专利名称：高光谱全偏振三维成像集成探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于星载、机载和地面对地遥感及深空探测的高光谱全偏振三维成像集成探测系统。
背景技术：
光学遥感从本质上是光波和被测地物相互作用，从而影响光波的参量(幅度、频率、相位、偏振)，达到探测和识别目标的过程。遥感系统是一个涉及物理学、数学、大气、地学、海洋学等复杂系统，它所遵循的物理规律与传统的物理学有着本质的区别，深入研究遥感机理，是提高遥感应用水平的关键。然而，在遥感应用方面，数据爆炸和信息饥渴的矛盾仍十分显著，据NASA统计，到目前为止遥感所积累的关于地球表层的图象数据中只有不到5％的数据被使用过，究其原因，主要是目前遥感信息获取的手段太单一，只依靠象TM一类的多波段近垂直视获取地表信息，这种方式使许多有用信息被压抑。即使是备受关注的高光谱遥感器，也只能在有明显标志性吸收波段的一些特定问题上，如叶面积指数估算，叶绿素含量，岩性识别等方面有优越性，由于存在以下问题(1)受环境干扰，高光谱数据经常出现“同物异谱”和“同谱异物”现象；(2)地物二向性反射特性的干扰；(3)混合象元的存在还没有从机理上得到很好解决，因此高光谱遥感在其他应用领域还达不到人们的期望值。由此可见，从光波与地物相互作用的机理出发探讨获取地表信息的新方法是光学探测载荷研究的发展趋势，人们已经认识到多角度遥感，多极化数据等的加入会使有关地物的，物理的，几何的，生物学的参数便于反演。例如(1)在多角度遥感中，通过多个角度获取地物的光谱辐射强度和偏振信息，可以建立非理想均匀层和朗伯表面的数据反演模型，得出地物的光谱特征不仅与其组成成份等化学性质息息相关，而且还与这些地物本身的空间几何形状、表面粗噪度、含水量等物理特性紧密联系。与单一方向遥感相比，系统得到的不是二维平面的光学信息，而是包含地物实际三维结构信息的光学信息，因此，不仅可以提高物性分析的精度，还可获得地物的空间结构。(2)偏振是光学多极化信息，非偏振光束从光滑介质表面反射会产生部分偏振光，同时热辐射也会产生一定的偏振。偏振信息反映了被探地物的纹理，结构、粗糙度、含水量、材料的理化特性、各向异性等，不同物体反射光的偏振度是太阳高度角、观测角、方位角和测量波长的函数，因此，已有的偏振探测实验表明，偏振作为辐射探测的辅助手段，通过地物反射光偏振态的改变，可使目标表面的信息得到增强，突出目标更多的细节和现象，提高图象对比度，探测物体结构和纹理信息，提高识别精度等，是一种提高目标探测能力的很有潜力的方法。
多波段、多角度、多极化遥感在很多应用领域具有发展前景。例如(1)植物利用多角度高光谱信息可以探测叶面积指数、叶绿素含量等；通过多角度偏振中的偏振度及偏振角等参量的比较可得到树叶表面和里层信息，预测叶中的水分含量和长势。(2)大气利用多角度偏振光谱信息，可以有效地探测大气及气溶胶的厚度、颗粒尺度、密度、复折射率、化学成分等，有效地区分冰云和水云，对航空、气象、全球大气模型的建立以及提高遥感数据的大气校正精度具有重要意义。(3)海洋利用偏振光谱信息，可以有效地探测海岸带中叶绿素浓度、泥沙，海岸高低、海面风向，海面上空空气状况等信息。(4)矿物高光谱信息可以有效地进行岩性识别，针对岩石的偏振反射特征还有待于进一步深入研究。(5)军事目标由于偏振信息可以很好地区分自然和人造目标，因此，光谱偏振信息可以大大提高军事目标的探测能力和揭露伪装的能力，在战场效应评估方面也会发挥巨大作用。
目前虽然多波段、多方向、多极化的探测手段和遥感机理的研究还有很多问题有待于进一步研究和解决。如多角度遥感从多角度光学信息反演地物结构，但在建立地物结构、光学信息与太阳高度角、观测方位角的关系模型方面还是空白，目前还没有可同时提供空间结构、光谱和偏振的探测手段。另外，偏振探测中全偏振态的探测研究刚刚兴起，偏振探测机理的研究还远远不能满足实际的需要，可同时探测高光谱和全偏振态的探测仪器的研究刚刚起步，高分辨率、高精度的探测仪器的研制还尚未完成。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有探测技术多数只能探测单一目标参数的不足，提供了一种能实现象元尺度对应的三维空间、高光谱、偏振一体化测量功能的高光谱全偏振三维成像集成探测系统，该系统可提供目标像元尺度对应的三维空间、高光谱、全偏振信息，可大大提高系统的探测能力。
