用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置及方法与流程

本发明涉及偏振成像技术领域，尤其涉及一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置及方法。

背景技术：

红外偏振成像探测是一种新型的探测技术，与传统的红外成像探测技术相比，不仅能获得普通红外成像得到的目标二维空间强度图像，而且能获得其不能得到的图像上每一点偏振信息。利用增加的偏振维度，可明显增强伪装、暗弱等兴趣目标与背景的差异，滤除干扰，提高信号对比度。

红外偏振成像是通过获取不同偏振方向的红外强度图像，解算出描述目标偏振信息的斯托克斯矢量，进而得到偏振度或偏振角参数。按照红外强度图像的获取方式，红外偏振成像装置大体上可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型红外偏振成像装置。其中，分时型偏振成像技术通过旋转偏振片调制或电光晶体调制的方式在不同时刻获得同一目标场景的偏振态图像，其调节周期较长，适用于(准)静止目标偏振成像探测。分振幅和分孔径型的红外偏振成像方式均采用多光路复杂结构，可实现实时偏振成像，但其缺点在于光路系统庞大复杂，红外光经过光学分束器后的能量较大抑制，分孔径型系统对偏振相关的像差效应敏感。分焦平面型红外偏振成像方式在红外焦平面探测器的每个像元前端胶合一层微偏振片，也可实现实时偏振探测，但该技术存在微偏振阵列加工困难、微偏振阵列与焦平面探测器像元之间的配准难度大、低信噪比等问题。

相对于其它实时型红外偏振成像装置，分时型红外偏振成像装置具有结构简单、光通量高、成本低等优点，在航空航天偏振遥感领域得到很好地应用。但是由于其受旋转速度、高精度定位、解偏算法等因素限制，成像速度较慢，不能满足动态目标偏振探测，目前常见的分时型红外偏振成像装置速率最快为8偏振帧/秒，实时偏振探测能力依然不足。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述至少一部分问题，提供了一种能够应用于运动目标或变化场景的红外偏振信息测量的分时型红外偏振成像装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置，包括：镜头模块、检偏器组件、红外焦平面探测器、控制模块和数据采集处理模块；

所述镜头模块包括用于对目标场景进行成像的光学透镜；

所述红外焦平面探测器的光轴与所述光学透镜的光轴重合，用于接收所述光学透镜出射的红外光线；

所述检偏器组件包括可绕其自身光轴转动的偏振片，所述偏振片位于所述光学透镜与所述红外焦平面探测器之间，其中心位于所述红外焦平面探测器和所述光学透镜的光轴上，其光轴与所述红外焦平面探测器和所述光学透镜的光轴之间存在第一夹角；

所述控制模块与所述检偏器组件、所述红外焦平面探测器电连接，用于生成转动控制指令并发送至所述检偏器组件，以控制所述偏振片绕其自身光轴匀速转动；以及生成曝光控制指令并发送至所述红外焦平面探测器，以控制所述红外焦平面探测器在所述偏振片转至选定的不同偏振方向时进行曝光，测量目标场景在不同偏振方向下的红外辐射强度图像；

所述数据采集处理模块与所述红外焦平面探测器电连接，用于接收不同偏振方向下的红外辐射强度图像，解算得到目标场景的红外偏振图像。

优选地，所述红外焦平面探测器在所述偏振片每旋转一圈的时间内曝光三次或四次。

优选地，所述红外焦平面探测器在所述偏振片每旋转一圈的时间内曝光三次，三次曝光时刻所述偏振片的偏振方向分别对应0°、60°和120°；或所述红外焦平面探测器在所述偏振片每旋转一圈的时间内曝光四次，四次曝光时刻所述偏振片的偏振方向分别对应0°、45°、90°和135°。

优选地，所述偏振片与所述红外焦平面探测器和所述光学透镜的光轴之间存在的所述第一夹角取值范围为8～12°。

优选地，所述检偏器组件还包括电机、单通道偏振片轮和编码器；所述偏振片通过所述单通道偏振片轮设于所述电机的输出端；所述电机用于根据所述控制模块的转动控制指令驱动所述单通道偏振片轮匀速转动；所述编码器与所述单通道偏振片轮连接，用于测量所述单通道偏振片轮匀速转动的角度信息，并将测得的角度信息反馈至所述控制模块；

所述控制模块用于根据接收到的角度信息生成所述转动控制指令和/或所述曝光控制指令。

优选地，所述电机还设有转速检测装置，用于检测所述电机转速，并实时向所述控制模块反馈电机转速信息；

所述控制模块用于根据接收到的电机转速信息以及角度信息，生成所述转动控制指令和/或所述曝光控制指令。

优选地，所述电机为无框架结构的永磁直流无刷电机，所述光学透镜出射的红外光线从所述永磁直流无刷电机中心的大开口孔径中通过；所述单通道偏振片轮通过轴承设于所述永磁直流无刷电机中心的大开口孔径内部，且所述单通道偏振片轮设于所述轴承靠近所述红外焦平面探测器的一端，所述编码器固定在所述轴承靠近所述光学透镜的一端。

