基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统及方法与流程

1.本发明涉及高光谱偏振成像技术领域，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统及方法。


背景技术：

2.成像探测作为一种获取目标图像信息的重要手段，在目标识别、地质勘查、地图绘制、卫星遥感、医学、监控及工农业生产等诸多领域中都有着广泛的应用。传统的成像技术主要采集来自目标辐射的光谱和强度信息。当目标处于与其辐射强度相当的背景中时，目标受到复杂背景信号的影响而被淹没，或目标在水下时，水的散射及水面的反射造成图像反差下降，从而影响对目标物体的观测与识别，特别是对隐藏或伪装的目标，采用传统的强度成像技术无法有效检测与识别。为实现在这些复杂背景使用环境中识别和捕获感兴趣的目标，需要发展新的成像技术。随着成像技术不断发展，人们逐渐认识到目标的偏振信息在目标探测和识别中的重要性。成像偏振光谱技术是获取信息的一种非常重要的手段，该技术不仅能够很好地分辨目标上的低反射区域和轮廓，而且还能够在复杂的背景环境下识别出被测目标的三维信息，由于地表或大气中的地物目标在反射、散射、透射和辐射电磁波的过程中，会产生由自身特性所决定的特定偏振信息，目标的偏振特征可提供表面粗糙度、纹理走向、表面取向、电导率、材料的理化特性等信息。不同物体甚至不同状态的同一物体产生的偏振信息都会有一定的差别。通过观测目标的偏振特性就可以确定目标物的存在或状态，如隐藏或伪装的目标与背景具有相同的强度信息，则常规成像手段难以探测，而采用偏振技术，根据其偏振状态与背景的差异，可有效识别和观测。利用偏振技术还可以降低杂乱背景的影响，在复杂的辐射环境中检测出有用的信息，有效提高目标检测和识别能力。将偏振技术与成像技术相结合，即光学强度成像和偏振技术有机结合，可同时获取目标物体二维空间位置信息和测量目标的偏振态，目标辐射或反射光的偏振特性与物体的内部结构或表面特征相关，相比强度成像，偏振成像增加了三个维度(偏振度、偏振方向、偏振椭率)，大大提高了信息量，利用目标辐射、透射、反射或散射光的偏振特性，可以分析目标的物理和化学特性，结合空间特性，可对目标进行有效的观测和识别。因此，偏振成像技术受到人们广泛关注，已成为当代成像遥感技术发展的前沿方向之一。目前，偏振测量在生物医学、材料学、光学元件制造、目标识别、天文、海洋探测、计算机视觉、遥感等领域都有重要应用。
3.偏振光有多种描述方式，包括三角函数法、琼斯矢量法、斯托克斯矢量法和邦加球图示法等。其中，琼斯矢量法和斯托克斯矢量法都是采用一个矢量来表示特定偏振态的光，并利用矩阵描述介质对偏振光的传输特性，通过矩阵问的乘法，可以十分方便的将光线在介质中的传输过程描述出来，并可应用于计算机的自动计算。相对于琼斯矢量，斯托克斯矢量不仅可以描述完全偏振光，也可以描述部分偏振光和完全非偏振光，而且斯托克斯矢量的四个元素均为实数，计算时更为方便,所以在偏振光测量领域大多采用斯托克斯矢量来表征光的偏振状态。斯托克斯矢量具有四个参量，分别为s0、s1、s2、s3，其定义如下式：
[0004][0005]
式中s0或i代表光波的强度,即在不加检偏装置的情况下原始的光强信息；s1代表光波的水平偏振分量与垂直偏振分量强度之差；s2代表光波沿45
°
方向的偏振分量与沿135
°
方向的偏振分量强度之差；s3代表光波的右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的强度之差。根据斯托克斯矢量计算偏振度dop、偏振角aop和椭圆率角w，分别为：
[0006][0007][0008][0009]
