一种用于探测低照度目标的高光谱成像装置及方法

本发明属于光谱成像，具体是一种用于探测低照度目标的高光谱成像装置及方法。

背景技术：

1、低照度图像增强的目的是突出图像的有用特征，同时削弱或消除干扰信息，将原来不清晰或者亮度较低的图像变得清晰或者增强亮度。夜间照明亮度低，比如月光、火光、灯光等会使得周围环境的光线复杂，从而导致可见光和对比度严重下降，并且伴随着大量的噪声产生；或者因为光照不均匀的影响，出现图像区域间亮度相差较大的现象。影响低照度图像照度的因素还有很多，但是对于军事、监测、安防等领域而言，提高低照度图像的亮度是关键因素。

2、在实际的光谱成像目标探测中，被测目标的反射光或辐射光经过大气传输后入射到光谱成像系统的前置镜上，又经过分光单元以及后置成像单元以后聚焦在探测器靶面上。整个传输过程中存在很高的能量损耗，包括大气散射、系统光学玻璃的反射、吸收，最后在探测器靶面上的能量非常有限。色散光谱系统的光谱分辨率和能量透过率成制约关系，现在要求越来越高的光谱分辨率，所以目标能量经过狭缝后的能量就更有限了。干涉光谱成像系统虽具有高通量特点，但最后在探测器靶面的目标能量也不到最初目标辐射的1/3。

3、声光可调谐滤波器具有高通量特点，当入射光为偏振光时，波长调谐范围内的峰值衍射效率可以超过80％，然而在波长调谐范围的前端和后端衍射效率依然很低，几乎小于30％。现有的技术中，声光可调谐滤波器高光谱成像系统的入射光为偏振光，即在声光介质前端加一个偏振方向可以完全满足声光互作用的偏振器件，这样在声光介质内的入射光波、超声波以及衍射光波在满足动量匹配的条件下只会发生一次声光互作用，声光介质的输出两束光，一束为衍射光，另一束为0级透射光。

4、折射率是介质对光的一种特性，当光束在晶体内传播时，折射率是波长的函数，其值为光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。由于声光介质具有双折射特性，当入射在声光介质表面的光束为自然光时，声光介质内就会产生两束相互正交的偏振光，即所谓的寻常光(o光)与非寻常光(e光)，传统的声光可调谐滤波器只能满足其中一束入射光(o光或者e光)与超声波发生声光互作用，另一束光并不能满足动量匹配条件，也就因动量失配不能与超声波发生声光互作用。也就是说，此过程只有一束光被滤波形成了窄带光输出，探测器只接收了其中一次声光互作用的衍射光，剩下的光束都被遮挡掉，这在实际应用中就形成了光能量利用不足，产生浪费。尤其是在低照度弱光环境下，传统的声光可调谐滤波器高光谱成像仪会导致高光谱图像模糊，影响目标识别结果，特别是在调谐谱段衍射效率较低的情况下，高光谱图像更为模糊不清楚。

技术实现思路

1、针对传统声光可调谐滤波器高光谱成像仪存在的固有技术问题，为了克服这种能量利用率不足的问题，基于声光调制技术，本发明提出一种可以在低照度弱光环境下用于探测低照度目标的高光谱成像装置及方法。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种用于探测低照度目标的高光谱成像装置，包括前置光学准直系统、声光调制单元、光遮挡板、色散补偿单元、后置成像组、光电探测单元、计算机控制终端。

4、所述声光调制单元包括声光可调谐滤波器、声光可调谐滤波器射频驱动。所述色散补偿单元包括第一色散棱镜补偿单元、第二色散棱镜补偿单元。所述后置成像组包括第一后置成像镜组、第二后置成像镜组。所述光电探测单元包括第一探测器、第二探测器。

5、入射光经过前置光学准直系统依次进入声光调制单元、色散补偿单元、后置成像组、光电探测单元，计算机控制终端控制色散补偿单元、声光调制单元，并采集光电探测单元的信息。所述光遮挡板位于声光调制单元与色散补偿单元之间。

6、所述声光可调谐滤波器射频驱动与计算机控制终端连通。

7、所述声光可调谐滤波器接受前置光学准直系统的出射光，产生+1级衍射光、-1级衍射光，进入声光调制单元；产生0级透射光，进入光遮挡板。

8、所述第一色散棱镜补偿单元使波长调谐范围内所有+1级衍射光都平行输出，进入第一后置成像镜组，所述第一探测器接收第一后置成像镜组形成的目标信息。

9、所述第二色散棱镜补偿单元使波长调谐范围内所有-1级衍射光都平行输出，进入第二后置成像镜组，所述第二探测器接收第二后置成像镜组形成的目标信息。

10、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像装置，所述声光可调谐滤波器产生的+1级衍射光依次经过第一色散棱镜补偿单元、第一后置成像镜组，被第一探测器接收，在第一探测器上形成带有目标信息的窄带高光谱图像。

11、所述声光可调谐滤波器产生的-1级衍射光依次经过第二色散棱镜补偿单元、第二后置成像镜组，被第二探测器接收，在第二探测器上形成带有目标信息的窄带高光谱图像。

12、所述声光可调谐滤波器产生的0级透射光被光遮挡板遮挡。

13、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像装置，所述第一色散棱镜补偿单元补偿因宽带光源经过声光介质色散导致的+1级衍射光漂移量，无漂移地进入第一后置成像镜组。第二色散棱镜补偿单元补偿因宽带光源经过声光介质色散导致的-1级衍射光漂移量，无漂移地进入第二后置成像镜组。

