一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，特别是一种基于微波片阵列的瞬时遥感 偏振成像装置及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 偏振成像技术是指记录图像偏振信息的技术。图像的偏振态可提供从光谱、光强、 相干度等量中无法获取的，包括表面特征、形状、阴影以及粗糙度等大量的信息，因而利用 偏振成像技术可以对目标进行区别和特性表征。在气象环境科学研宄中，利用卷云散射辐 射的偏振特征来获得其微观特性和光学特性，为全球的辐射平衡和气候变化的研宄提供重 要依据；在军事、海洋以及卫星遥感等领域，利用人造物体与自然背景反射和辐射光偏振态 的差别，可以从复杂背景中提取人造物体目标，区分不同的地表形态等等。多维的信息和广 泛的应用使偏振成像近年来成为国内外光学探测和遥感领域的研宄热点。
[0003] 由于现有的CCD或者CMOS等感光元件不能直接分辨光的偏振态，所以通常需要在 探测器前加装波片和偏振片来实现图像偏振态测量。光偏振态可用Stocks矢量进行完全 描述（S0，S1，S2, S3)，具有四个独立的分量。要获得完整偏振态信息至少需要四次不同波 片和偏振片组合的独立测量。根据多次测量的方式不同，可以把偏振成像分成分时成像和 同时成像两大类。分时成像通过旋转或者调制光学器件在不同时间获得多次测量结果，适 用于植被、矿物、建筑等静态目标的探测。而同时偏振成像技术通过多分光路单次曝光的方 式获取多个测量结果，具有动态测量能力。已有的同时成像技术中主要采用分幅、分孔径、 分频谱通道以及分焦平面等几种分光方案。目前分幅和分孔径偏振成像的时间、空间分辨 率较高，但是光路复杂，稳定性不足，而且不同偏振态的图像难以进行像素量级的对准；而 分频谱通道方案采用双折射晶体劈组调制图像偏振态，干涉条纹的存在导致空间分辨率偏 低；分焦平面方案通过单次曝光可以实现偏振态测量，而且整体系统结构紧凑、性能稳定， 已经被用于美国军方的雷达遥感系统，是偏振成像技术未来的发展方向。但是目前基于微 偏振片阵列的分焦平面偏振成像只能测量Stocks矢量的前三个分量（SO, SI, S2)，其原因 在于通过单纯的偏振片方向变化无法测量代表旋光成分的S3分量。随着偏振成像技术应 用范围的扩展，特别是在动态目标遥感研宄中，迫切需要发展同时具备高时间、空间分辨 率，并且能够进行全Stocks矢量测量以及长期稳定运行等特点的全新偏振成像技术。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置及 其实现方法，能够进行动态目标遥感测量，实现高时间、空间分辨率的完全偏振态测量。
[0005] 本发明的装置采用以下方案实现：一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装 置，包括从左至右依次并排设置的望远镜物镜、望远镜目镜、成像透镜以及一面阵相机；所 述的望远镜物镜前方设置有一窄带滤波片，用于选择特定带宽；所述的望远镜目镜与所述 的成像透镜之间依次设置有一微波片阵列与一单向偏振片，其中所述微波片阵列设置在所 述望远镜目镜的焦距位置，用以对图像的偏振态进行调制，所述的单向偏振片设置于所述 微波片阵列和成像透镜之间，用以将二维偏振态分布转换成二维光强分布；所述成像透镜 用以将二维光强分布耦合到面阵相机中；所述面阵相机的输出端连接至一计算机处理系 统，所述的计算机处理系统包括中值滤波模块、傅里叶变换模块以及数组操作模块。
[0006] 进一步的，所述的微波片阵列的制作过程为：采用超快激光在一透明介质内部刻 蚀出若干个边长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，调整加工参数使四个相邻 的所述亚波长光栅的光轴方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列；所述微型波片 阵列在二维空间重复排列，覆盖整个通光面；所述的加工参数包括所述超快激光的偏振方 向、加工时间以及聚焦参数。
[0007] 进一步的，所述的四个相邻亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角0°， 30°，45°和60°，所述引入的相位延时为90°。
[0008] 本发明还提供了一种如上文所述的基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置的 实现方法，具体包括以下步骤： 步骤Sl :用所述窄带滤波片对远处图像进行滤波，选择一指定的波长范围； 步骤S2 :采用所述望远镜物镜和望远镜目镜对滤波后的图像进行缩放； 步骤S3 :所述的微波片阵列对步骤S2缩放后的图像进行偏振态调制，所述的单向偏振 片将进行偏振态调制后的图像转换成二维光强分布，所述的成像透镜将所述二维光强分布 耦合到所述的面阵相机，所述的面阵相机将光强数据传输至所述的计算机处理系统； 步骤S4 :所述的计算机处理系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到二维 图像上每个像素点的偏振态信息。
[0009] 较佳地，所述步骤S4具体包括以下步骤： 步骤S41 :所述的计算机处理系统采用公式幾鱗。计算出入 ItfI 射光的偏振态，其中，为面阵相机采集的数据，客为入射光偏振态，M为一 4 X 4的 Milller矩阵，用以描述偏振器件； 步骤S42 :所述的计算机处理系统采用步骤S41的方法对整个通光面进行计算，从而获 得图像整个二维面内的偏振态信息。
[0010] 与现有技术相比，本发明有以下有益效果： (1) 可测量包含旋光分量在内的全Stocks矢量； (2) 微波片阵列采用超快激光微加工制作，可对其引入的相位延迟主轴方向和延迟量 进行设计，优化性能，并且制作精度高，成本和技术要求较低； (3) 所采用的微波片阵列存在于透明基底的内部，便于对其表面进行镀膜和维护，可降 低成像光路中多重反射和散射等影响，从而提高成像质量。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明实施例测量装置的结构示意图。
[0012]图2为本发明实施例的微波片阵列结构示意图。
[0013] 主要组件符号说明] 图中：1为窄带滤波片，2为望远镜物镜，3为望远镜目镜，4为微波片阵列，5为单向偏 振片，6为成像透镜，7为面阵相机，8为计算机处理系统。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0015] 如图1所示，本实施例提供了一种基于微波片阵列的瞬时遥感偏振成像装置，包 括从左至右依次并排设置的望远镜物镜、望远镜目镜、成像透镜以及一面阵相机；所述的望 远镜物镜前方设置有一窄带滤波片，用于选择特定带宽；所述的望远镜目镜与所述的成像 透镜之间依次设置有一微波片阵列与一单向偏振片，其中所述微波片阵列设置在所述望远 镜目镜的焦距位置，用以对图像的偏振态进行调制，所述的单向偏振片设置于所述微波片 阵列和成像透镜之间，用以将二维偏振态分布转换成二维光强分布；所述成像透镜用以将 二维光强分布耦合到面阵相机中；所述面阵相机的输出端连接至一计算机处理系统，所述 的计算机处理系统包括中值滤波模块、傅里叶变换模块以及数组操作模块。
[0016] 进一步的，所述的微波片阵列的制作过程为：采用超快激光在一透明介质内部刻 蚀出若干个边长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，所构成的微型波片的光栅 方向和引入的相位延时与加工参数和光栅结构相关。调整加工参数使四个相邻的所述亚波 长光栅的光轴方向和引入的相位