一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法
【专利摘要】本发明公开了一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，包括步骤：由入射辐射确定各像元的响应规律；确定微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在探测器阵列上的响应区域；采集响应区域像元的响应对比度极值和相对应的坐标位置，拟合各个偏振响应像元的相位角，并根据相位角对像元所属的偏振通道进行划分；根据各通道响应的偏振通道求取得出各偏振通道在每个微透镜后的质心位置；对质心位置进行直线拟合得到多条拟合直线；求取所有拟合直线的交点得到各偏振通道在微透镜下的成像位置。本发明具有如下优点：可以得到各通道在探测器像面上的精确位置，能够有效消除直接提取像元响应极值作为通道响应所引入的误差，提取的通道信息更加准确。
【专利说明】
一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光学成像仪的定标数据处理技术领域，具体涉及一种偏振多光谱成像 系统的偏振通道定标方法。
【背景技术】
[0002] 偏振多光谱成像遥感作为一种新的探测手段，能够获得目标的光谱信息和偏振信 息，对这些信息进行综合利用，能有效地提高目标探测和识别的性能，特别针对一些经过隐 蔽、伪装等手段遮盖的目标，在军事及民用领域都有着广泛的应用。而偏振多光谱成像遥感 技术是光谱成像技术与偏振成像技术相结合，需要能够同时获取目标的偏振信息和光谱信 息。常规的偏振探测方式可以分为时序型、干涉型和空域型，由于偏振成像探测需要获取目 标在不同偏振态下的响应信息，因此为了同时获取偏振信息，空域型偏振成像探测又分为 分振幅、分孔径和分焦面等形式。为了保证对目标的偏振信息和光谱信息的同时获取，光场 偏振多光谱成像系统能够很好地实现这一目的。
[0003] 与传统成像不同，光场成像能实现二维探测器像面来同时记录光场的四维信息， 即二维位置分布和二维传输方向。光场偏振多光谱成像系统是通过在光场成像系统的瞳面 处放置光谱窄带滤光片和不同偏振态的偏振片组合而成的阵列，通过对孔径进行划分和调 制实现不同偏振态信息和景物的光谱信息的同时获取，最终在探测器像面上得到光谱信息 和偏振信息的同时采集。为了得到目标的偏振信息，需要从探测器像面上提取出每个偏振 态的图像信息。但由于成像过程中，由于结构加工误差、光学衍射、微透镜阵列耦合精度以 及滤光片阵列加工精度等因素影响，使得每个微透镜下的偏振响应不是理想位置，会发生 一定偏移，此外由于光谱信息对偏振信息有叠加影响，无法实现偏振通道位置的精确定位， 最终影响偏振图像信息的精确重构。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方 法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种偏振多光谱成像系统的偏振通道 定标方法，包括以下步骤:SI:由已知入射辐射确定光场偏振成像系统中各像元的响应规 律，所述光场偏振成像系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵列，所述主 镜上设置有偏振滤波阵列，所述光源发出的光线经过所述主镜上的偏振滤波阵列时，在每 个子孔径处分别得到不同的偏振滤光，再经所述微透镜阵列成像后被所述探测器阵列的相 应的像元接收;S2:根据所述光场偏振成像系统中各像元的响应规律，确定所述微透镜阵列 中每个微透镜下偏振通道在所述探测器阵列上的响应区域;S3:采集各偏振通道对响应区 域像元的响应对比度极值和相对应的坐标位置，拟合各个偏振响应像元的相位角，并根据 相位角对像元所属的偏振通道进行划分;S4:根据所述各通道响应在探测器像面的坐标位 置所属的不同偏振通道分别进行质心求取得出各偏振通道在每个微透镜后的质心位置； S5:对所述每个微透镜后的质心位置进行直线拟合得到多条拟合直线；以及S6:求取所有拟 合直线的交点得到各偏振通道在微透镜下的成像位置。
[0007] 根据本发明实施例的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，通过建立系统成 像原理模型，分析像元响应特点，分离偏振和光谱通道之间的初步干扰，然后根据像元响应 曲线的特点进行偏振通道分离，最后得出偏振通道在每个微透镜后的成像像元位置，利用 质心求取算法，得到每个微透镜后不同偏振通道的质心位置，利用最小二乘拟合法对各通 道的坐标位置进行直线拟合，从而得到各通道在探测器像面上的精确位置，能够有效消除 直接提取像元响应极值作为通道响应所引入的误差，提取的通道信息更加准确。
[0008] 另外，根据本发明上述实施例的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，还可 以具有如下附加的技术特征：
[0009] 进一步地，步骤Sl进一步包括:SlOl:根据已知光线福射规律确定偏振通道响应表 达一般形式；以及S102:根据所述光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式。
[0010] 进一步地，所述确定所述微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在所述探测器阵列 上的响应区域进一步包括:设定对比度阈值；以及当像元的对比度值大于所述对比度阈值 时，判断其为偏振通道，记录下每一个偏振响应位置的区域坐标位置和响应值。
[0011] 进一步地，在步骤S3中，采用以下公式对每个偏振响应像元进行拟合出其初相位Θ (x,y；s,t)：
[0012]
