟6：在準(zhǔn)直鏡組前焦面處放置狹縫，換上白光光源使其完全包含所述成像系統(tǒng)，并不斷調(diào)整狹縫方向使得狹縫像與偏振探測器縱向方向平行，此時調(diào)整偏振探測器的位置直至整個視場的狹縫像的寬度最小。

17、所述步驟中的所述調(diào)節(jié)為通過色散方程和偏向角公式，對棱鏡和光柵進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述色散方程為

18、

19、其中，

20、θ1＝α+δ

21、

22、所述偏向角公式為

23、

24、其中，色散模塊入射角為θ1，棱鏡折射率為n，棱鏡頂角為α，光柵常數(shù)為d，衍射級次為k，單色光波長為λ，衍射角為φ，棱鏡光柵分光模塊偏向角為棱鏡傾斜角為δ(順時針傾斜時，δ＞0；逆時針傾斜時，δ＜0)，光柵傾斜角為γ(順時針傾斜時，γ＜0；逆時針傾斜時，γ＞0)，棱鏡的逆時針傾斜角度最大為α。

25、本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用棱鏡光柵型光譜結(jié)構(gòu)，配合偏振探測器，利用機(jī)載平臺的穩(wěn)定前向運(yùn)動，即可獲得整個空間的目標(biāo)信息，并利用簡單圖像重構(gòu)的方法將同一波長的狹縫像按時間順序依次拼接，即可得到目標(biāo)不同波長對應(yīng)的偏振信息。將強(qiáng)度、光譜和偏振信息相結(jié)合，是對傳統(tǒng)成像探測的有益補(bǔ)充。其中強(qiáng)度信息反映了探測距離、目標(biāo)形狀以及目標(biāo)尺寸等；光譜信息能夠反應(yīng)目標(biāo)材質(zhì)與特性；偏振信息能夠反映目標(biāo)粗糙度以及與背景信息的對比度，將三種成像方法聯(lián)合應(yīng)用，圖像對比度可以提高1倍，從而提高工作距離，有助于提高目標(biāo)探測概率。對于裝調(diào)方法而言，由于棱鏡光柵在裝調(diào)過程中處于傾斜，若要將其裝調(diào)至與水平面完全垂直難度較大且需要極精密儀器，因此利用推導(dǎo)出的棱鏡光柵出射角公式，結(jié)合衍射光斑位置，相互配合，即可實現(xiàn)高效、高準(zhǔn)確性的裝調(diào)。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)，其特征在于，包括：物鏡組(1)、狹縫(2)、準(zhǔn)直鏡組(3)、棱鏡(4)、光柵(5)、成像鏡組(6)和偏振探測器(7)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)，其特征在于：所述成像系統(tǒng)利用狹縫對成像范圍進(jìn)行限制，通過推掃的運(yùn)動方式實現(xiàn)成像。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)，其特征在于：所述的成像系統(tǒng)適用于機(jī)載平臺。

4.一種如權(quán)利要求1-3任一項所述的機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)的裝調(diào)方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)的裝調(diào)方法，其特征在于：所述步驟3中的所述調(diào)節(jié)為通過色散方程和偏向角公式，對棱鏡(4)和光柵(5)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述色散方程為

技術(shù)總結(jié)
一種機(jī)載推掃高光譜偏振一體化成像系統(tǒng)及其裝調(diào)方法，屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，該光學(xué)系統(tǒng)包括：物鏡組、狹縫、準(zhǔn)直鏡組、棱鏡、光柵、成像鏡組和偏振探測器；采用棱鏡光柵型光譜結(jié)構(gòu)，配合偏振探測器，利用機(jī)載平臺的穩(wěn)定前向運(yùn)動，即可獲得整個空間的目標(biāo)信息，并利用簡單圖像重構(gòu)的方法將同一波長的狹縫像按時間順序依次拼接，即可得到目標(biāo)不同波長對應(yīng)的偏振信息。將強(qiáng)度、光譜和偏振信息相結(jié)合，其中強(qiáng)度信息反映了探測距離、目標(biāo)形狀以及目標(biāo)尺寸等；光譜信息能夠反應(yīng)目標(biāo)材質(zhì)與特性；偏振信息能夠反映目標(biāo)粗糙度以及與背景信息的對比度，將三種成像方法聯(lián)合應(yīng)用，圖像對比度可以提高1倍，從而提高工作距離，有助于提高目標(biāo)探測概率。

技術(shù)研發(fā)人員：史浩東,龔晨杰,孫傳宇,王祺,李冠霖,王稼禹,楊帥,孫洪宇,劉嘉楠,姜會林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長春理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21