專利名稱：一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多波段偏振成像系統(tǒng)，特別涉及一種新型光機(jī)電一體化多波段偏振成像系統(tǒng)，集成用于數(shù)據(jù)采集與處理的電路控制單元硬件模塊。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，成像偏振光譜儀在國內(nèi)外已有原型樣機(jī)出現(xiàn)，在應(yīng)用上還存在著一定的缺陷和不足。如日本國立航空宇宙實驗室采用旋轉(zhuǎn)偏振電調(diào)諧濾光片技術(shù)來獲取偏振光譜圖像，存在成像系統(tǒng)可靠性差、采集圖像的精度差以及無法獲得同一瞬時目標(biāo)的真正偏振信息等問題，由于無法在同一瞬時獲得同一波段的偏振分量圖像，因此不能獲得目標(biāo)的真正偏振光譜信息。美國陸軍實驗室研制的基于LCVR和偏振電調(diào)諧濾光片，雖然能夠提高偏振分量轉(zhuǎn)換的速度，但依然存在無法獲得同一瞬時目標(biāo)的真正偏振信息和所獲得的偏振光譜圖像精度差等問題。美國空軍實驗室正在研制的基于偏振面陣CCD相機(jī)的成像偏振光譜儀，雖然不需旋轉(zhuǎn)偏振片，但由于偏振面陣CCD的制作難度較大，使這種成像偏振光譜儀仍難以實現(xiàn)。偏振光譜圖像雖具有較高的光譜分辨率，但需占用大量的計算機(jī)資源，這在實際應(yīng)用中是一種負(fù)擔(dān)，研究表明在特征波段上進(jìn)行目標(biāo)檢測、識別可以達(dá)到較高的精度，存儲量明顯小，并且所需計算資源也小得多。安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在偏振成像裝置的設(shè)計中，將入射光用三分棱鏡分成三份，實現(xiàn)在不同偏振角度下的面陣CCD成像，這種處理方式會使入射到CCD上的能量很少，導(dǎo)致CCD成像受噪聲影響很大，信噪比極低，難以滿足圖像分析要求；三線陣CCD推掃式偏振成像探測裝置雖然能很好的利用入射光的全部能量，但成像速度較慢，且為單波段偏振成像系統(tǒng)，存在功能單一、應(yīng)用范圍較窄等問題，難以滿足復(fù)雜多任務(wù)要求。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，克服現(xiàn)有探測手段只能獲取目標(biāo)表面輻射強(qiáng)度或只能獲取特定波段偏振圖像的缺陷。技術(shù)方案一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，其特征在于包括雙層濾光片轉(zhuǎn)輪、三個CCD相機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)、激光測距儀和計算機(jī)；三個CCD相機(jī)的前置設(shè)有偏振片，偏振片與被攝場景之間設(shè)有雙層濾光片轉(zhuǎn)輪，雙層濾光片轉(zhuǎn)輪受控于電機(jī)系統(tǒng)；三個CCD相機(jī)將攝取的圖像輸出至計算機(jī)進(jìn)行處理，同時激光測距儀將測得的距離信號輸出至計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)激光測距儀的信息，對圖像幾何校正和偏振圖像計算得到的偏振多波段后，再發(fā)送信號給電機(jī)系統(tǒng)控制雙層濾光片轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動；所述雙層濾光片轉(zhuǎn)輪上設(shè)有多個圓孔，每個圓孔內(nèi)設(shè)置一個雙層濾光片，每個雙層濾光片只允許白光中的特定波段的光通過；所述三個CXD相機(jī)的前置的偏振片的偏振角度為0°、60°和120° ;三個CCD相機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)和計算機(jī)處理之間的循環(huán)運(yùn)動關(guān)系為:電機(jī)系統(tǒng)控制雙層濾光片轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)1/6周時，觸發(fā)CCD相機(jī)成像，當(dāng)雙層濾光片轉(zhuǎn)輪完成I周時，計算機(jī)進(jìn)行圖像校正計算偏振參數(shù)；圖像校正結(jié)束存儲完成，計算機(jī)控制電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)重新使得轉(zhuǎn)雙層濾光片轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)1/6周，啟動下一周期。