基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置的制作方法

本发明涉及红外偏振成像测量技术领域，尤其涉及一种基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置。

背景技术：

偏振成像探测是一种新型的目标探测技术，与传统光电成像探测技术相比，不仅能够获得目标场景的辐射强度信息，还可以获得偏振度、偏振角、偏振椭率等偏振参数，并增加探测目标场景信息的维度，对提高目标探测与识别具有重要的意义。

随着对红外偏振成像探测应用需求的逐渐增加，红外偏振成像方式也在持续不断地发展，目前较常见的红外偏振成像技术主要分为两大类：分时型和同时型模式。其中分时型红外偏振成像技术通过旋转偏振片的方式获得同一目标场景在不同时刻的偏振态图像，其装置具有结构简单、成本较低、消光比高、光通量高的优点，适用于静止目标红外偏振成像探测；而同时型红外偏振成像技术是利用一次曝光时间获得目标场景不同偏振态图像，其探测速度快，可用于运动或变化目标偏振成像探测。同时型红外偏振成像目前主要包括分振幅型、分孔径型和分焦平面型。其中分振幅型红外偏振探测方式光路调节困难，能量衰减较大，系统体积重量大；分孔径型红外偏振探测方式空间分辨率损失较多，图像配准较为复杂，分辨率低；分焦平面型红外偏振成像的微偏振阵列制作难度大，与焦平面之间的封装难度高，消光比低，空间分辨率低。

由于以上三种同时型红外偏振成像探测方式存在一定程度的不足，所以在目前的目标红外偏振特性探测中，最常用的方式还是分时型红外偏振探测。

因此，针对以上不足，需要对现有分时型红外偏振探测技术进行改进，使其在能量衰减小，高消光比的优势基础上，能够测量运动目标场景的红外偏振信息，使测量结果具有实时性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有分时型红外偏振探测技术只适用于对静止目标进行红外偏振成像探测的缺陷，提供一种基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置，包括红外光学镜头、多方向起偏单元、红外焦平面探测器和控制单元，

所述红外光学镜头对目标场景的偏振光进行调整获得探测光束；多方向起偏单元通过改变对探测光束的起偏方向，获得不同起偏方向偏振光束；红外焦平面探测器对不同起偏方向偏振光束成像，获得不同起偏方向偏振光束的红外强度图像并输出；

所述控制单元用于控制多方向起偏单元顺序变换起偏方向，使红外焦平面探测器能够以预定帧速率获得对应于顺序变换起偏方向的不同起偏方向偏振光束的红外强度图像。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述多方向起偏单元包括偏振片轮、伺服电机、电机齿轮轴、偏振片齿轮轴、多个偏振片和编码器，

所述伺服电机在控制单元的控制下依次通过电机齿轮轴和偏振片齿轮轴驱动偏振片轮的转轴转动，从而带动偏振片轮转动；多个偏振片沿圆周方向均匀分布在偏振片轮上；编码器通过弹性联轴器与偏振片轮的转轴连接。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述多个偏振片包括三个偏振片，三个偏振片在偏振片轮上的安装方式包括：

三个偏振片的光栅0°方向与空间参考坐标轴的夹角分别为0°、60°和120°。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述偏振片包括金属线栅型偏振片，其有效波长范围是3～12μm。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述伺服电机使偏振片轮的工作转速至少为50r/s。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述偏振片轮为盘式结构，偏振片轮上设置偏振片的安装口。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述测量装置还包括图像处理单元，

图像处理单元用于对所述红外强度图像进行处理，使偏振片轮每转动一周，红外焦平面探测器获得的三幅不同起偏方向偏振光束的红外强度图像对应转换为目标场景的红外偏振图像。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述控制单元用于控制伺服电机运行，使偏振片以预定频率实现顺序切换。

在根据本发明所述的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置中，所述测量装置还包括箱体，箱体为红外光学镜头、多方向起偏单元及红外焦平面探测器提供安装位；所述箱体上设置用于输出红外强度图像的cameralink接口。

实施本发明的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置，具有以下有益效果：本发明在现有分时型红外偏振成像技术的基础上进行改进，通过多方向起偏单元对目标场景的偏振信息进行检偏滤波，同时通过控制单元使多方向起偏单元能够周期性的顺序变换不同起偏方向，并使其变换速率满足预定的帧速率要求。本发明通过对起偏方向变换速度的控制，达到近似同时型红外偏振成像技术的效果，从而在具备了分时型红外偏振成像技术的优势的同时，可用于运动或变化目标场景的测量，是红外偏振成像测量领域一项有意义的突破。

