基于单片面阵CMOS探测器的偏振多光谱航摄仪的制作方法

本发明属于空间遥感与测绘技术领域，涉及的一种基于单片面阵cmos探测器的偏振多光谱航摄仪。

背景技术：

光学遥感技术根据对探测目标反射电磁波的不同特性分为强度遥感、光谱遥感以及偏振遥感，近些年来，又发展了以立体测绘为目的的三线阵探测技术，并已成功在卫星、航空飞机上获得应用。以上遥感技术分别能够从不同方面获取目标的信息，通过不同信息的融合，可以获取目标更多的信息。光谱探测技术相对较为成熟，三线阵立体探测一般通过具有一定交会角度的三个光学系统，获取目标不同方向的信息的方式去实现，这样的系统重量大，不适合无人机等平台的工作环境。偏振探测要求获取的目标偏振信息的实时性高，旋转偏振片的方式同时性较差，分振幅、分孔径以及分焦平面等方式获取的偏振信息同时性较高，但是成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于单片面阵cmos探测器的偏振多光谱航摄仪。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于单片面阵cmos探测器的偏振多光谱航摄仪，由左至右依次包括：大视场光学成像系统、带通滤光片、偏振分光膜、面阵cmos探测器以及电子学处理电路；其中：

大视场光学系统，其由依次排列的第一透镜至第八透镜，以及第十透镜至第十六透镜共15个球面透镜组成，其中第一透镜、第四透镜、第六透镜、第八透镜、第十一透镜、第十三透镜、第十五透镜、第十六透镜为正透镜，第二透镜、第三透镜、第五透镜、第七透镜、第十透镜、第十二透镜、第十四透镜为负透镜，孔径光阑位于第八透镜和第十透镜之间；

面阵cmos探测器，其用作焦平面阵列，通过cmos探测器的开窗功能实现面阵器件代替线阵器件，进而提高焦平面组件的安装集成精度。

在上述技术方案中，通过面阵cmos探测器的开窗实现对目标的前视、正视以及后视探测。

在上述技术方案中，通过单镜头与面阵cmos探测器相结合的方式实现三线阵立体测绘。

在上述技术方案中，通过在探测器保护窗口镀不同偏振方向的偏振分光膜以实现偏振特性的获取，实现多光谱偏振探测。

在上述技术方案中，对目标进行偏振探测时，需要获得目标反射光的斯托克斯矢量s＝[i，q，u，v]；通过在面阵cmos探测器的正视区域镀偏振方向为0°、90°45°以及135°的偏振分光膜，获得目标在这四个偏振方向的偏振光强，根据公式(1)得到目标反射光的偏振状态；

其中，i0°，i90°，i45°，i135°分别为偏振方向为0°、45°、90°以及135°方向的偏振光强，进而可以由公式(2)解算出反射光的偏振度与偏振方位角，从而获得目标的偏振数据与图像；

本发明具有以下的有益效果：

本发明的基于单片面阵cmos探测器的偏振多光谱航摄仪是一种多功能推扫式三线阵航摄仪，在仅使用一个光学系统的条件下，可以获取目标光谱、几何、偏振以及空间立体信息，同时具有体积小、重量轻、集成度高以及获取信息丰富的优点。

本发明的基于单片面阵cmos探测器的偏振多光谱航摄仪的系统视场可达到83.7°，同时有效地消除了畸变、色差，同时光路达到准像方远心，具有较高的成像质量。

为了实现多种探测方式的融合，同时实现遥感器的轻、小型化，本发明通过一个超大视场、准像方远心光学系统与单片大规模面阵cmos探测器相结合的方式，利用cmos器件支持开窗的特性，有效地了减小光电成像系统的重量，降低了焦平面的安装难度，该系统应用于航空航天遥感时可以同时获取多维度的信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为航摄仪系统结构示意图。

图2为光学系统结构示意图。

图3为面阵探测器实现立体测绘原理示意图。

图4为多光谱偏振探测原理示意图。

图中的附图标记表示为：

1、4、6、8、11、13、15、16为正透镜；2、3、5、7、10、12、14为负透镜；9-孔径光阑；17-熔石英；18-探测器保护窗口；19-像面；

20-大视场光学成像系统；21-带通滤光片；22-偏振分光膜；23-面阵cmos探测器；24-电子学处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明为一种新型光学遥感系统，同时具备光谱探测，偏振探测以及三线阵立体成像探测的能力，整个系统由左至右依次包括：大视场光学成像系统20、带通滤光片21、偏振分光膜22、面阵cmos探测器23以及电子学处理电路24。