14、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像装置，所述计算机控制终端控制声光可调谐滤波器射频驱动所发射的超声波值，使声光可调谐滤波器输出不同波长的+1级衍射光、-1级衍射光。

15、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像装置，所述色散补偿单元包括转动台，第一色散棱镜补偿单元、第二色散棱镜补偿单元均安装在所述转动台上，所述计算机控制终端控制转动台旋转，使每一个驱动频率下的+1级衍射光、-1级衍射光平行输出，实现第一探测器、第二探测器无漂移量。

16、一种用于探测低照度目标的高光谱成像方法，包括如下步骤：

17、步骤1，建立高光谱成像装置的光学系统，被测目标置于光学系统视场内，前置光学准直系统对被测目标的反射光、辐射光或者透射光进行压缩准直。

18、步骤2，压缩准直后的目标光垂直入射至声光可调谐滤波器，计算机控制终端控制声光可调谐滤波器射频驱动发射超声波，发射的超声波在声光介质内与目标光满足等值平衡条件发生声光互作用，产生+1级衍射光、-1级衍射光以及0级透射光。

19、步骤3，声光互作用后，目标高光谱信息的+1级衍射光经过第一色散棱镜补偿单元，被第一后置成像镜组聚焦在第一探测器的焦平面上。带有目标高光谱信息的-1级衍射光经过第二色散棱镜补偿单元，被第二后置成像镜组聚焦在第二探测器的焦平面上。

20、步骤4，第一探测器记录步骤3中带有目标高光谱信息的+1级衍射光，并存储至计算机控制终端；第二探测器记录步骤5中带有目标高光谱信息的-1级衍射光，并存储至计算机控制终端。

21、步骤5，计算机控制终端改变声光可调谐滤波器射频驱动所发射的超声波值，声光可调谐滤波器输出不同波长的+1级和-1级衍射光图像。

22、步骤6，第一探测器、第二探测器分别记录每一个不同波长的+1级和-1衍射光高光谱图像，计算机控制终端获取目标波前的所有窄带波长高光谱图像。

23、步骤7，计算机控制终端对所有窄带波长高光谱图像进行数据融合处理，得到强度更高的目标图像。

24、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像方法，所述第一色散棱镜补偿单元和第二色散棱镜补偿单元的锐角值α由声光可调谐滤波器的性能决定，求取过程如下：

25、第一步，求取衍射角

26、声光可调谐滤波器的光入射角一定，根据入射角与o光与e光之间的关系求取衍射角：

27、

28、式(1)中，θ1为光入射角，即声光介质入射光波矢与光轴之间的夹角，θ2为衍射角，no、ne分别为o光与e光的折射率，σ为声光介质的旋光率。

29、第二步，求取分离角

30、根据衍射角θ1，求取分离角i1，即衍射光与声光介质法线之间的夹角。根据如下关系：

31、

32、式(2)中，i0是衍射光对色散补偿棱镜的入射角，i1是衍射光与色散补偿棱镜底边之间的夹角，i2是衍射光与色散补偿棱镜斜边之间的夹角，i3是色散补偿棱镜的底角，α为色散补偿棱镜的定焦锐角。

33、进而可以得到：

34、i1+α＝i0   (3)

35、第三步，求取色散补偿棱镜的锐角α

36、根据折射定律

37、n0 sin i0＝n1 sinα   (4)

38、式(4)中，n0为空气折射率，n1为色散补偿棱镜的折射率。

39、根据式(2)、式(3)以及式(4)，得到色散补偿棱镜的锐角α与衍射光与分离角之间的关系如下：

40、sin(i1+α)＝n1 sinα   (5)

41、由式(5)可求得α。即可得到色散补偿棱镜的锐角α。

42、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像方法，步骤7还包括：利用o光光谱图像与e光光谱图像，计算到斯托克斯参数的前两个分量s0和s1。

43、上述的用于探测低照度目标的高光谱成像方法，步骤4还包括，通过对调谐范围内的每一个波长定标，实施精准追踪，计算机控制终端控制第一色散棱镜补偿单元与第一色散棱镜补偿单元的精密转动台，使每一个驱动频率下的+1级衍射光与-1级衍射光都能够平行输出，在第一探测器与第二探测器上无漂移量。

44、本发明的有益效果是：

45、一种用于探测低照度目标的高光谱成像装置，采用等值平衡方法，使入射光在声光可调谐滤波器内与超声波同时发生两次声光互作用，且这两次声光互作用都满足动量匹配条件，进而在声光可调谐滤波器的输出端可以得到波长相同的+1级和-1级两束光。

46、一种用于探测低照度目标的高光谱成像方法，在一个声光介质内利用一个超声波输入就可以同时满足正交偏振的两束光发生声光互作用，且输出波长相同。

47、一种用于探测低照度目标的高光谱成像方法，在目标信息处理时，可以对输出波长相同的这两束光同时利用，理论上能量利用率提高一倍。

48、一种用于探测低照度目标的高光谱成像方法，波长相同的+1级和-1级两束光偏振方向正交，可以对目标图像进行偏振处理，得到stokes的前两个分量，为目标识别提供了另一种技术途径。