本发明的技术解决方案高光谱全偏振三维成像集成探测系统，其特点在于包括下列部件成像镜头，位于整个探测系统的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；声光可调谐滤波片AOTF，位于线性相位延迟器的后面，用于探测系统的光谱分光，通过控制电路与计算机相连；控制电路，用于改变加在声光可调谐滤波片AOTF的信号的频率值，从而实现AOTF的光谱分光功能，其一端与声光可调谐滤波片AOTF相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器LCVR和声光可调谐滤波片AOTF的偏振功能构成了可探测目标4个全斯托克斯分量功能的偏振测量组件；电子控制器，用于控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；焦平面阵列，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号送入图像采集卡；图像采集卡，用于将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；基于声光偏转器的自适应结构光投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率；计算机，是整个遥感系统的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的控制信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，实现了系统的成像光谱探测功能；同时控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；控制基于声光偏转器的自适应结构光投射装置向被测物表面投射多幅正弦光栅，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率，实现目标的三维形貌的测量；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，实现了偏振测量。
所述的基于声光偏转器的自适应结构光投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的平凸透镜聚焦产生正弦干涉波纹。
所述的线性相位延迟器LCVR由上下为硼硅酸盐或熔融石英材料制成的两块玻璃板，两块玻璃板中间填充液晶LC，液晶LC经玻璃内表面的磨面聚酰亚胺PI对齐，使液晶与玻璃平板平行。
本发明的工作原理是成像光谱的测量是AOTF是由压电换能器和沿适当方向切割的双折射单轴晶体组成，通过控制信号的频率信号来驱动压电换能器使晶体中传导超声波，超声波使得晶体内部的折射率发生周期性变化，这种超声波组成一列超声相位光栅，使得入射到双折射晶体中的光波中只有特定波长的光波能够满足特定的动量匹配条件而发生衍射，改变控制信号的频率，AOTF能够迅速改变通过的波长范围，在极短的时间内扫描整个光谱范围，从而实现成像光谱的测量。目标三维形貌的测量方法通过由正弦条纹投射装置向目标表面投射条状结构光，而后由图像采集系统拍摄经由目标表面反射调制后的结构光，由该结构光的相位信息解算出目标表面的三维形貌，由计算机控制加在AOTF上控制电路的信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像。顺序改变控制信号频率，序列采集不同波长处的目标，得到如图2中的数据立方体，即得目标的波谱信息，由于结构光投射装置投射的结构光采用激光作为光源，所以结构光条纹在被测物体表面的反射光的谱线宽度很窄，一般为2nm左右。设其波长为632.8nm，如果抽取图像立方体中632.8nm光谱段的图像，这样就可把经物体表面反射的调制条纹图像从数据立方体中提取出来，经过一系列图像处理运算得到目标的三维形貌。偏振测量是偏振测量组件由电压控制的可变液晶相位延迟器LCVR以及其后面的一个线性滤波片LP构成，调整LP的方向让水平偏振光通过，由计算机控制相位延迟器的延迟值，设置4组不同的相位延迟值采集图像得到4个图像强度值，得到一个线性方程组，利用矩阵反演得到全斯托克斯Stokes矢量4个分量I，Q，U和V的值。
本发明与现有技术相比具有如下优点(1)克服现有探测技术多数只能探测单一目标参数的不足，使用同一个焦平面阵列采集目标的三维空间、高光谱、全偏振信息，提供目标像元尺度对应的三维空间、高光谱、全偏振信息，是遥感探测领域的一个飞跃式的进步，可大大提高系统的探测能力和适应能力，有效解决目前遥感领域数据爆炸与信息饥渴的矛盾。
(2)利用声光可调谐滤波片AOTF实现光谱分光功能，相位延迟器LCVR和AOTF的偏振特性实现系统的偏振测量功能，采用基于声光偏转器的自适应结构光投射装置向被测目标投射正弦条纹，系统全部探测功能都使用电控器件，无需机械移动装置，大大提高系统的可靠性和寿命；(3)由于同时利用光波的幅度、频率、相位、偏振等全光参量，获得被测物多维信息，通过信息融合，深化遥感机理研究，可大大提高系统的探测能力。