本发明的测量具有实时性，其能量衰减小，并具有高消光比，可以实现对运动目标场景红外偏振图像的快速精准测量。

附图说明

图1为根据本发明的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置的示例性框图；

图2为根据本发明的基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置的示例性结构图；

图3为根据本发明的多方向起偏单元的示例性结构图；

图4为根据本发明的偏振片安装位置的示例性示意图；

图5为根据本发明的偏振片轮及偏振片的外形尺寸示例图；

图6为根据本发明的箱体的示例性结构图；

图7为根据本发明的箱体后面板布局示例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明的第一方面，提供了一种基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置，结合图1和图2所示，包括红外光学镜头100、多方向起偏单元200、红外焦平面探测器300和控制单元400，所述红外光学镜头100对目标场景的偏振光进行调整获得探测光束；多方向起偏单元200通过改变对探测光束的起偏方向，获得不同起偏方向偏振光束；红外焦平面探测器300对不同起偏方向偏振光束成像，获得不同起偏方向偏振光束的红外强度图像并输出；

所述控制单元400用于控制多方向起偏单元200顺序变换起偏方向，使红外焦平面探测器300能够以预定帧速率获得对应于顺序变换起偏方向的不同起偏方向偏振光束的红外强度图像。

本实施方式搭建了红外偏振成像的光路结构，所述红外焦平面探测器300的入瞳处通过对应多方向起偏单元200的不同起偏方向获得目标场景的红外强度图像。多方向起偏单元200在控制单元400的控制下，使对应于红外焦平面探测器300入瞳处的光束起偏方向发生改变，当起偏方向改变的速率足够高时，在每一个变换周期内，红外焦平面探测器300获得的多幅红外强度图像可以认为相当于同时型红外偏振成像中在同一时刻获得的目标红外强度图像。对于一个变换周期获得的多幅红外强度图像可以在后续进行处理，计算获得一幅目标场景的红外偏振图像。

所述红外光学镜头100用于会聚目标场景的偏振光，使得在红外焦平面探测器300上能够获得清晰的图像。

作为示例，红外焦平面探测器300可选用640×512中波红外焦平面探测器。

作为示例，结合图2和图3所示，所述多方向起偏单元200包括偏振片轮210、伺服电机220、电机齿轮轴230、偏振片齿轮轴240、多个偏振片250和编码器260，

所述伺服电机220在控制单元400的控制下依次通过电机齿轮轴230和偏振片齿轮轴240驱动偏振片轮210的转轴转动，从而带动偏振片轮210转动；多个偏振片250沿圆周方向均匀分布在偏振片轮210上；编码器260通过弹性联轴器与偏振片轮210的转轴连接。

本实施方式中，伺服电机220用于驱动偏振片轮210旋转，考虑到偏振片轮210尺寸较大，转动惯性较大，因此通过齿轮系连接电机轴与偏振片轮轴，以增加驱动力矩。所述偏振片250用于对目标和背景辐射进行检偏滤波；编码器260用于实时测量偏振片轮210的旋转角度，以保证偏振片轮210定位准确。

由图2可知，经过红外光学镜头100调整的光束与多方向起偏单元200上的一个偏振片250的位置相对应，红外焦平面探测器300的入瞳处再对应偏振片250的出光位置。偏振片轮210上设置的偏振通道通过伺服电机220的控制进行选取，当偏振片轮210在伺服电机220的驱动下转动时，多个偏振片250将周期性的交替对应于红外光学镜头100，从而实现了多个偏振片250在电动控制方式下的自动切换，并使红外焦平面探测器300获得不同起偏方向偏振光束的红外强度图像。其中偏振片250的个数可以根据实际使用需要进行选择。根据偏振片轮210在一个转动周期内对应于不同偏振片250的红外强度图像进行计算，能够获得一幅目标场景的红外偏振图像。由所述目标场景的红外偏振图像能够获得目标场景的辐射强度信息，还可以获得偏振度、偏振角等偏振参数。

作为示例，所述多个偏振片250包括三个偏振片250，三个偏振片250在偏振片轮210上的安装方式包括：

三个偏振片250的光栅0°方向与空间参考坐标轴的夹角分别为0°、60°和120°。

本实施方式中，选择在偏振片轮210上安装三个偏振片，也就是在偏振片轮210的一个转动周期内，能够获得三幅红外强度图像，最终根据三幅红外强度图像进行计算，获得一幅目标场景的红外偏振图像。

所述偏振片250的有效通光孔径需要大于红外焦平面探测器300的总象元大小。

作为示例，所述偏振片250包括金属线栅型偏振片，其有效波长范围是3～12μm。

所述金属线栅型偏振片包括三个规格相同的caf2金属线栅型偏振片，其透过率大于80％，消光比为300:1。在偏振片轮210上的安装结合图4所示，三片偏振片光栅0°方向241与相应参考坐标轴242的夹角分别为0°、60°和120°。

进一步，所述伺服电机220使偏振片轮210的工作转速至少为50r/s。

本实施方式中，对偏振片轮210工作转速的限定是为了满足红外焦平面探测器300成像预定帧速率的要求。由于本公开要达到近似同时型红外偏振技术的效果，因此只有当成像的预定帧速率达到一定要求，才能使偏振片轮210一个转动周期内获得的红外强度图像可以忽略时间的差别，合成一幅目标场景的红外偏振图像。当偏振片轮210的工作转速为50r/s时，红外焦平面探测器300的预定帧速率可达到150帧/秒，满足大多数运动目标的红外偏振探测需求。

