專利名稱：快速多光譜遙感偏振成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)遙感偏振成像領(lǐng)域，提出了一種快速多光譜遙感偏振成像的實驗系統(tǒng)，融合了強度、多光譜和偏振的優(yōu)點。應(yīng)用多波長光學(xué)參量振蕩器、液晶可調(diào)波片和濾光片，在多波長下實現(xiàn)強度和偏振度偽彩色編碼成像，可以應(yīng)用于植被、礦產(chǎn)、環(huán)境遙感的成像分析，目標探測、識別、分類，以及深空探測等領(lǐng)域，適于地面、機載和空載應(yīng)用，該發(fā)明還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，如皮膚組織探測等。
2.
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)遙感采用強度、相干、光譜成像或探測的方式，鑒于目標的偏振特性在探測的方面的獨特優(yōu)勢，目前偏振遙感技術(shù)迅猛發(fā)展。但是僅利用目標散射光的強度、光譜、和偏振等信息有一定的局限性。散射光的強度反映了其反射特性，光譜體現(xiàn)了其材料特性，偏振信息反映了目標的內(nèi)部機理、物理特性、表面特性等，偏振的利用為遙感開創(chuàng)了新的空間，雖然和強度探測相比偏振信息的利用提高了目標探測的對比度，但是不能反映目標周圍的環(huán)境特性，強度信息對反射率相同的目標亦無能為力，光譜成像在有噪聲存在時往往會出現(xiàn)同物異譜或同譜異物的現(xiàn)象，很難確定物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等，而且很容易發(fā)生誤判。針對以上遙感的缺點和不足，本發(fā)明公開了一種快速多光譜成像系統(tǒng)，可工作于主動和被動模式，利用了目標散射光的強度、偏振、光譜信息，并釆用偽彩色編碼技術(shù)，提高對比度較低目標的探測能力，采用液晶可調(diào)波片和濾光片，可以實現(xiàn)準實時強度、偏振成像。
在對地和大氣偏振觀測中，1990年，美國航天局研制了地球觀察掃描偏振成像儀器(E0SP),用于氣溶膠的遙感監(jiān)測。1996年，法國研制出測量地球反射率的偏振和方向的儀器(POLDER),有8個偏振通道用于大氣、氣溶膠、陸地以及海洋表面狀況的測量。1998年美囯猶他州立大學(xué)研制了機載紅外超光譜偏振成像計，以鐵電液晶偏振計、透射式衍射光柵為基礎(chǔ)，利用推帚式成像技術(shù)成像。美國空軍實驗室研制的可變相位延遲、傅里葉變換光譜儀(VRFTSP)，可以提高目標的空間、光譜和偏振信息獨立的光譜偏振圖像。2001年以來法國Thales中心研究實驗室一直致力于研究多光譜偏振成像儀器，目前已取得了較好的試驗結(jié)果。2006年美國和法國聯(lián)合研制的CALIPSO衛(wèi)星帶有雙波長偏振激光
雷達，通過不同波長的后向散射光研究云層、氣溶膠的分布情況。
90年代以來上海技術(shù)物理研究所也致力于研究多光譜成像儀器，目前仍在
研究地物目標散射光的偏振光譜成像的研究。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所地面多波段偏振CCD相機原理樣機，有4個測量通道。以上研究多是基于被
動成像或探測，利用目標反射的自然光或自身的輻射特性，不能對入射光的性質(zhì)進行控制。專利號為CN1900740A的專利中公開了一種"高光譜全偏振遙感成像系統(tǒng)"，該系統(tǒng)工作在被動狀態(tài)，受光照、溫度等環(huán)境的影響較明顯。鑒于被動探測的缺點，本發(fā)明提出了一種快速多光譜遙感偏振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)即可工作于主動模式，又可工作在被動模式，可以消除環(huán)境因素的影響，充分利用了目標散射光的強度、光譜和偏振信息，在遙感、深空探測、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