[0013] 兵甲，l(x,y;s,t)(H)73个冋用皮?叮採测益上呆僦透镜下覆盖像元的响应，（ X,y)为 探测器上的像素点位置，（S，t)为相对应的微透镜阵列中的二维坐标，A为拟合的响应幅值， 供为该像元的初相位，C为拟合出的响应常量。
[0014] 进一步地，步骤S5进一步包括:采用最小二乘法逐行和逐列拟合出每一行和每一 列成像位置的拟合直线。
[0015] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0016] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0017] 图1是本发明的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法的流程图；
[0018] 图2是本发明一个实施例的光场偏振成像系统的原理示意图；
[0019] 图3是本发明一个实施例的定标光路的结构示意图；
[0020] 图4是本发明一个实施例的不同偏振通道在每个微透镜下成像位置示意图；
[0021] 图5是本发明一个实施例的每一行微透镜中某一偏振通道的成像直线拟合位置示 意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0023]在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性。
[0024]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可 以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0025] 参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述 和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施 例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的 实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0026] 以下结合附图描述根据本发明实施例的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方 法。
[0027] 请参考图1，一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，包括以下步骤：
[0028] SI:由已知入射辐射确定光场偏振成像系统中各像元的响应规律。请参考图2,在 本发明的实施例中，光场偏振成像系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵 列，主镜上设置有偏振滤波阵列，光源发出的光线经过主镜上的偏振滤波阵列时，在每个子 孔径处分别得到不同的偏振滤光，再经微透镜阵列成像后被探测器阵列的相应的像元接 收。
[0029] 在本发明的一个实施例中，步骤Sl进一步包括以下步骤：
[0030] SlOl:根据已知光线辐射规律确定偏振通道响应表达一般形式。
[0031] S102:根据光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式。
[0032] S2:根据光场偏振成像系统中各像元的响应规律，确定微透镜阵列中每个微透镜 下偏振通道在探测器阵列上的响应区域。
[0033] 在本发明的一个实施例中，确定微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在探测器阵 列上的响应区域的过程进一步包括：
[0034]设定对比度阈值；
[0035] 当像元的对比度值大于对比度阈值时，判断其为偏振通道，记录下每一个偏振响 应位置的区域坐标位置和响应值。
[0036] 具体地，光线经过不同的滤光片后，会在每个微透镜后特定的区域响应，根据像元 的响应曲线，可以判断像元被调制的种类，即是否经过偏振滤波片调制，亦或经过光谱滤光 片调制。在本发明实施例中，通过设定对比度作为判据，对每个像元进行判别，从而提出整 幅探测器像面上的偏振响应位置。请参考图3,本发明例中的定标光路由积分球、线性偏振 片，光场偏振多光谱成像仪组成。
[0037] 的积分球出口光源为均勾非偏光，经过的线性偏振片和光场偏振多光谱成像仪 后，最终会在探测器像面上响应。设定初始角度转动位置，然后以步长A Θ(初始值为1°)转 动线性起偏器一周，获得Ν(360° / Δ Θ)组像元响应，数据记作DNm(x，y ;s，t)k(k = l，2,… 360)，其中（x，y)为探测器上的像素点位置，（s，t)为相对应的微透镜阵列中的二维坐标，m (m = 1，2，3)则为的偏振通道标记。对每一个像素点位置上的像元响应DNm (X，y; s，t)进行分 析，计算出每一个像素点的对比度以1，7;8,〇。然后，去除图3中的线性偏振片，采集不同积 分球亮度下的光场图像I。
[0038] 根据步骤Sl中的偏振像元的响应表达式和非偏像元响应一般形式，利用该步骤中 提到的对比度判据，设定对比度阈值τ(本实施例中选用τ = 0.25)，当像元的对比度值大于 阈值时，判断其为偏振通道，记录下每一个偏振响应位置的区域坐标位置和响应值。
[0039] S3:采集各偏振通道对响应区域像元的响应对比度极值和相对应的坐标位置，拟 合各个偏振响应像元的相位角，并根据相位角对像元所属的偏振通道进行划分。
[0040] 在本发明的一个实施例中，采用以下公式对每个偏振响应像元进行拟合出其初相 位9(x，y;s，t):