具体为：偏振片轮210上的每个偏振片旋转到位后，红外焦平面探测器开始采集红外图像，帧频为150fps，当前图像采集完成后，偏振片旋转到下一测量位置，以此类推。

作为示例，结合图5所示，所述偏振片轮210为盘式结构，其外径根据需要可以选择为90mm，偏振片轮210上设置偏振片250的安装口。

本实施方式中，偏振片轮210配备在红外焦平面探测器300前端，其安装口用以提供不同起偏方向，包括0°、60°、120°的偏振片安装位置，伺服电机220高速旋转带动偏振片轮210转动，实现对目标场景在不同偏振方向的辐射亮度图像的测量。

进一步，结合图5所示，所述偏振片250的直径可以根据需要选择为28mm，通光孔径对应选择为25.4mm。

本实施方式中，偏振片轮210的外径可以为90mm，提供三个不同起偏方向，且直径都为28mm的偏振片的安装位置。通光孔径为25.4mm，其大于红外焦平面探测器300的总象元尺寸，且对光路不会造成遮挡，如图5所示。

进一步，结合图1所示，所述测量装置还包括图像处理单元500，

图像处理单元500用于对所述红外强度图像进行处理，使偏振片轮210每转动一周，红外焦平面探测器300获得的三幅不同起偏方向偏振光束的红外强度图像对应转换为目标场景的红外偏振图像。

所述图像处理单元500采用三个偏振方向的偏振计算公式，能够解算出目标场景的红外偏振信息。在偏振片轮210的工作转速至少为50r/s时，图像处理单元500输出红外偏振图像的偏振帧频最小可达50偏振帧/秒。

作为示例，所述图像处理单元500采用的偏振计算公式包括：

式中，i'(0°)为对应于0°起偏方向时，红外焦平面探测器300获得的红外强度图像的辐射亮度值，i'(60°)为对应于60°起偏方向时，红外焦平面探测器300获得的红外强度图像的辐射亮度值，i'(120°)为对应于120°起偏方向时，红外焦平面探测器300获得的红外强度图像的辐射亮度值；i为目标场景的偏振光总强度，q为目标场景的水平偏振光强度与垂直偏振光强度之差，u为与参考坐标轴呈±45°夹角的偏振光强度之差。

利用上述公式可以得到表征目标场景偏振态的斯托克斯矢量s:s＝[i,q,u]^t，根据斯托克斯矢量与偏振度dop、偏振角aop之间的关系，可以获得目标场景的红外偏振度图像和红外偏振角图像：

本实施方式中，通过图像处理单元500最终输出的红外偏振图像数量可达到偏振帧频最小为50fps，能够满足大多数运动目标的红外偏振探测需求。

本发明提高了分时型红外偏振成像的成像速度；其获得红外偏振图像的速度至少为现有技术的5倍；并具有装置结构简洁，便携及方便快速调整的优势。

进一步，所述控制单元400用于控制伺服电机220运行，使偏振片250以预定频率实现顺序切换。

所述偏振片250的预定切换频率决定了红外焦平面探测器300的预定帧速率，根据实际需求确定预定帧速率后，可以通过控制单元400控制伺服电机220运行，使偏振片轮210的转速满足偏振片250的预定切换频率。

本公开具备高帧频的红外成像处理能力，以及能使起偏偏振方向的选择与图像采集同步，提高了现有分时型红外偏振成像系统的采样速度，并解决了运动目标场景红外偏振成像的快速测量问题。

进一步，结合图6和图7所示，所述测量装置还包括箱体，箱体为红外光学镜头100、多方向起偏单元200及红外焦平面探测器300提供安装位；所述箱体上设置用于输出红外强度图像的cameralink接口。

图6所示，所述箱体可以为测量装置的各个组件提供安装定位依据及光学系统所需的工作窗口，并同时能够起到重要的防护作用。可以在箱体前面板上针对红外焦平面探测器300的工作需求设计一路窗口，用于红外光学镜头100的定位安装，所述窗口可以设计为独立的模块，以易于安装更换，从而满足不同条件下实际环境的使用需求。还可以在箱体底板上设置四个支耳，用于实现与其他平台的安装连接。

结合图7所示，可以在箱体后面板上设置电源开关和电源指示，用于实现对电源通断的控制及系统当前工作状态的辅助显示，例如电源开关可以是电源开关按钮，电源指示可以为电源指示灯，例如电源led指示灯。此外，还可以在箱体上设置相应的接口连接器以引出通信和供电接口，所述接口可以包括：

一个用于输出红外图像数据的cameralink接口；一个用于传输电机控制及状态反馈信号的航空插头接口；一个用于设备供电的220v交流电源接口。

综上所述，本发明能够用于目标场景红外偏振信息的实时测量，其稳定性好，可控性强，可以作为空间目标探测，海上搜救，目标探测与识别等应用领域的有力工具。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。