3.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的快速多光譜遙感偏振成像儀，充分利用了目標后向散射光的強度、光譜、偏振信息，具有光譜成像和偏振成像的優(yōu)點。發(fā)射、接收、控制和處理四部分釆用模塊化的設(shè)計方案，可以根據(jù)具體的應(yīng)用更換光源和探測器,實現(xiàn)不同目的的探測。該發(fā)明彌補了傳統(tǒng)激光遙感釆用單一參量的缺點，是傳統(tǒng)光學(xué)遙感的重要改進和提高。
本發(fā)明所提出的快速多光譜遙感偏振成像儀采用如下技術(shù)方案(l)發(fā)射模塊發(fā)射模塊主要實現(xiàn)多波長光源的產(chǎn)生、空間相干性的消除、偏振狀態(tài)的控制，以及光束的整形。光源釆用多波長光學(xué)參量振蕩器，由泵浦激光源、諧振腔和非線性晶體組成，利用半導(dǎo)體二極管激光器作為泵浦源，激勵非線性晶體，可以根據(jù)需要產(chǎn)生多個波長，通過調(diào)節(jié)其相位匹配即可調(diào)節(jié)波長。由于光源的相干性，在目標后向散射光中會有斑點噪聲，因此需要漫射體消除空間相干性的影響。偏振狀態(tài)部分由偏振片(格蘭激光棱鏡)和液晶可調(diào)波片組成，實現(xiàn)任意偏振狀態(tài)光的產(chǎn)生。光束整形部分調(diào)整光束的形狀實現(xiàn)照明的均勾性，使照射到目標的光場強度分布均勻，減小照明不均勻性對成像質(zhì)量的影響。
(2) 望遠鏡望遠鏡是發(fā)射和接收模塊的公共部分，對于發(fā)射模塊，它主要起到準直擴東的功能，使入射到目標的光近似平行光，接收時望遠鏡用于收集目標信息。發(fā)射和接收采用同一望遠鏡減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度，保證了照明和接收為同一目標。望遠鏡放置于旋轉(zhuǎn)裝置上，可以實現(xiàn)掃描探測，擴大了成像范圍。
(3) 接收模塊接收模塊主要實現(xiàn)目標散射光的接收和偏振狀態(tài)的檢測，配合發(fā)射模塊中的偏振狀態(tài)產(chǎn)生模塊，通過調(diào)整發(fā)射和接收的偏振狀態(tài)，通過16次測量實現(xiàn)Mueller矩陣的計算。接收模塊主要由狹縫、液晶可調(diào)波片、偏振片(格蘭激光棱鏡)、透鏡、光柵或液晶濾光片，以及多光譜相機組成。狹縫用于消除目標散射光中雜散光的影響，偏振片和波片組成偏振狀態(tài)檢測部分。為了根據(jù)要求區(qū)分波長可以釆用光柵分光或濾光片濾光的方式，然后用多光譜相機接收。
(4) 信號接收和圖像處理目標的后向散射光經(jīng)過多光譜相機接收后，計算目標的Mueller矩陣，并求解強度和偏振度等參數(shù)，確定目標對入射光的衰減、延遲及消偏振情況，然后通過強度、偏振度以及偽彩色編碼的方式顯示，同時圖像處理部分還可實現(xiàn)噪聲的處理、目標識別和分類等功能。
(5) 控制模塊控制模塊首先調(diào)整發(fā)射和接收系統(tǒng)的同步，實現(xiàn)被動和主動成像，控制步進電機實現(xiàn)發(fā)射和接收模塊的掃描成像。同時，控制模塊根據(jù)初始設(shè)定控制波片的延遲，實現(xiàn)Mueller矩陣的快速測量。當(dāng)接收模塊采用液晶濾光片時，控制模塊按要求實現(xiàn)濾光片濾光，選擇所要求的波長的功能。
