本发明专利技术公开了一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法，该装置包括镜头模块、偏振片、角度旋转模块、高速相机成像模块；偏振片设置在高速相机成像模块前，角度旋转模块带动偏振片绕自身光轴匀速旋转，外部光线经过光学镜头会聚再经过偏振片入射到高速相机成像模块内，高速相机成像模块用于在偏振片匀速旋转过程中曝光多次，测量目标场景在不同偏振角度下的光强图像，并使用拍取的光强图像求解偏振图像。本发明专利技术能提高分时法偏振成像的成像帧频，实现对一定运动目标的跟踪拍摄，并改善分时法的实时性，从而能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证两者之间相互制约的矛盾。之间相互制约的矛盾。之间相互制约的矛盾。
【技术实现步骤摘要】
一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法
[0001]本专利技术涉及偏振成像
，尤其涉及一种基于分时法的快速偏振成像的装置及方法.
技术介绍
[0002]偏振是电磁波的重要特征之一，物质的偏振特性与性质密切相关，近年光电技术的发展催生了很多先进的目标信息探测技术，偏振成像技术就是其中的一个重要研究方向，偏振成像能够获取目标的二维图像信息和偏振态信息。偏振参数能够很好地表征被探测目标的性质特征，偏振信息在表达低照度和人工建筑目标方面有更丰富的内涵，反映目标的物理属性。偏振成像在军事侦察、伪装检测及航天遥感方面有着广泛的前景。
[0003]偏振成像技术可按同一像元偏振分量的获取方式来分类，主要分为以下四类，分别是分时、分振幅、分孔径以及分焦平面法。分时法因其结构简单、成本低等优点，是现在常用的偏振成像方法之一，目前分时法普遍按照时序依次获取同一目标场景不同偏振角度的三幅或者四幅光强图像来得到探测目标的偏振特性。
[0004]因为改变偏振测量角度的过程中需要一定的时间调节，当改变偏振测量角度所需时间较长时，分时法更适用于测量过程中目标和偏振成像探测系统处于相对静止状态的场合，在探测运动目标时测量结果误差较大。故目前的分时法一般意义上限于对(准)静态目标的偏振成像探测，存在一定的局限性。且由于受偏振片旋转速度、解偏算法等因素影响，偏振成像帧频较低，不能满足动态目标偏振探测，实时性有待改善。
[0005]例如针对大气探测的偏振测量仪器POLDER，其采用旋转片轮的方式，受其转轮调谐技术方案的限制，测量帧频很低(2
‑
3FPS)；亚利桑那大学与美国陆军工程研发中心合作研制了计算层析通道型光谱偏振成像仪CTISP，在偏振分析仪转轮上安装了多个不同偏振方向的偏振片和波片，该装置每设置一次偏振器件位置，进行一次成像。其缺点是完成一次偏振信息的测量需要较长时间，不能够在目标快速变化的情况下使用。
技术实现思路
[0006]本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于分时法的快速偏振成像装置及方法，以期能提高目前基于分时法偏振成像的成像帧频，实现对一定运动目标的跟踪拍摄，并改善分时法的实时性，从而能在一定程度上缓解分时法快速偏振成像帧频提升与偏振信息真实性保证这两者之间相互制约的矛盾。
[0007]本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：
[0008]本专利技术一种基于分时法的快速偏振成像装置的特点在于，包括：镜头模块、角度旋转模块、偏振片、高速相机成像模块；
[0009]在所述高速相机成像模块的前方设置有所述偏振片，所述角度旋转模块带动所述偏振片匀速旋转的同时，所述镜头模块中的光学镜头将外部光线会聚后再经过所述偏振片入射到所述高速相机成像模块内，所述高速相机成像模块在所述偏振片连续匀速旋转过程
中拍摄目标场景在不同偏振角度下的多幅光强图像以用于求解偏振图像。
[0010]本专利技术所述的基于分时法的快速偏振成像装置的特点也在于：所述高速相机成像模块在所述偏振片每次旋转一圈的时间内至少曝光五次。
[0011]所述角度旋转模块带动所述偏振片每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块拍摄一次图像，从而得到一系列在不同偏振角度下曝光时所拍摄的光强图像，其中，α<45
°
。
[0012]所述角度旋转模块包括：电机、转速检测装置和电机控制模块；
[0013]所述转速检测装置用于检测所述偏振片的转速，并实时向所述电机控制模块反馈所述偏振片的转速信息，所述电机控制模块再根据所述转速检测装置实时反馈的转速信息判断是否生成相应的转动控制指令送给所述电机，从而实现对所述偏振片的转速闭环控制。
[0014]所述电机为空心电机，从所述镜头模块中的光学透镜出射的光线在所述空心电机中心的孔径中通过，且所述偏振片置于所述空心电机的孔径内部。
[0015]本专利技术一种基于分时法的快速偏振成像方法的特点是应用于由镜头模块、角度旋转模块、偏振片、高速相机成像模块所组成的成像装置中，并按如下步骤进行：
[0016]S1、令所述偏振片绕其自身光轴旋转，当所述偏振片匀速平稳转动后，令所述高速相机成像模块开始拍照，并设定所述偏振片的透光轴与参考轴的初始夹角为0，之后所述偏振片每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块曝光一次，从而得到目标场景在不同偏振角度下曝光时所拍摄的K幅光强图像；