早期的偏振成像系统一般只能获取目标的线偏振分量，随着目标探测技术的发展，不完全的偏振成像系统越来越不能满足现代目标探测与识别的需要，目标的圆偏振分量同样非常重要，特别是在观测人造金属目标或水下目标等应用中。最初的完全偏振成像系统采用时序成像的方法，即以时间序列依次获取目标的多个偏振分量图。根据偏振测量理论，目标多个偏振分量图像必须在相同的条件下获得，时序偏振成像结果的正确性依赖于整个成像过程中目标和相机都处于静止状态且光辐射环境不变。在采集目标时，需要多次拍摄成像，系统引起的误差较大，虚假偏振信息过多。然而在实际使用环境中，相机或摄像机可能处于运动中，或需要检测运动的目标，使用时序测量法测量时会引入误差甚至虚假偏振信息。当偏振成像系统与目标存在相对运动时或者拍摄场景为动态情况，采用这种分时型成像系统便无法满足使用场景需求。
[0010]
高光谱探测技术的基本作用原理是在大量相邻或重叠的密集光谱波段中收集被测目标的反射或者辐射数据，它是将光学、电子技术、光谱学、图像处理、精密机械以及计算机科学技术结合到一起的一门综合学科，而且它可以把成像传感器的空间分辨能力和光谱仪的光谱分辨能力有效相结合在一起，同时，它也是成像系统将分光技术与光谱图像处理技术完美结合的产物。高光谱遥感图像数据不仅可以提供被识别目标丰富的空间结构信息以及众多的光谱信息，还可以提供被识别目标的表面二维数据和被测空间中任何区域相对应的像素的第三维光谱数据。单位波长范围内的光谱谱段越多，也就是能分辨的最小波长间隔越小，光谱带宽就越窄，相应的光谱分辨率也就越高，进而得到的光谱曲线也就连续而且更平滑，刻画出来被识别目标的特性越接近真实。由于高光谱成像技术可以得到比多光谱遥感更多的被测目标的特征信息，已经在遥感领域引起了诸多科学家的广泛关注，所以在近几十年得到了非常迅猛的发展。高光谱成像探测技术的基本原理是测谱学，然而测谱
学最初在上世纪初是被应用于研究分子和原子的基本结构，经过六十多年的发展才逐渐形成了现在遥感领域中的高光谱成像技术。在实际的军事伪装目标识别或者大气环境监控应用中，需要对被测目标进行详细深入的分析，然而多光谱遥感技术只能提供有限的几个或者几十个光谱波段，这远远不能够对目标进行准确的判断，也就不能满足实际需求，而高光谱成像技术可以获取到电磁波谱紫外、可见光、近红外、短波红乃至中长波外区域内大量连续的光谱信息，可以为被测目标的每个像元提供几十乃至几百个光谱宽度小于10nm的窄波段光谱数据，据此可以描绘出一条完整而且连续的光谱曲线，这也是高光谱成像技术高速发展的基本动因。光谱成像仪器的成像作用原理按照其分光方式的不同，主要有棱镜光栅色散型光谱成像仪、干涉型光谱成像仪、滤光片型光谱成像仪、计算层析光谱成像仪以及二元光学元件光谱成像技术等。而光谱成像仪中的核心部件——光束色散单元，直接决定着光谱成像仪的分辨率、成像质量等基本性能。
[0011]
声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter，aotf)是超声波与光波可以在各向异性介质中发生声光作用的一种新型的分光元件。aotf主要是由声光介质、压电换能器、吸收体以及频率驱动器组成。超声波驱动器发射出带有一定频率的超声波信号，经过压电换能器将其输入声光介质中，进而在声光介质中形成一个“超声波光栅”。入射光波与超声波满足动量匹配条件时，在介质内发生非线性效应，产生衍射光波。这一个过程相当于入射光波经过这个“超声波光栅”后，被衍射成窄带衍射光的过程。也可以解释为，宽带光源经过aotf这个分光色散元件后被选择出单一波长的光的过程，通常，我们将此过程称之为声光调制。这种固体带通滤波器与传统分光器件相比较，具有以下显著的优点：
[0012]
(1)波长调谐稳定、可靠而且范围宽；
[0013]
(2)衍射光谱输出波长切换速度快，通常只有几个微秒；
[0014]
(3)能够获得很高的消光比；