[0041 ] ^(x.y,s,t}\^ ~ ^ (β Ψ(χ,γ]Χ,?')) ^(x,y;s,t)
[0042] 其中，l(x,y;s,t)(0)为不同角度Θ时探测器上某微透镜下覆盖像元的响应，（ X，y)为 探测器上的像素点位置，（S，t)为相对应的微透镜阵列中的二维坐标，A为拟合的响应幅值， 妒为该像元的初相位，C为拟合出的响应常量。
[0043] 根据拟合出的初相位值大小，对偏振通道下的响应像元进行通道区分，从而得到 偏振响应像元所对应的偏振响应通道，即确定步骤S2中的m。
[0044] S4:根据各通道响应在探测器像面的坐标位置所属的不同偏振通道分别进行质心 求取得出各偏振通道在每个微透镜后的质心位置。
[0045] 具体地，根据步骤S1-S3,可以得到每个微透镜下的不同偏振通道的响应像元位 置，提取出去（去）除线性偏振片后所获取光场图像上的相对应像元位置的能量响应，并利 用质心求取算法，得到不同偏振通道在每个微透镜下成像位置。
[0046] 如图4所示，在本发明的一个示例中，图4左边图像'〇'代表偏振通道1在每个微透 镜下的成像质心位置，代表偏振通道2在每个微透镜下的成像质心位置，' + '代表偏振通 道3在每个微透镜下的成像质心位置。
[0047] S5:对每个微透镜后的质心位置进行直线拟合得到多条拟合直线。
[0048] 在本发明的一个实施例中，采用最小二乘法逐行和逐列拟合出每一行和每一列成 像位置的拟合直线。
[0049] 具体地，为了消除光谱信息干扰，以及仪器系统装调等误差影响，根据第四步所求 取的质心位置，采用最小二乘直线拟合方法，逐行和逐列拟合出每一行和每一列成像位置 的拟合直线。
[0050] S6:求取所有拟合直线的交点得到各偏振通道在微透镜下的成像位置。
[0051] 具体地，请参考图4的右侧图像(参考图4图像），任意选取的偏振通道1在第200行 微透镜下的成像质心位置(*画出的线段），经过最小二乘直线拟合后变为图4右边图像（图 5)中的直线。假设微透镜阵列的大小MXN，则对应于整幅微透镜阵列而言，即可以拟合得到 M条水平拟合直线，以及N条竖直拟合直线，求取上述直线的交点，得到MXN个分布在探测器 像面上的成像点位置，作为该偏振通道在微透镜阵列下的最终成像位置。利用同样的方法， 对其他的m-Ι个偏振通道开展相类似的处理过程，最终实现全部偏振通道在每个微透镜下 的成像位置信息。
[0052]另外，本发明实施例的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法的其它构成以及 作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
[0053]在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0054]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，其特征在于，包括以下步骤： SI:由已知入射辐射确定光场偏振成像系统中各像元的响应规律，所述光场偏振成像 系统包括依次设置的光源、主镜、微透镜阵列和探测器阵列，所述主镜上设置有偏振滤波阵 列，所述光源发出的光线经过所述主镜上的偏振滤波阵列时，在每个子孔径处分别得到不 同的偏振滤光，再经所述微透镜阵列成像后被所述探测器阵列的相应的像元接收； S2:根据所述光场偏振成像系统中各像元的响应规律，确定所述微透镜阵列中每个微 透镜下偏振通道在所述探测器阵列上的响应区域； S3:采集各偏振通道对响应区域像元的响应对比度极值和相对应的坐标位置，拟合各 个偏振响应像元的相位角，并根据相位角对像元所属的偏振通道进行划分； S4:根据所述各通道响应在探测器像面的坐标位置所属的不同偏振通道分别进行质心 求取得出各偏振通道在每个微透镜后的质心位置； S5:对所述每个微透镜后的质心位置进行直线拟合得到多条拟合直线；以及 S6:求取所有拟合直线的交点得到各偏振通道在微透镜下的成像位置。2. 根据权利要求1所述的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，其特征在于，步骤 Sl进一步包括： SlOl:根据已知光线辐射规律确定偏振通道响应表达一般形式；以及 S102:根据所述光场偏振成像系统确定偏振通道响应的具体表达形式。3. 根据权利要求2所述的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，其特征在于，所述 确定所述微透镜阵列中每个微透镜下偏振通道在所述探测器阵列上的响应区域进一步包 括： 设定对比度阈值；以及 当像元的对比度值大于所述对比度阈值时，判断其为偏振通道，记录下每一个偏振响 应位置的区域坐标位置和响应值。4. 根据权利要求1所述的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，其特征在于，在步 骤S3中，采用以下公式对每个偏振响应像元进行拟合出其初相位Θ (X , y ; s，t):其中，IU,y;s,t)(9)为不同角度Θ时探测器上某微透镜下覆盖像元的响应，U，y)为探测 器上的像素点位置，（s，t)为相对应的微透镜阵列中的二维坐标，A为拟合的响应幅值，妒为 该像元的初相位，C为拟合出的响应常量。5. 根据权利要求1所述的偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法，其特征在于，步骤 S5进一步包括:采用最小二乘法逐行和逐列拟合出每一行和每一列成像位置的拟合直线。
【文档编号】G01J3/28GK105890761SQ201610341317
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】袁艳, 胡亮, 苏丽娟
【申请人】北京航空航天大学