本發(fā)明的主要特色強度成像反映了目標的反射特性；多光譜成像可以獲得目標的結(jié)構(gòu)信息、頻譜信息、化學(xué)信息，在遙感中可以用于目標探測、植被、大氣、海洋等環(huán)境監(jiān)測；目標的偏振信息反映了目標的材料特性、內(nèi)部機理、表面特性等信息。本發(fā)明融合了多光譜和偏振成像的優(yōu)點，可以大幅度提高目標的探測識別能力，釆用強度和波長、偏振度與波長偽彩色編碼的方法，還可以達到目標分類的目的。采用液晶可調(diào)的波片和濾光片，提高了測量速度，可以實現(xiàn)目標的準實時多光譜偏振成像。采用模塊化的設(shè)計方案，易于調(diào)整、組合，實現(xiàn)其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明的效益與應(yīng)用前景
本發(fā)明可以實現(xiàn)強度、多光譜、偏振，及其三個參數(shù)的融合編碼成像，主要有一下應(yīng)用前景
(l)植被遙感首先該發(fā)明可以用于植被覆蓋的探測、農(nóng)作物生長態(tài)勢及健康狀態(tài)分析、農(nóng)作物分類、估產(chǎn)等。
(2 )礦產(chǎn)分析由于金屬元素的光譜特性和偏振特性有別于其他自然目標,因此利用偏振和多光譜可以分析礦產(chǎn)的分布。
(3) 環(huán)境監(jiān)測該發(fā)明可以用于大氣、河流等污染監(jiān)測，如發(fā)射模塊釆用脈沖激光器，接收采用光電探測器或光子計數(shù)器可以用于氣溶膠、云層、沙塵暴等環(huán)境探測。
(4) 目標識別、探測、識別分類不同目標具有不同的消偏振特性和光譜特性，對于反射率相同，消偏振特性不同的目標，可以應(yīng)用該設(shè)備實現(xiàn)目標的識別、探測與分類。
(5) 深空探測、天文觀測星體發(fā)射光或自身發(fā)射光的光譜特性表明了該星體所含有的化學(xué)元素，利用該發(fā)明同時具有光譜和偏振的優(yōu)點可以實現(xiàn)深空探測、天文觀測等目的。
(6) 醫(yī)學(xué)應(yīng)用根據(jù)正常皮膚組織和癌變組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，利用偏振特性可以得到很好的診斷，因此，該發(fā)明可以用于皮膚組織的探測，及早發(fā)現(xiàn)皮膚癌變。
4.


圖l為快速多光譜遙感偏振成像儀原理圖。圖2為系統(tǒng)工作流程圖。
5.
具體實施例方式
圖l所示為快速多光譜遙感偏振成像儀的原理圖，首先通過控制模塊(17)對系統(tǒng)進行初始化，根據(jù)要求設(shè)定光學(xué)產(chǎn)量振蕩器(1)的脈沖頻率、波長范圍等，多光譜相機(16)的接收頻率，為液晶波片(4)和(13)設(shè)定所施加的電壓(當(dāng)采用液晶濾光片(14)時也需要設(shè)置其電壓，以選擇合適的波長)，并設(shè)定液晶波片的組合規(guī)律，以及掃描裝置(21)的掃描范圍和掃描頻率。光學(xué)參量振蕩器發(fā)出的光首先經(jīng)過漫射體(2)，降低光的空間相干性，然 后通過格蘭激光棱鏡(3)產(chǎn)生完全線偏振光，經(jīng)過液晶可調(diào)波片(4)產(chǎn)生特
定狀態(tài)的偏振光，經(jīng)過光東整形器件(5)后，由反射鏡(6)反射和凹透鏡(7) 擴東后經(jīng)分光棱鏡(8)進入準直擴東望遠鏡(9)照射至目標。
目標的后向散射光經(jīng)過望遠鏡(9)接收后，通過分光棱鏡(8)，經(jīng)小孔 (10)消除背景雜散光，然后通過透鏡(11)準直后，經(jīng)格蘭激光棱鏡(12) 和液晶可調(diào)波片(13)組成的偏振狀態(tài)檢測器判斷偏振狀態(tài)后，再經(jīng)過光柵(14) 分光(或液晶濾光片(")濾光)后，經(jīng)透鏡(15 )聚焦到多光譜相機成像(16 )。 為了擴大成像范圍，整個接收裝置(21)可以進行水平掃描，該裝置的掃描可 以通過控制系統(tǒng)(17)控制步進電機實現(xiàn)。