图1为本发明的系统组成结构框图；图2为本发明的声光可调谐滤波片AOTF的工作示意图；图3为本发明的波矢量在TeO2AOTF中相互作用原理图；图4为本发明的AOTF波长选择原理图；图5为本发明的AOTF内部结构与光矢量和超声矢量的对照图；图6为本发明的三维形貌测量原理示意图；图7为本发明的基于声光偏转器的自适应结构光投射装置结构示意图；图8为本发明的本发明的线性相位延迟器结构示意图；图9为本发明的测量流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由成像镜头，基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置、焦平面阵列、图像采集卡、声光可调谐滤波片AOTF、控制电路、线性相位延迟器LCVR、电子控制器、计算机组成，成像镜头位于整个遥感系统的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；基于声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦条纹，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率，线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器LCVR和声光可调谐滤波片AOTF的偏振功能构成了本遥感系统的偏振测量组件，通过电子控制器与计算机连接，声光可调谐滤波片AOTF位于线性相位延迟器LCVR的后面，用于光谱分光功能，与计算机的串口相连；焦平面阵列为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号送入图像采集卡；图像采集卡将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；电子控制器控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；计算机为整个系统的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的控制信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，实现了系统的成像光谱探测功能；同时控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；控制基于声光偏转器的自适应结构光投射装置向被测物表面投射多幅正弦光栅，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率，实现目标的三维形貌的测量；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，实现了偏振测量。
目前广泛使用的方法是使用多个探测系统放在一个平台上进行目标的探测，这样也可实现目标的三维、光谱和偏振信息的获取，但因为不是使用同一个光电转换器件，这些值需要匹配，相互之间很难对应起来，本发明使用同一个焦平面阵列实现目标的三维、光谱和偏振信息的同时获取，无须匹配，就可实现目标像素级对应的三维、光谱和偏振信息。
如图2所示，对于成像光谱的测量，本发明使用分光元件为声光可调谐滤波片AOTF 5，AOTF的工作原理是使光束和超声波在透明介质里相互作用。AOTF是由压电换能器和沿适当方向切割的双折射单轴晶体组成。通过控制信号来驱动压电换能器使晶体中传导超声波。超声波使得晶体内部的折射率发生周期性变化。这种超声波组成一列超声相位光栅，使得入射到双折射晶体中的光波中只有特定波长的光波能够满足特定的动量匹配条件而发生衍射。通过改变控制信号的频率AOTF能够迅速的改变通过的波长范围，在极短的时间内扫描整个光谱范围。
这种声光相互作用不仅仅只是具有选择单一波长的光的作用，同时它也改变了衍射光的偏振状态。这种单轴晶体作为AOTF晶体介质使入射的自然光分为两束(o光和e光)，它们的偏振方向正交，传播速度和方向不同。图3所示为一个典型的AOTF工作图，当一束自然光以入射角度θi直接入射到AOTF的晶体内，该光束中波长满足式(1)条件的光才可能发生衍射。
krd=kra±kri---(1)]]>其中 为分别为衍射光和入射光矢量； 为超声矢量。
|kri|=2πniλ,|krd|=2πndλ,|kra|=2πfV---(2)]]>式中λ是光波长；f为超声频率；V是声波在晶体内的传播速度；ni，nd分别为入射光和衍射光的折射率，它们满足以下关系1ni2=cos2θino2+sin2θine2---(3)]]>TeO2AOTF的双折射晶体的波长矢量椭球，入射光矢量 在超声矢量 的作用下，变为偏振态相互垂直的o光衍射光kdo和e光衍射光kde。遮挡e光衍射光kde和未发生衍射的少部分光，则出射光即为具有很窄带宽的线偏振光。