[0017]S2、根据所得到的K幅光强图像和已知探测器的焦平面像元数h
×
v，按照拍照时间顺序，每次计算偏振图像前，依次取前n幅光强图像，求解目标偏振态的Stokes参数，并根据所述Stokes参数与偏振度、偏振角之间的关系，求解出2
×
(K
‑
n+1)幅偏振图像，以实现偏振成像的测量：
[0018]S2.1、定义四个变量k、i、S、n，并初始化k＝1、i＝1、S＝h
×
v、n为一固定值且n≥5；
[0019]S2.2、按照拍照时间顺序，在第k次求解偏振图像时，使用第k幅到第k+n
‑
1幅的n幅光强图像，并利用式(1)表示在第k次解偏过程中求解各个像元的偏振信息时所用的矩阵方程：
[0020][0021]式(1)中，表示第k幅光强图像的第i个像元的光强值，表示第k+n
‑
1幅光强图像的第i个像元的光强值，表示与入射光的总强度有关的参量，表示与0
°
和90
°
方向的线偏振信息有关的参量，表示与45
°
和135
°
方向的线偏振信息有关的参量；
[0022]令3
×
1的Stokes矢量表征第k次解偏时第i个像元的偏振态；
[0023]令方程组系数矩阵
[0024]令光强值矩阵
[0025]S2.3、假设在等精度的测量条件下，使用式(2)所示的最小二乘法求解式(1)，得到第k次解偏时第i个像元的Stokes矢量的最佳估计解
[0026][0027]式(2)中，上标T表示矩阵的转置，上标
‑
1表示矩阵的逆；
[0028]S2.4、利用式(3)得到第k次解偏时第i个像元的偏振度
[0029][0030]S2.5、利用式(4)得到第k次解偏时第i个像元的偏振角
[0031][0032]S2.6、将i+1赋值给i，判断i>S是否成立，若成立，则表示第k次解偏完成；否则，返回步骤S2.2执行；
[0033]S2.7、将k+1赋值给k，判断k>K
‑
n+1是否成立，若成立，则表示K幅光强图像全部解偏完成，并得到2
×
(K
‑
n+1)幅偏振图像，且所述偏振图像是利用所述偏振度图像和偏振角图像来表征的；否则，返回步骤S2.2执行。
[0034]与现有技本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于，包括：镜头模块(1)、角度旋转模块(2)、偏振片(3)、高速相机成像模块(4)；在所述高速相机成像模块(4)的前方设置有所述偏振片(3)，所述角度旋转模块(2)带动所述偏振片(3)匀速旋转的同时，所述镜头模块(1)中的光学镜头将外部光线会聚后再经过所述偏振片(3)入射到所述高速相机成像模块(4)内，所述高速相机成像模块(4)在所述偏振片(3)连续匀速旋转过程中拍摄目标场景在不同偏振角度下的多幅光强图像以用于求解偏振图像。2.根据权利要求1所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述高速相机成像模块(4)在所述偏振片(3)每次旋转一圈的时间内至少曝光五次。3.根据权利要求2所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述角度旋转模块(2)带动所述偏振片(3)每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块(4)拍摄一次图像，从而得到一系列在不同偏振角度下曝光时所拍摄的光强图像，其中，α<45
°
。4.根据权利要求1所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述角度旋转模块(2)包括：电机、转速检测装置和电机控制模块；所述转速检测装置用于检测所述偏振片(3)的转速，并实时向所述电机控制模块反馈所述偏振片(3)的转速信息，所述电机控制模块再根据所述转速检测装置实时反馈的转速信息判断是否生成相应的转动控制指令送给所述电机，从而实现对所述偏振片(3)的转速闭环控制。5.根据权利要求4所述的基于分时法的快速偏振成像装置，其特征在于：所述电机为空心电机，从所述镜头模块(1)中的光学透镜出射的光线在所述空心电机中心的孔径中通过，且所述偏振片(3)置于所述空心电机的孔径内部。6.一种基于分时法的快速偏振成像方法，其特征是应用于由镜头模块(1)、角度旋转模块(2)、偏振片(3)、高速相机成像模块(4)所组成的成像装置中，并按如下步骤进行：S1、令所述偏振片(3)绕其自身光轴旋转，当所述偏振片(3)匀速平稳转动后，令所述高速相机成像模块(4)开始拍照，并设定所述偏振片(3)的透光轴与参考轴的初始夹角为0，之后所述偏振片(3)每旋转一个固定的角度增量值α时，所述高速相机成像模块(4)曝光一次，从而得到目标场景在不同偏振角度下曝光时所拍摄的K幅光强图像；S2、根据所得到的K幅光强图像和已知探测器的焦平面像元数h
【专利技术属性】
技术研发人员：陈迪虎，谢邵春，金伟，周佐达，熊伟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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