所述多個雙層濾光片為5個濾光片和I個中性片，5個濾光片的中心波長及帶寬分別為 400nm, IOnm ；450nm, IOnm ；550nm, 40nm ；650nm, IOnm ；700nm, IOnm0有益效果本發(fā)明提出的一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，采用三個不同偏振角度的CCD相機(jī)對同一場景進(jìn)行成像，同時控制電機(jī)自動旋轉(zhuǎn)濾光片轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)多波段偏振圖像。能夠獲取目標(biāo)像元對應(yīng)的多波段圖像立方體信息，包含目標(biāo)不同波段的像元輻射強(qiáng)度、偏振度、偏振方位角等重要參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的探測能力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):采用已成熟的濾光片轉(zhuǎn)輪、濾光片、偏振片和三CCD成像探測器，可以根據(jù)探測目的自定義選擇濾光片進(jìn)行探測，三CCD相機(jī)同時工作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、快速等優(yōu)點(diǎn)；通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動快速獲得圖像，且系統(tǒng)還具有圖像預(yù)處理、存儲及通信功能，因此能達(dá)到穩(wěn)定可靠工作、節(jié)省人力和財力的目的，其整機(jī)性能如下:I)可以根據(jù)探測目的要求，自定義選擇最多可達(dá)6個波段的成像；2)相機(jī)響應(yīng)時間在20ms以內(nèi)，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動周期小于150ms ；3)存儲量:可達(dá)4G，當(dāng)圖像達(dá)到存儲容量時，會啟用通信模塊與地面工作站進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移；4)通信能力:可以通過請求訪問式與地面工作站進(jìn)行圖像傳輸訪問；5)地面分辨率GSD (按航高2000m計算):優(yōu)于2m ；6)瞬時視場:IF0V=2m/2000m=lmrad ；7)數(shù)據(jù)動態(tài)范圍:14bit/16bit ；8)偏振分辨率:在每個波段可以獲得Stokes參數(shù)中的線偏振分量、線偏振度分量、偏振相角分量圖像。

圖1為本發(fā)明小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及一周期內(nèi)信號傳遞方向及電路控制單元各個部分實現(xiàn)的具體功能；圖2為濾光片轉(zhuǎn)輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；a:正視圖，b:側(cè)視圖;圖3為光在成像設(shè)備中的光路傳播路徑及偏振多波段數(shù)據(jù)立方體示意圖；a:光在成像設(shè)備中的光路傳播路徑，b:偏振多波段數(shù)據(jù)立方體；圖4為成像系統(tǒng)的信源到主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)流向圖；圖5為平臺運(yùn)動時，一周期內(nèi)0°偏振方向CXD在不同時刻所成圖像的公共區(qū)域。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:[0027]如圖1所示，系統(tǒng)包括濾光片轉(zhuǎn)輪、三CCD相機(jī)、電機(jī)、激光測距儀、電路控制單元等部分。如圖2所示，濾光片轉(zhuǎn)輪位于系統(tǒng)的最前端，只允許白光中的特定波段的光通過；緊接著是相機(jī)鏡頭前的偏振片，三偏振片的透光軸與參考方向分別固定為0°、60°、120°。在每一偏振片之后分別放一 (XD相機(jī)進(jìn)行成像,本方案選取5個濾光片和I個中性片，5個濾光片的中心波長及帶寬分別為400nm, IOnm; 450nm, IOnm; 550nm, 40nm; 650nm,10nm;700nm，10nm。轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)如圖所示。濾光片安裝在轉(zhuǎn)輪的各個孔內(nèi)。