为了实现该光学遥感系统多方面信息获取的能力，要求光学系统具有较高的成像指标，主要包括：(1)配合探测器使用的光学系统应具备较高的空间分辨力；(2)光学系统具有良好的成像质量，主要包括色差、畸变等像差的校正；(3)为保证仪器的工作效率，系统应该有较大的视场；(4)为了保证不同视场的成像质量，要求设计的系统为像方远心结构。结合上述四点要求，设计的大视场光学系统结构由依次排列的第一透镜1至第八透镜8，以及第十透镜10至第十六透镜16共15个透镜组成，光学系统结构如图1和2所示，其中第一透镜1、第四透镜4、第六透镜6、第八透镜8、第十一透镜11、第十三透镜13、第十五透镜15、第十六透镜16为正透镜，第二透镜2、第三透镜3、第五透镜5、第七透镜7、第十透镜10、第十二透镜12、第十四透镜14为负透镜，孔径光阑9位于第八透镜8和第十透镜10之间，光学系统与探测器之间分别是熔石英17平行平板与探测器保护窗口18，材料为bk7。像面19位于探测器保护窗口18的右侧。

设计的光学系统的视场为83、7°，焦距40mm，以无人机作为平台时在典型航高400m的条件下分辨率可以达到0.05m。沿着光束传播方向，光线依次经过第一透镜1至第八透镜8，孔径光阑9，第十透镜10至第十六透镜16以及熔石英17和探测器保护窗口18，并成像在像平面。其中光学元件均为球面透镜，所用的光学材料包括h-zk11、h-lak2、zf13、h-fk61、h-zbaf3、zf6、h-zk9a。光学系统的设计中包含三组双胶合透镜以及一组三胶合透镜，通过胶合透镜的使用可以有效地校正系统的色差与畸变。通过合理优化以上光学元件的间距、半径，使得光学系统达到准像方远心，畸变与色差校正良好。奈奎斯特频率处传递函数达到0.42，实现了宽波段消色差，并且系统的畸变小于0.04％。

不同视场的光通过光学系统以后，通过滤光膜实现不同谱段的分离，实现多光谱探测能力。具体实现方式为：在熔石英17表面镀不同谱段的带通滤光膜，光线通过滤光膜后，成像在探测器的像元上，应用cmos探测器支持开窗口的特性通过对读出电路进行设计，选择性地对像素进行读出，进而通过平台运动实现推扫成像。在熔石英上镀多条带通滤光膜，即可实现多光谱成像。本系统共设计了7个成像谱段，其中，中心视场以及前后边缘视场对应可见光全色谱段，其它4个谱段设置在正视方向。带通滤光膜的设置如图3所示。

根据设置的三个全色谱段，可以实现三线阵立体探测，其实现机理如图4所示。沿着平台运动的方向，对同一目标进行探测时，系统的前视、正视以及后视方向的视场依次对目标进行成像。结合相机的内、外方位元素可以对目标进行立体测绘。

对目标进行偏振探测时，需要获得目标反射光的斯托克斯矢量s＝[i，q，u，v]。对于自然目标，一般认为圆偏振分量v可以忽略，即只需要获得斯托克斯矢量的前三个分量。通过在cmos成像探测器的正视区域镀偏振方向为0°、90°45°以及135°的偏振分光膜，获得目标在这四个偏振方向的偏振光强，根据公式(1)得到目标反射光的偏振状态。

其中，i0°，i90°，i45°，i135°分别为偏振方向为0°、45°、90°以及135°方向的偏振光强，进而可以由公式(2)解算出反射光的偏振度与偏振方位角，从而获得目标的偏振数据与图像。

偏振探测的具体实现方式为在面阵cmos探测器的正视部分镀偏振方向为0°、45°、90°以及135°四个偏振方向的偏振分光膜，平台经过目标时，不同偏振方向的像元以很快的速度对同一目标成偏振图像，保证目标偏振成像的实时性。通过后续数据处理，由(1)、(2)式通过解算出目标的偏振信息。其偏振探测实现方式见图4。

通过进行上述设计的光电成像系统能够同时具备三线阵立体探测、多谱段探测以及偏振探测的能力，极大地扩展了获取信息的维度，可以提供目标更多的信息。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。