由多光譜相機(16)接收到的信號可以直接通過顯示器(18)顯示，同時 還可以通過存儲器(19)存儲，及DSP信號處理器(20)進行噪聲消除和編碼處 理，實現(xiàn)目標的探測、識別和分類等功能。
假設(shè)光學(xué)參量振蕩器(1)發(fā)出的其中一個波長的光的Stokes矢量為s^t。d, 發(fā)射模塊中格蘭激光棱鏡(3 )的Muel ler矩陣為MP1(0)，液晶波片(4 )的Mueller 矩陣為Mc,(《,《)，接收模塊中格蘭激光棱鏡(12)的Mueller矩陣為Mp2(《)，液 晶波片(13)的Mueller矩陣為M"《,W。其中偏振片和波片的Mueller矩陣由 其光軸的角度^和相位延遲^決定。假設(shè)目標的Mueller矩陣為M^a，則多光譜 相機U6)接收到的光的Stokes矢量可以表示為
SD =MP2(《)MC2(《"2).MTarg,Mcl(^《).MP1(《).SEmitted ( 1 )
通過控制模塊(17)調(diào)節(jié)液晶波片的相位延遲，通過16次組合可以求得目 標的Mueller矩陣M、。t
附oo 附fll附02 w<
— 10 Ml / 12 附13 。、 丄v丄t豐= 、z 乂
附20 附21附22 附m
m30 m31 w32 州33
目標的強度為
8偏振度為
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對于其他波長的強度和偏振度的求法亦是如此。求得的強度和偏振度分別和波 片進行偽彩色編碼。整個系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。
權(quán)利要求
1.快速多光譜遙感偏振成像儀，該成像裝置由發(fā)射模塊、接收模塊、控制模塊，以及圖像處理和編碼模塊四部分組成，其特征在于發(fā)射部分可以產(chǎn)生多個波長的光波，通過偏振狀態(tài)產(chǎn)生裝置可以產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的入射光對目標進行照明，根據(jù)人造目標和自然目標背景的消偏振特性不同，通過探測目標的散射光的消偏振特性，可以提高目標的對比度。接收到的散射光經(jīng)過偏振狀態(tài)分析裝置可以對不同波長的、不同偏振狀態(tài)的光進行分析，然后對目標進行強度和偏振度的編碼?？刂苹芈穼θ肷涔饷}沖和成像設(shè)備進行同步，在不同的發(fā)射和接收頻率實現(xiàn)主動和被動成像的功能。圖像處理部分負責(zé)對目標的噪聲進行處理，提高圖像的分辨率。
2. 快速多光譜遙感偏振成像儀實現(xiàn)原理與方法，其特征在于多光譜偏振 成像儀可以工作在主動和被動模式，當(dāng)工作于被動成像模式時，系統(tǒng)的接收裝 置接收目標太陽散射光或自身輻射；當(dāng)工作于主動成像模式時，系統(tǒng)的入射光 偏振狀態(tài)可以自由控制。接收系統(tǒng)接收到目標的后向散射光中含有其表面特征、 材料特性等信息，根據(jù)目標的材料不同、表面粗糙度不同其對入射光的消偏振 程度也不一樣，因此根據(jù)目標的消偏振特性可以達到目標識別、探測以及分類 的目的。望遠鏡接收到的目標散射光經(jīng)過液晶濾光片或光柵分光后進入多光譜 相機，快速檢測入射光的偏振狀態(tài)，可以得到目標的多幅圖像，進而根據(jù)波長 的不同，及計算所得的強度和偏振度偏振度信息，利用圖像融合技術(shù)可獲得相 應(yīng)的強度、偏振度與波長的偽彩色圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速多光譜遙感偏振成像儀，其特征在于'.