AOTF波长选择原理如图4所示，含有不同波长的光射入AOTF，当超声波矢量为kaf1时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有kdλ1，因此就只有波长为λ1的光穿过AOTF，依此类推，当超声波矢量为kafn时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有kdλn，因此也就只有波长为λn的光穿过AOTF。这样，AOTF就起到了分光滤波的作用。
如图5所示，如果将光矢量图和超声矢量图与非同向声光互作用AOTF结构图放在一起，并对应了相同角度，可以直观得到声光相互作用的原理，及其中各个矢量之间的角度对应关系。
在AOTF结构图里，特别调整了出射平面的角度，这样可以使不同波长的光波发生衍射后，虽然衍射角不同，但是出射光的方向却相同。从而有效减小了不同波长所对应的图像之间纵向像差。
从以上原理分析可以看出，AOTF作为分光器件，可以很好地完成系统对目标的光谱信息测量功能。
对于三维形貌测量，本发明采用投影栅相位法进行目标的三维测量，如图6，声光偏转器的自适应正弦条纹投射装置将条纹光投射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像，该三维图像由处于另一位置的图像采集系统探测，从而获得光条二维畸变图像，光条的畸变程度取决于结构光投射器与图像采集系统之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上，沿光条显示出的位移(或偏移)与物体表面高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙，当声光偏转器的自适应结构光投射装置与图像采集系统之间的相对位置一定时，由畸变的光条图像坐标便可重现物体表面形廓。变形光栅的光强一般形式为I(x，y)＝γ(x，y){IDC+Imcos[Φ(x，y)]} (4)其中γ(x，y)为投射光栅区域的反射系数；IDC为光栅正弦条纹的直流分量；Im为系统对比度；Φ(x，y)为相位，它是目标形状h(x，y)的函数。采用三相算法，使条纹相位φ为{φ＝0，φ＝π/2，φ＝π}的三种正弦投射光栅图像，进行相位解算。相位Φ(x，y)可以根据三幅相差π/2的CCD像点的灰度值I0，Iπ/2，Iπ来确定，公式如下I0＝γ(IDC+ImsinΦ)Iπ/2＝γ(IDC+ImcosΦ) (5)Iπ＝γ(IDC-ImsinΦ)Φ=tan-1[I0-Iπ2Iπ/2-(I0+Iπ)]---(6)]]>求出Φ(x，y)后，因为它是目标形状h(x，y)的函数，根据标定出的摄像机模型和传感器的结构参数，就可计算出目标表面点的三维坐标。
如图7所示，基于声光偏转器的自适应结构光投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的平凸透镜聚焦产生正弦干涉波纹，所产生的正弦干涉条纹的相位和间距分别由激光器调制信号与声光驱动信号的相位差和声光偏转器两个驱动信号间的频差有关。当激光光束进入声光偏转器后，混频信号将入射光束分成两束，随着前端驱动信号的增大，两光束的夹角也变大，所得到的干涉条纹的周期变小，即使得条纹变细、间距变小。当前端驱动信号减小，两光束的夹角变小，所得到的条纹变粗、间距变大。调制激光器的控制信号和声光偏转器的控制信号之间存在相位差，使得两光束在声光偏转器中的传播的时间不同，产生恒定的相位差，这样就使经透镜汇聚后的两光点产生恒定的相位差，干涉条纹的相位因此就可以通过改变控制信号的相位差来改变，可以实现驱动信号的自动控制，达到不移动任何部件而完成投射条纹的相位和间距变化。
对于偏振的测量，本发明的偏振测量组件由两块电压控制的可变液晶相位延迟器LCVR以及AOTF本身所具有的线性滤波面LP构成，调整AOTF的方向只让水平偏振光通过。LCVR的固定轴方向与AOTF的偏振面LP方向成0度～180度范围内的一个角度。根据系统所测量的四个斯托克斯分量的信噪比均衡性可对这三个偏振方向的夹角进行优化设计，得到最佳夹角。
如图8所示，线性相位延迟器LCVR由上下两边是硼硅酸盐或熔融石英材料制成的两块玻璃板，玻璃板被分立于两端的间隔装置分开，中间填充液晶LC，液晶LC经玻璃内表面的磨面聚酰亚胺PI对齐，使得液晶与玻璃平板平行。LCVR的电子控制器为高精度精密稳压电源，与一般电压源原理相同。采用Muller矩阵运算来表征通过AOTF的偏振面LP的透射光。从LP出来的光可用Stokes矢量S0＝(LP)(VR)Si来表示，其中Si＝(I，Q，U，V)是按传统符号表示的(未知的)输入Stokes矢量，亦即I是未偏振光的光强，Q是水平线偏振减垂直线偏振，U是45°线偏振减135°线偏振，V是右旋圆偏振减左旋圆偏振的差值。