本例CCD相機(jī)是維視MV-1300，轉(zhuǎn)輪的驅(qū)動電機(jī)為leadshine-1.8/4.0A步進(jìn)電機(jī)。激光測距儀是東方金炬BFlOOO 型號。CXD的成像過程是由電路控制單元控制的。電路控制單元包括電機(jī)系統(tǒng)和計算機(jī)，是本系統(tǒng)的核心部件，I)首先由電路控制單元中的電機(jī)控制模塊控制進(jìn)行電機(jī)初始化，電機(jī)和濾光片轉(zhuǎn)輪之間同軸帶動，精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使濾光片轉(zhuǎn)輪到正確位置，也即使濾光片轉(zhuǎn)輪兩層之間的孔完全重合；2)接著發(fā)送反饋信號給CCD相機(jī)控制模塊，同時控制三CCD相機(jī)，自動曝光進(jìn)行成像，成像完畢后進(jìn)行圖像的保存，該功能由電路控制單元中的圖像存儲模塊完成；3)完成后該模塊發(fā)送反饋信號給電機(jī)控制模塊，控制電機(jī)帶動濾光片轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動1/6周；4)轉(zhuǎn)動完畢后，重復(fù)2，3直至一個周期；5) —周期后，圖像存儲模塊的反饋信號對圖像計算模塊進(jìn)行觸發(fā)，并根據(jù)激光測距儀等提供的所需信息，對包括圖像幾何校正和偏振圖像計算的圖像和單元模塊并進(jìn)行計算后得到的偏振多波段圖像存儲，完畢后發(fā)送信號給電機(jī)控制模塊，進(jìn)行下一周期，重復(fù)1，2，3，4，5。地面通過向電路控制單元中的通信模塊發(fā)送訪問請求信號，可以傳輸回計算單元計算得到的偏振多波段圖像?？刂茊卧恼掌? 由于三個C⑶相機(jī)之間存在位置差異且固定，所成的像也存在一些像元偏移，也即三個CXD相機(jī)的圖像中的同一圖像坐標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)存在差異，而獲取Stokes及偏振參數(shù)圖像需對不同偏振角度下的圖像的同一坐標(biāo)的像元進(jìn)行加減操作來獲得目標(biāo)點(diǎn)的Stokes參數(shù)及偏振參數(shù)，因而需對對這種差異進(jìn)行校正。首先我們考慮平臺、轉(zhuǎn)輪靜止的情況，假設(shè)三個相機(jī)中心分別為A，B，C，在世界坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)分別為Aw(xaw，yaw，zaw, I)T, Bw (xbw, ybw, zbw, I)T, Cw (xcw, ycw, zcw, I)T,三 CCD 的相機(jī)矩陣為 P = K (R, t)。A, B, C之間的攝像機(jī)坐標(biāo)系可以根據(jù)其相對位置確定，令A(yù)，B，C在攝像機(jī)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)分別為 Ac (xac, yac, zac, 1)T, Bc (xac+av yac+hv za+cv 1)T, Cc (xac+a2, yac+b2, zac+c2, 1)T,其中a1； b1； C1, a2, b2, C2根據(jù)三CXD相機(jī)的相對位置可以精確測量得到。Aw = ^ -'A Ac，其中A為A在世界坐標(biāo)系中的非齊次坐標(biāo)，同理R2, R3滿足:
「 π 兄-1B Bw= ； ^ Bc
L0 I」
「 I P R' -RiCCw = I ) Cc
Or I則在世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)X(X，y, z, I)在三個相機(jī)圖像中的齊次坐標(biāo)為:mA = P1X = K (R1, t) X = KR1 (I，—A) XmB = P2X = K (R2j t)X = KR2 (I，_B)X[0036]mc = P3X = K (R3, t)X = KR3 (I, _C) XmA, mB, mc為同一目標(biāo)點(diǎn)在三個CXD像平面的齊次坐標(biāo)，根據(jù)這種幾何對應(yīng)關(guān)系在得到Stokes參數(shù)及偏振參數(shù)時可以很簡便的消除像元偏移。當(dāng)平臺運(yùn)動且濾光片轉(zhuǎn)輪也轉(zhuǎn)動時，我們首先找出獲得的I組18幅圖像重疊公共區(qū)域。濾光片轉(zhuǎn)輪工作一周，三只CCD成像與偏振角度、波段之間的關(guān)系如表I所示:從表中可以得出，濾光片轉(zhuǎn)動一周，可以分別獲得18幅圖像，對應(yīng)6個波段3個不同偏振角度下的圖像。附圖4中的大括號區(qū)域為濾光片轉(zhuǎn)動一周期后對應(yīng)0°偏振方向找出的6幅圖像的公共部分；其次對每一偏振方向找出的圖像公共部分按照上面方法進(jìn)行校正。表I轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動一周獲得的不同偏振角度多波段圖像