發(fā)射 系統(tǒng)由光源、漫射體、偏振產(chǎn)生裝置和光束整形部分組成。光源采用多波長光 學(xué)參量振蕩器，根據(jù)要求可以產(chǎn)生多個波長，漫射體用以降低入射光的空間相 干性，減小目標散射光干涉的影響，偏振產(chǎn)生裝置由格蘭偏振棱鏡和液晶可調(diào) 波片組成，通過調(diào)節(jié)波片可以產(chǎn)生任意偏振狀態(tài)的入射光，光東整形部分用于 調(diào)整入射光的形狀，使入射光均勻的照射到目標。光束整形后出射光經(jīng)過反射 鏡和分光棱鏡及準直擴東鏡照射到目標，接收裝置和發(fā)射裝置共用一個準直擴 東鏡，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速多光譜遙感偏振成像儀，其特征在于接收系統(tǒng)由偏振狀態(tài)檢測部分、光柵或液晶濾光片，以及多光譜相機組成。目標的散射光首先經(jīng)過小孔，消除雜散光的影響，然后經(jīng)過液晶可調(diào)波片和偏振片，快速調(diào)節(jié)波片的延遲可以短時間內(nèi)得到多幅不同偏振狀態(tài)的目標圖像，通過光柵分光或液晶濾光片可以得到所需波長的目標圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3和4，發(fā)射和接收系統(tǒng)共用同一望遠鏡，采用掃描的方式對目標進行照明和探測。 .
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速多光譜遙感偏振成像儀，其特征在于控制系統(tǒng)用于同步多波長光學(xué)參量振蕩器和多光譜相機，調(diào)節(jié)波片、濾光片選擇合適的偏振狀態(tài)和波片，以及設(shè)定掃描裝置的掃描范圍和掃描頻率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速多光譜遙感偏振成像儀，其特征在于信號處理部分用于圖像的顯示、存儲、編碼，以及噪聲處理。由于采用液晶可調(diào)波片和濾光片，可以在短時間內(nèi)得到目標不同偏振、不同波長的多幅圖像，通過編碼和噪聲處理可以得到目標的強度和偏振度圖像，利用偽彩色編碼，可以同時得到目標強度與波長，偏振度與波長的偽彩色編碼圖像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速多光譜遙感偏振成像儀，其特征在于該實驗裝置簡單，易于實現(xiàn)，通過更換光源和探測器還可用于氣溶膠探測，研究氣溶膠散射的消偏振特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速多光譜遙感偏振成像儀，該系統(tǒng)可以工作在主動和被動模式，通過控制入射光的偏振狀態(tài)和波長可以提高目標的探測能力。該系統(tǒng)主要有發(fā)射、接收、控制以及圖像處理四部分組成。發(fā)射部分主要由多波長脈沖光源、偏振模塊和光束整形、準直擴束部分組成；接收部分由掃描接收望遠鏡、偏振模塊，以及多光譜相機組成；控制系統(tǒng)主要控制發(fā)射和接收部分的偏振狀態(tài)，實現(xiàn)在多種偏振模式獲取圖像；圖像處理部分實現(xiàn)強度圖像以及偏振度圖像的偽彩色編碼。入射光的偏振狀態(tài)采用快速可調(diào)的液晶波片調(diào)節(jié)，通過掃描接收的方式擴大成像范圍，最后通過圖像處理消除噪聲，實現(xiàn)準實時強度和偏振度偽彩色編碼圖像。
文檔編號G01S17/00GK101526621SQ20091007775
公開日2009年9月9日 申請日期2009年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月16日
發(fā)明者張緒國, 江月松, 路小梅 申請人:北京航空航天大學(xué)