为了找到输入Stokes矢量的4个分量，设置4组不同的相位延迟值采集图像得到4个I0值，得到一个线性方程组，利用对Si的反演Si＝(B)-1I0得到入射光的四个4个分量，其中(B)行是对应于4对延迟值(δ，Δ)的上面每个方程中变量I，Q，U和V的系数。
如图9所示，本发明计算机对被测目标的采集及数据处理过程为首先设置LCVR的相位延迟值都为0°，改变AOTF的RF驱动频率，使其从初始波长位置开始逐步扫描直到结束波长，从中提取数据立方体中与基于声光偏转器的自适应结构光投射装置中的调制激光器波长相同的图像，进行一系列图像数据处理后获得目标的三维信息；然后依次改变LCVR的相位延迟值°，改变AOTF的RF频率使其在全部波长范围内扫描采集图像，得到一景图像中任一像素在各个波长的4个I0值，解线性方程组就可得4个像元尺度对应的目标高光谱Stokes偏振分量值，这样就可获得一景图像中每一像元上像元尺度对应的高光谱、全偏振和三维空间信息。
权利要求
1.高光谱全偏振三维成像集成探测系统，其特点在于包括如下部分成像镜头，位于整个探测系统的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；声光可调谐滤波片AOTF，位于线性相位延迟器的后面，用于探测系统的光谱分光，通过控制电路与计算机相连；控制电路，用于改变加在声光可调谐滤波片AOTF的信号的频率值，实现AOTF的光谱分光功能，其一端与声光可调谐滤波片AOTF相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器LCVR和声光可调谐滤波片AOTF的偏振功能构成了可探测目标4个全斯托克斯分量功能的偏振测量组件；电子控制器，用于控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；焦平面阵列，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号送入图像采集卡；图像采集卡，用于将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；基于声光偏转器的自适应结构光投射装置，用于向被测物表面投射多幅正弦光栅，通过计算机控制所投射正弦条纹的相位和频率；计算机，是整个遥感系统的核心部件，用于控制加在AOTF上控制电路的RF频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像；用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理。
2.根据权利要求1所述的高光谱全偏振三维成像集成探测系统，其特征在于所述的基于声光偏转器的自适应结构光投射装置由声光偏转器、调制激光器、驱动信号电路和光学系统组成，驱动信号电路产生两路信号，一路驱动声光偏转器，另一路用于驱动调制激光器，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经光学系统中的平凸透镜聚焦产生正弦干涉波纹。
3.根据权利要求1所述的高光谱全偏振三维成像集成探测系统，其特征在于所述LCVR的固定轴方向与AOTF的偏振面LP方向成0度～180度范围内的一个角度。
全文摘要
高光谱全偏振三维成像集成探测系统，包括成像镜头、声光可调谐滤波片AOTF、控制电路、线性相位延迟器LCVR、电子控制器，用于控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值、焦平面阵列、图像采集卡、基于声光偏转器的自适应结构光投射装置及计算机，计算机是整个遥感系统的核心部件，它发出控制指令控制加在AOTF上的RF驱动频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像；计算机还发出控制指令控制加在LCVR的驱动电压，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理。本发明实现了像元尺度对应的三维空间、高光谱、偏振一体化测量功能，且具有很好的适应能力，大大提高系统的探测能力。
文档编号G01S7/48GK1900741SQ20051008692
公开日2007年1月24日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者赵慧洁, 屈玉福, 殷雪冰, 李娜, 贾国瑞 申请人:北京航空航天大学