本发明还提供了一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像方法，采用如上述任一项所述的用于动态目标测量的分数线红外偏振成像装置进行红外偏振成像测量，包括如下步骤：

s1、在目标场景一侧布设所述用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置并校准；

s2、令所述偏振片绕其自身光轴匀速转动；在所述偏振片转至选定的不同偏振方向时，令所述红外焦平面探测器曝光，采集目标场景在当前偏振方向下的红外辐射强度图像；

s3、根据所述偏振片旋转一圈对应的各偏振方向下的红外辐射强度图像，计算表征目标偏振态的斯托克斯矢量，根据斯托克斯矢量与偏振度、偏振角之间的关系获得目标场景的偏振度图像和偏振角图像，实现偏振成像测量。

优选地，所述步骤s3中，根据所述偏振片旋转一圈对应的各偏振方向下的红外辐射强度图像，计算表征目标偏振态的斯托克斯矢量时，采用排序迭代的方式，按照采集红外辐射强度图像的顺序更新存储数据，采用迭代的方式计算斯托克斯矢量。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置，该装置采用单偏振片周期性快速旋转，在其转至不同偏振方向时曝光，以测量目标场景在不同偏振方向的红外辐射强度图像，进而实现快速分时偏振成像，解决了现有分时型旋转偏振片的红外偏振成像装置传动结构复杂以及红外偏振成像速度慢等问题，为海上搜救、目标识别等领域提供了有力的工具。

本发明还提供了一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像方法，该方法利用上述装置进行测量，根据斯托克斯矢量及斯托克斯矢量与偏振度、偏振角之间的关系解算偏振片转动一圈所对应的不同偏振方向的红外辐射强度图像，得到偏振图像，该方法速度快、效率高，有效提高了偏振图像输出速度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置示意图；

图2是本发明实施例中一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置结构示意图；

图3是本发明实施例中采用排序迭代的方式对采集的红外辐射强度图像进行处理的方法示意图。

图中：1：镜头模块；11：光学透镜；2：检偏器组件；21：偏振片；3：红外焦平面探测器；4：控制模块；5：数据采集处理模块。

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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置，包括镜头模块1、检偏器组件2、红外焦平面探测器3、控制模块4和数据采集处理模块5。其中，镜头模块1包括用于对目标场景进行成像的光学透镜11，红外焦平面探测器3用于接收光学透镜11出射的红外光线，其光轴与光学透镜11的光轴重合，以便更好地接收光线。优选地，镜头模块1还包括用于设置光学透镜11的镜头固定座，红外焦平面探测器3还包括探测器固定座，镜头固定座和探测器固定座之间优选设有可调节的滑轨，用于定位红外焦平面探测器3和光学透镜11的相对位置。

如图2所示，检偏器组件2包括可绕其自身光轴转动的偏振片21，偏振片21位于光学透镜11和红外焦平面探测器3之间，偏振片21的中心位于光学透镜11和红外焦平面探测器3的光轴上。偏振片21的光轴与光学透镜11和红外焦平面探测器3的光轴之间存在第一夹角，即偏振片21的光轴与光学透镜11和红外焦平面探测器3的光轴之间存在一定的夹角，二者不重合。第一夹角的取值范围为8～12°，优选为10°，可用于消除冷反射。为确保成像效果，偏振片21有效的通光孔径应大于红外焦平面探测器3的总像元尺寸。优选地，偏振片21的旋转速度至少为20圈/秒。

控制模块4与检偏器组件2、红外焦平面探测器3电连接，用于生成转动控制指令并发送至检偏器组件2，以控制偏振片21绕其自身光轴匀速转动，偏振片21在光学透镜与红外焦平面探测器3之间不断旋转，其偏振方向也在不断变化。转动控制指令包括起停指令和变速指令等。控制模块还用于生成曝光控制指令并发送至红外焦平面探测器3，以控制红外焦平面探测器3在偏振片21转至选定的不同偏振方向时进行曝光，实现测量目标场景在不同偏振方向下的红外辐射强度图像。其中，偏振方向指的是偏振片21自身的透光轴方向在红外焦平面探测器3的探测面上的投影与探测面内的参考坐标轴之间的相对夹角方向，探测面内的参考坐标轴方向不限，可以选取初始时刻偏振片21透光轴在探测面上的投影建立参考坐标轴，也可选取竖直、水平等方向建立参考坐标轴，但选定一个参考坐标轴后，此次测量过程内不应再发生变化，即，一次完整的测量过程中，偏振片21每转动一圈对应360°方向变化，偏振方向变化以偏振片21每转动一圈为一个周期不断循环，但偏振方向对应的角度均以同一参考坐标轴为基准。进一步地，在测量之前，可通过控制模块选定进行曝光的不同偏振方向。