[0015]
(4)工作方式灵活多样，具有单点扫描、连续扫描、随机扫描以及多点扫描等方式，非常适合工作于多光谱成像、高光谱成像领域；
[0016]
(5)可以利用计算机控制电信号选择衍射光的波长或强度等参数的输出；
[0017]
(6)拥有较大的入射光角孔径和输出孔径，非常适合应用于成像中；
[0018]
(7)整体质量轻，体积小、所有元件都为固体结构，没有移动部件，抗干扰能力强，适合应用于机载、星载等系统中；
[0019]
(8)通光量大，在调谐范围的衍射光光谱分辨率和衍射效率都较高；
[0020]
(9)功耗非常低，通常小于2w；
[0021]
aotf拥有与其它传统分光元件无可比拟的强大优势，因而在诸多的光学研究中具有非常大的应用潜力，特别是在生命科学和航空航天领域。因其波长调谐范围可以从紫外波段一直到长波红外区域，且波长切换速度快，aotf作为分光元件的新势力，在最近几十年得到了高速发展，已经成为光谱成像应用中不可或缺的核心器件。根据声光相互作用方式，aotf可以分为共线型设计和非共线型设计。共线型设计就是入射光波矢、超声波矢共线与衍射光波矢共线，入射光与超声波声光互作用以后，产生的衍射光和透射光以相同的方向传播，由于二者的偏振方向相互垂直，最后可以利用光透射、超声波反射或者光反射、超声波透射的方式将其分开，这种互作用方式在制作和应用上都不方便，而且不是在任何情况下都可以实现声光互作用，又由于其孔径角小，所以在实际应用中十分有限。非共线设计，
性能优良，也是应用最广的一种类型，通过引起动量失配可以制作大孔径的声光可调谐滤波器，因此被广泛应用于光谱分析、光学图像采集、大气污染实时监控、复色光信息分析、相干光源扫描、波分复用技术及成像偏振探测中。
[0022]
传统的完全偏振成像系统采用时序测量法，即以时间序列依次获取被测目标的多个偏振分量图，目标的多个偏振分量图像必须在相同的条件下获得，时序偏振成像结果的正确性依赖于整个成像过程中目标和探测系统都处于静止状态或相对静止状态，且光辐射环境不变。然而在实际使用环境中，探测器可能处于运动中，或实际检测的目标是运动目标，那么使用时序测量法测量时会引入误差甚至虚假偏振信息。为此，需要发展实时偏振探测技术，即通过一次曝光就获得目标的多幅偏振分量图像。
[0023]
典型的实时偏振探测技术就是分孔径偏振成像系统，分孔径系统由偏振元件和透镜阵列组成。该系统是二次成像系统，某时刻目标反射的光进入系统，经过偏振通道和分孔径成像系统分成4个通道，利用中继成像系统将4束光成像到探测器焦平面上，该类型系统在设计上仍存在难点，如离轴透镜阵列的分布及后置成像物镜与探测器的配准等问题需要在设计中着重解决。


技术实现要素：

[0024]
本发明的目的是解决现有偏振探测技术存在探测系统中光学器件匹配条件严格、探测精度不准确以及不能广泛适用于对运动目标进行实时探测的技术问题，而提供了一种基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统及方法。
[0025]
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0026]
一种基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统，其特殊之处在于：包括设在入射光路上的前置光束准直系统、宽带分束器、第一探测单元、第二探测单元、第一超声波射频驱动器、第二超声波射频驱动器及计算机；所述计算机分别与第一探测单元、第二探测单元、第一超声波射频驱动器、第二超声波射频驱动器连接，用于控制第一超声波射频驱动器和第二超声波射频驱动器发射超声波，以及对第一探测单元、第二探测单元探测的偏振信息进行处理；
[0027]