權(quán)利要求1.一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，其特征在于包括雙層濾光片轉(zhuǎn)輪、三個CCD相機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)、激光測距儀和計算機(jī)；三個CCD相機(jī)的前置設(shè)有偏振片，偏振片與被攝場景之間設(shè)有雙層濾光片轉(zhuǎn)輪，雙層濾光片轉(zhuǎn)輪受控于電機(jī)系統(tǒng)；三個CCD相機(jī)將攝取的圖像輸出至計算機(jī)進(jìn)行處理，同時激光測距儀將測得的距離信號輸出至計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)激光測距儀的信息，對圖像幾何校正和偏振圖像計算得到的偏振多波段后，再發(fā)送信號給電機(jī)系統(tǒng)控制雙層濾光片轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動；所述雙層濾光片轉(zhuǎn)輪上設(shè)有多個圓孔，每個圓孔內(nèi)設(shè)置一個雙層濾光片，每個雙層濾光片只允許白光中的特定波段的光通過；所述三個CCD相機(jī)的前置的偏振片的偏振角度為O。、60°和120° ;三個CCD相機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)和計算機(jī)處理之間的循環(huán)運(yùn)動關(guān)系為:電機(jī)系統(tǒng)控制雙層濾光片轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)1/6周時，觸發(fā)CCD相機(jī)成像，當(dāng)雙層濾光片轉(zhuǎn)輪完成I周時，計算機(jī)進(jìn)行圖像校正計算偏振參數(shù)；圖像校正結(jié)束存儲完成，計算機(jī)控制電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)重新使得轉(zhuǎn)雙層濾光片轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)1/6周，啟動下一周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述多個雙層濾光片為5個濾光片和I個中性片，5個濾光片的中心波長及帶寬分別為400nm，IOnm ;450nm，IOnm ;550nm，40nm ;650nm，IOnm ;700nm，IOnm0
專利摘要本實用新型涉及一種小型自動濾光片轉(zhuǎn)輪多波段偏振成像系統(tǒng)，其特征在于包括雙層濾光片轉(zhuǎn)輪、三個CCD相機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)、激光測距儀和計算機(jī)；三個CCD相機(jī)的前置設(shè)有偏振片，偏振片與被攝場景之間設(shè)有雙層濾光片轉(zhuǎn)輪，雙層濾光片轉(zhuǎn)輪受控于電機(jī)系統(tǒng)；三個CCD相機(jī)將攝取的圖像輸出至計算機(jī)進(jìn)行處理，同時激光測距儀將測得的距離信號輸出至計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)激光測距儀的信息，對圖像幾何校正和偏振圖像計算得到的偏振多波段后，再發(fā)送信號給電機(jī)系統(tǒng)控制雙層濾光片轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動。通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動快速獲得圖像，且系統(tǒng)還具有圖像預(yù)處理、存儲及通信功能，因此能達(dá)到穩(wěn)定可靠工作、節(jié)省人力和財力的目的。
文檔編號G01J4/04GK202974441SQ20122034931
公開日2013年6月5日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者趙永強(qiáng), 張清勇, 楊勁翔 申請人:西北工業(yè)大學(xué)