数据采集处理模块5与红外焦平面探测器3电连接，用于接收不同偏振方向下的红外辐射强度图像，解算得到目标场景的红外偏振图像，偏振图像包括偏振度图像和偏振角图像。

本发明提供的用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置在使用时，目标场景图像信息经光学透镜11传输至偏振片21，偏振片21匀速转动，偏振方向周期性变化，红外焦平面探测器3曝光时刻，光学透镜11的成像经过偏振片21后射入红外焦平面探测器3，红外焦平面探测器3获取该偏振方向下的红外辐射强度图像，随偏振片21不断转动，数据采集处理模块可以获取目标场景在不同偏振角度下的红外辐射强度图像，再通过计算可获得目标场景的偏振度图像和偏振角图像，实现分时型偏振成像测量。本发明的装置结构简单，易于调整，且提高了传统分时型红外偏振成像方式的偏振成像速度，满足运动目标或变化场景的红外偏振实时探测需求。

优选地，红外焦平面探测器3在偏振片21每旋转一圈的时间内曝光三次或四次，即每周期内选定的不同偏振方向有三个或四个。

进一步地，红外焦平面探测器3在偏振片21每旋转一圈的时间内曝光三次，三次曝光时刻偏振片21的偏振方向分别对应0°、60°和120°，即每周期内选定的不同偏振方向分别对应0°、60°和120°。

或者，红外焦平面探测器3在偏振片21每旋转一圈的时间内曝光四次，四次曝光时刻偏振片21的偏振方向分别对应0°、45°、90°和135°，即每周期内选定的不同偏振方向分别对应0°、45°、90°和135°。

优选地，检偏器组件2还包括电机、单通道偏振片轮和编码器。偏振片21通过单通道偏振片轮设于电机的输出端。电机用于根据控制模块4的转动控制指令驱动单通道偏振片轮匀速转动。单通道偏振片轮为单通道结构，可固定安装一块偏振片，实现对目标检偏滤波，由电机带动旋转。编码器与单通道偏振片轮连接，用于测量单通道偏振片轮匀速转动的角度信息，并将测得的角度信息反馈至控制模块。控制模块用于根据接收到的角度信息生成转动控制指令和/或曝光控制指令。控制模块4根据编码器反馈的角度信息判断偏振片21当前姿态，即获得当前偏振方向，根据偏振方向及测量需求判断是否生成并发送相应的转动控制指令以及曝光控制指令。

优选地，电机还设有转速检测装置，用于检测电机转速，并实时向控制模块反馈电机转速信息。控制模块4用于根据接收到的电机转速信息以及角度信息生成转动控制指令和/或曝光控制指令。控制模块4根据转速检测装置反馈的信息判断电机转动状态，根据电机状态结合偏振片21姿态以及测量需求，判断是否生成并发送相应的转动控制指令和/或曝光控制指令，实现全闭环自动控制。

在一些优选的实施方式中，电机可采用无框架结构的永磁直流无刷电机，永磁直流无刷电机中心处设有大开口孔径，光学透镜出射的红外光线从永磁直流无刷电机中心的大开口孔径中通过，不受到电机的干扰。单通道偏振片轮通过轴承设于永磁直流无刷电机中心的大开口孔径内部，即设于永磁直流无刷电机的输出端上。单通道偏振片轮设于轴承内径靠近红外焦平面探测器的一端，与轴承同步转动，轴承与永磁直流无刷电机中心的大开口孔径连接，在永磁直流无刷电机的驱动下转动。编码器固定在轴承靠近光学透镜的一端，用于检测单通道偏振片轮的角度信息。编码器可选用精密角度测量型编码器。

特别地，红外焦平面探测器3可选用制冷型红外探测器，其总像元尺寸为640×512，单个像元尺寸为50μm，红外波段为7-14μm。偏振片可选用金属线栅型偏振片，有效直径为50mm，有效波长范围为中长红外，即3～14μm，透过率大于80％，消光比大于300:1。令单通道偏振片轮的旋转速度至少为20圈/秒，并且每个旋转周期内的特定旋转角度分别为0°、60°和120°，可将连续相邻的3幅红外辐射强度图像解算出待测目标的红外偏振度和偏振角图像，其与红外辐射强度图像具有相同的成像帧速，最小以60偏振帧/秒速度输出待测目标红外偏振图像。