入射光经前置光束准直系统压缩准直入射至宽带分束器，分光形成非偏振透射光和非偏振反射光；所述第一探测单元包括第一声光可调滤波器、第一楔棱镜、第一探测器、第二楔棱镜及第二探测器；非偏振透射光入射至第一声光可调滤波器，非偏振透射光在第一声光可调滤波器中与第一超声波射频驱动器发射的超声波发生声光互作用分别产生第一偏振衍射光和第二偏振衍射光；所述第一楔棱镜和第一探测器依次设置在第一偏振衍射光路上，第二楔棱镜和第二探测器依次设置在第二偏振衍射光路上；所述第一探测器和第二探测器的输出端分别与计算机连接；
[0028]
所述第二探测单元包括光束横向分离器、第一半波片和第二半波片、第二声光可调滤波器、第三楔棱镜、第四楔棱镜、第三探测器及第四探测器；非偏振反射光入射至光束横向分离器形成偏振方向正交的两束平行光，第一半波片和第二半波片分别设置在两束平行光的光路上，两束平行光在第二声光可调滤波器中与第二超声波射频驱动器发射的超声波发生声光互作用分别产生第三偏振衍射光和第四偏振衍射光；所述第三楔棱镜和第三探测器依次设置在第三偏振衍射光路上，第四楔棱镜、第四探测器依次设置在第四偏振衍射
光路上；所述第三探测器、第四探测器的输出端分别与计算机连接。
[0029]
进一步地，所述第一声光可调滤波器与非偏振透射光的光轴方向垂直；
[0030]
所述光束横向分离器与非偏振反射光的光轴方向垂直。
[0031]
进一步地，所述第一超声波射频驱动器和第二超声波射频驱动器发射的超声波强度和频率值相同。
[0032]
进一步地，所述光束横向分离器由直角棱镜和平行四边形棱镜胶合而成，胶合面ab镀有半透半反的偏振分束膜，入射光束50％透过胶合面ab、50％经胶合面ab反射形成偏振方向正交的两束平行的偏振光；
[0033]
所述平行四边形棱镜与胶合面ab相对的反射面cd镀有高反射膜，反射率为100％；
[0034]
所述光束横向分离器光束出射的直角棱镜出射面be、平行四边形棱镜出射面bd镀有增透膜。
[0035]
进一步地，第一声光可调滤波器和第二声光可调滤波器的声光互作用介质切割方向、物理尺寸、镀膜种类、声光换能器和吸收体大小位置均相同；入射所述第一声光可调滤波器和第二声光可调滤波器的入射光的入射角、超声波的入射角、光学孔径角参数均相同；
[0036]
第一超声波射频驱动器和第二超声波射频驱动器的性能指标均相同，具体为横截面、密度、电端的电压、电流、声端的作用力、质点的振动速度以及最终形成的声阻抗、半波长频率、相对厚度以及相移相同。
[0037]
进一步地，所述第一偏振衍射光和第二偏振衍射光的偏振方向垂直；
[0038]
所述第三偏振衍射光和第四偏振衍射光的偏振方向垂直。
[0039]
进一步地，所述宽带分束器采用宽带非偏振分束器，分光比例为50％:50％；
[0040]
所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器均为面阵探测器均为面阵探测器；
[0041]
所述第一楔棱镜、第二楔棱镜、第三楔棱镜和第四楔棱镜分别固定设置在第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器的成像位置。
[0042]
本发明还提供了一种基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0043]
步骤1)、搭建如上述的基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统，前置光束准直系统收集远场目标的反射光、辐射光或者透射光，经光束准直系统压缩准直后入射至宽带分束器；
[0044]
步骤2)、通过计算机控制第一超声波射频驱动器，使其发射的超声波在第一声光可调滤波器中与经过宽带分束器透射的非偏振透射光满足动量匹配条件，发生声光互作用，达到等值平衡，产生 1级第一偏振衍射光和-1级第二偏振衍射光；
[0045]
步骤3)、对第一偏振衍射光和第二偏振衍射光分别通过第一楔棱镜和第二楔棱镜进行色散补偿，利用第一探测器和第二探测器接收第一偏振衍射光和第二偏振衍射光的光谱信息并传输至计算机；
[0046]
步骤4)、使经宽带分束器反射的非偏振反射光垂直入射至光束横向分离器，并分别通过第一半波片和第二半波片改变偏正方向，形成两束平行且偏振方向正交的偏振光；
[0047]
步骤5)、通过计算机控制第二超声波射频驱动器，使其发射的超声波在第二声光可调滤波器与两束平行且偏振方向正交的偏振光满足动量匹配条件，发生声光互作用，达
第一探测器，6-第二楔棱镜，7-第二探测器，8-第一超声波射频驱动器，9-光束横向分离器，10-第一半波片，11-第二半波片，12-第二声光可调滤波器，13-第三楔棱镜，14-第四楔棱镜，15-第三探测器，16-第四探测器，17-第二超声波射频驱动器，18-计算机。
具体实施方式
[0062]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0063]
如图1所示，本实施例提供的基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统，包括设在入射光路上的前置光束准直系统1、宽带分束器2、第一探测单元、第二探测单元、第一超声波射频驱动器8、第二超声波射频驱动器17及计算机18；计算机18分别与第一探测单元、第二探测单元、第一超声波射频驱动器8、第二超声波射频驱动器17连接，用于控制第一超声波射频驱动器8和第二超声波射频驱动器17发射超声波，以及对第一探测单元、第二探测单元探测的偏振信息进行处理；
[0064]
入射光为远场目标的反射光、辐射光或者透射光，入射光经前置光束准直系统1压缩准直入射至宽带分束器2，宽带分束器2采用宽带非偏振分束器，分光比例为50％:50％，分光形成非偏振透射光和非偏振反射光，即透射光与反射光强度相同。
[0065]
第一探测单元包括第一声光可调滤波器3、第一楔棱镜4、第一探测器5、第二楔棱镜6及第二探测器7；非偏振透射光垂直入射至第一声光可调滤波器3，非偏振透射光在第一声光可调滤波器3中与第一超声波射频驱动器8发射的超声波发生声光互作用从而产生偏振光，即入射光波矢量、超声波矢量与衍射光波矢量恰好满足动量匹配条件，且超声波可以同时与入射o光、e光发生声光互作用，恰好达到等值平衡条件。声光互作用后的非偏振透射光以一定角度分离的偏振方向正交的两束衍射光输出，两束衍射光的光路上分别设置有第一楔棱镜4、第一探测器5和第二楔棱镜6、第二探测器7，第一探测器5和第二探测器7将接收两束衍射光的光谱信息传输至计算机18。第一楔棱镜4和第二楔棱镜6的主要作用是反向补偿由色散引起的宽带光源漂移。
[0066]
第二探测单元包括光束横向分离器9、第一半波片10和第二半波片11、第二声光可调滤波器12、第三楔棱镜13、第四楔棱镜14、第三探测器15及第四探测器16；非偏振反射光入射至光束横向分离器9形成偏振方向正交的两束平行光，两束平行光的光路上分别设置有第一半波片10和第二半波片11，经过第一半波片10和第二半波片11后两束平行光的偏振方向旋转45
°
，两束平行偏振光垂直进入第二声光可调滤波器12中与第二超声波射频驱动器17发射的超声波发生声光互作用，即入射光波矢量、超声波矢量与衍射光波矢量恰好满足动量匹配条件，且超声波可以同时与入射o光、e光发生声光互作用，恰好达到等值平衡条件；声光互作用后形成以一定角度分离的偏振方向正交的两束衍射光，这两束偏振衍射光的光路上分别设置有第三楔棱镜13、第三探测器15和第四楔棱镜14、第四探测器16，第三探测器15和第四探测器16将接收偏振衍射光的光谱信息传输至计算机18。第三楔棱镜13和第四楔棱镜14的主要作用是反向补偿由色散引起的宽带光源漂移。