实施例二

本发明还提供了一种用于动态目标测量的分时型红外偏振成像方法，采用如上述任一项所述的用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置进行红外偏振成像测量，具体包括如下步骤：

s1、在目标场景一侧布设用于动态目标测量的分时型红外偏振成像装置并校准。

其中，校准包括调节镜头模块1、检偏器组件2、红外焦平面探测器3的相对位置，使红外焦平面探测器3的光轴与光学透镜11的光轴重合，偏振片21的中心位于红外焦平面探测器3和光学透镜11的光轴上，且其自身的光轴与红外焦平面探测器3和光学透镜11二者的光轴之间存在第一夹角。

s2、令偏振片21绕其自身光轴匀速转动。在偏振片21转至选定的不同偏振方向时，令红外焦平面探测器3曝光，采集目标场景在当前偏振方向下的红外辐射强度图像。

优选地，控制模块控制偏振片21匀速转动，并同时在每次偏振片21转至选定的旋转角度时，输出上升沿脉冲信号触发红外焦平面探测器3，红外焦平面探测器3立即开始曝光采集红外辐射强度图像，得到相应的红外辐射强度图像。偏振片21周期性转动，红外焦平面探测器3也不断采集对应的图像，检偏器组件2和红外焦平面探测器3同步工作。

s3、根据偏振片21旋转一圈对应的各偏振方向下的红外辐射强度图像，计算表征目标偏振态的斯托克斯矢量，根据斯托克斯矢量与偏振度、偏振角之间的关系获得目标场景的偏振度图像和偏振角图像，实现偏振成像测量。

偏振片21转动一圈，即转动360°，偏振方向也发生360°变化，遍历所有选定的不同偏振方向，偏振片21每转动一圈即可得到对应的一组选定的各个不同偏振方向下的红外辐射强度图像，通过这样一组红外辐射强度图像即可解算偏振图像。

优选地，步骤s3中，根据偏振片旋转一圈对应的各偏振方向下的红外辐射强度图像(即一组红外辐射强度图像)，计算表征目标偏振态的斯托克斯矢量时，采用排序迭代的方式，根据周期性转动的规律，按照采集红外辐射强度图像的顺序更新存储数据，采用迭代的方式计算斯托克斯矢量，即不断用新采集的红外辐射强度图像数据替换当前存储数据，该方式可减少数据存储量，并进一步提高红外偏振成像速率。解算各组红外辐射强度图像时，如图3所示，以每周期选定三个不同的偏振方向，分别对应0°、60°和120°为例，偏振片21每转动一圈都对应一组包括0°、60°和120°的红外辐射强度图像，先由0°、60°、120°时刻的红外辐射强度图像解算出一幅红外偏振信息图像，再由60°、120°和下一个0°时刻的红外辐射强度图像解算出下一幅红外偏振信息图像，再由120°和下一个0°、60°时刻的红外辐射强度图像解算出下一幅红外偏振信息图像，依次类推，将连续相邻的3幅红外辐射强度图像解算出待测目标的红外偏振度和偏振角图像，能够充分利用每一幅红外辐射强度图像，保证输出的红外偏振图像与红外辐射强度图像具有相同的成像帧频，当偏振片21的转速为20圈/秒，可稳定输出目标场景红外偏振图像速度为60偏振帧/秒，满足动态目标检测的需求。

优选地，当选定每周期0°，60°和120°三个不同偏振方向进行测量，步骤s3中计算表征目标偏振态的斯托克斯矢量时，根据连续获取的、分别对应0°，60°和120°的待测目标场景红外辐射强度图像i(0°)，i(60°)和i(120°)，采用3乘1的斯托克斯矢量表征每个像元的偏振态：s＝[s0,s1,s2]^t，其中，参量s0与入射光的总强度有关，s1与0°和90°方向的线偏振信息有关，s2与45°和135°方向的线偏振信息有关，圆偏振分量忽略不计。结合斯托克斯矢量辐射传输方程，将三个不同偏振方向的红外辐射强度图像转换为待测目标场景的斯托克斯矢量图像，转换公式为：

根据斯托克斯矢量与偏振度、偏振角之间的关系获得目标场景的偏振度图像和偏振角图像时，采用偏振度p和偏振角α表征待测目标表面形态和属性特征，红外偏振度和偏振角图像与斯托克斯矢量图像之间的关系分别为：

α＝0.5*arctan(s2/s1)(3)

根据上述公式(2)、(3)即可解算获得目标场景的偏振度图像和偏振角图像。

综上所述，本发明提出一种用于动态目标红外偏振测量的分时型红外偏振成像装置及方法。与现有技术相比，本发明能够实现对运动目标或变化场景的红外偏振成像探测，且有效提高了现有分时型红外偏振成像测量系统的红外偏振成像速度，同时装置结构更加简洁，易于操作，方便快速调整。

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。