[0067]
对动目标信息采集时，计算机18同时对第一超声波射频驱动器8和第二超声波射频驱动器17发出相同的超声波强度、频率值指令，由计算机18对第一探测器5、第二探测器7、第三探测器15和第四探测器16的偏振图像进行存储、计算得到斯托克斯四个参数，进一步计算得到偏振度dop、偏振角aop和椭圆率角w等参数。
[0068]
如图2所示，光束横向分离器9是由一块直角棱镜和一块平行四边形棱镜胶合而成，胶合面ab镀有半透半反的偏振分束膜，入射光束50％透过该面、50％经该面反射形成偏振方向正交的偏振光；cd面镀有高反射膜，对入射光100％反射；光束be面、bd面镀有增透膜，对入射光束增大透过率。
[0069]
第一声光可调滤波器3和第二声光可调滤波器12的各项性能指标都相同，即声光互作用介质切割方向、物理尺寸、镀膜种类、声光换能器和吸收体大小位置均相同，入射第一声光可调滤波器3和第二声光可调滤波器12的入射光的入射角、超声波的入射角、光学孔径角参数均相同。
[0070]
第一超声波射频驱动器8、第二超声波射频驱动器17各项性能指标都相同；
[0071]
第一探测器5、第二探测器7、第三探测器15和第四探测器16均为面阵探测器；第一楔棱镜4、第二楔棱镜6、第三楔棱镜13和第四楔棱镜14根据对应光束的色散范围进行补偿设置，保证对应光束不发生漂移，固定在对应探测器上的成像位置。
[0072]
利用上述基于声光可调谐滤波器的实时高光谱偏振成像系统的成像方法，具体包括以下步骤：
[0073]
步骤1)、搭建上述光学系统，将前置光束准直系统1置于远场目标的反射光、辐射光或者透射光视场内，经光束准直系统1压缩准直后入射至宽带分束器2；
[0074]
步骤2)、通过计算机18控制第一超声波射频驱动器8，使其发射的超声波在第一声光可调滤波器3中满足动量匹配、等值平衡，与经宽带分束器2透射的非偏振透射光发生声光互作用，产生
±
1级第一偏振衍射光和第二偏振衍射光；
[0075]
步骤3)、对
±
1级第一偏振衍射光和第二偏振衍射光分别通过第一楔棱镜4和第二楔棱镜6进行色散补偿，利用第一探测器5和第二探测器7接收
±
1级第一偏振衍射光和第二偏振衍射光的光谱信息并传输至计算机18；
[0076]
步骤4)、使经宽带分束器2反射的非偏振反射光垂直入射至光束横向分离器9，并分别通过第一半波片10和第二半波片11改变偏正方向，形成两束平行且偏振方向正交的偏振衍射光；
[0077]
步骤5)、通过计算机18控制第二超声波射频驱动器17，使其发射的超声波在第二声光可调滤波器12中满足动量匹配、等值平衡，与两束平行且偏振方向正交的偏振衍射光发生声光互作用，产生
±
1级第三偏振衍射光和第四偏振衍射光；
[0078]
步骤6)、对
±
1级第二偏振衍射光分别通过第三楔棱镜13和第四楔棱镜14进行色散补偿，利用第三探测器15和第四探测器16接收
±
1级第二偏振衍射光的光谱信息并传输至计算机18；
[0079]
步骤7)、根据对四个探测器分别接收到不同偏振方向的目标辐射高光谱偏振信息，利用斯托克斯矢量法计算得到远场目标的偏振度dop、偏振角aop和椭圆率角w等参数。
[0080]
第一声光可调滤波器3和第二声光可调滤波器12内发生声光互作用的等值平衡条件指：超声波可以同时和入射o光、入射e光发生声光互作用。
[0081]
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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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技术方案的范围。