基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法
阅读说明：本技术 基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法 (Multi-spectral-band polarized light transmission characteristic testing device and method based on passive imaging ) 是由 付强 司琳琳 李英超 战俊彤 张萌 张肃 段锦 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法,属于光电探测技术领域。测试装置包括前置光学子系统、可见光及短波红外偏振成像子系统、中波红外及长波红外偏振成像子系统、图像采集及处理子系统以及电路控制子系统。本发明基于被动成像原理,将多光谱技术和偏振技术相融合,可以在可见光、短波红外光、中波红外光以及长波红外光四个谱段进行工作,进而分析得到多谱段偏振光的传输特性,是对单谱段偏振光传输特性测试装置及方法的有益补充。其中波长调制单元Ⅰ和波长调制单元Ⅱ均采用声光可调滤波器或液晶可调滤波器,从而实现在宽谱段内入射光波的波长调试,避免了频繁更换滤光片引起的测量误差,提高了测量精度和工作效率。(A multi-spectral-band polarized light transmission characteristic testing device and method based on passive imaging belong to the technical field of photoelectric detection. The testing device comprises a preposed optical subsystem, a visible light and short wave infrared polarization imaging subsystem, a medium wave infrared and long wave infrared polarization imaging subsystem, an image acquisition and processing subsystem and a circuit control subsystem. The device and the method are based on a passive imaging principle, a multispectral technology and a polarization technology are fused, the device and the method can work in four spectral bands of visible light, short-wave infrared light, medium-wave infrared light and long-wave infrared light, and then the transmission characteristics of the multispectral polarized light are obtained through analysis, and the device and the method are beneficial to supplement of a single-spectral-band polarized light transmission characteristic testing device and method. The wavelength modulation unit I and the wavelength modulation unit II both adopt acousto-optic tunable filters or liquid crystal tunable filters, so that the wavelength of incident light waves in a wide spectrum band is debugged, the measurement error caused by frequent replacement of optical filters is avoided, and the measurement precision and the working efficiency are improved.)
技术领域
本发明属于光电探测
技术领域
，特别是涉及到一种基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法。背景技术
光电信息获取分为主动和被动两种方式。被动式探测方式通过探测目标的可见度、红外辐射实现目标探测、识别，由于其本身具有不发射任何特征信号，隐蔽性好等优点，在军事上得到极其广泛的应用。
随着科学技术的发展和生产生活的需要，对成像探测也有了更广泛的要求，通常的成像探测主要检测目标物体的反射光的光谱的强度信息，从而获得目标物体的尺寸、形状、种类、方位等信息进而对目标物体进行分析、识别和跟踪等操作。而当成像目标物体的背景环境比较恶劣时，比如有雾或霾、非均匀照明、低照度等，目标物体受复杂的背景噪声的影响太大而无法单单依靠光的强度信息来进行探测。而为了在复杂背景环境中准确有效地识别和检测出特定目标，特别是细小的、具有隐藏能力的特殊目标，更是对成像探测提出了新的挑战。
为了实现在复杂背景环境下目标的更准确探测就需要利用到光的偏振信息，在这种情况下，高效、精确测量偏振光的传输特性尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法用于解决复杂背景环境中特定目标不易准确有效识别的技术问题。
基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置，包括前置光学子系统、可见光及短波红外偏振成像子系统、中波红外及长波红外偏振成像子系统、图像采集及处理子系统以及电路控制子系统，所述前置光学子系统、可见光及短波红外偏振成像子系统、中波红外及长波红外偏振成像子系统共同装载于同一平面上，前置光学子系统的出射光线分别入射进可见光及短波红外偏振成像子系统以及中波红外及长波红外偏振成像子系统；所述可见光及短波红外偏振成像子系统的光轴与中波红外及长波红外偏振成像子系统的光轴平行，并且可见光及短波红外偏振成像子系统与中波红外及长波红外偏振成像子系统且并排排列；所述图像采集处理子系统包括图像处理单元和图像显示单元；所述图像处理单元分别与前置光学子系统、可见光及短波红外偏振成像子系统、中波红外及长波红外偏振成像子系统以及图像显示单元电性连接；所述电路控制子系统分别与可见光及短波红外偏振成像子系统以及中波红外及长波红外偏振成像子系统电性连接，电路控制子系统包括偏振调制控制单元和波长调制控制单元；所述偏振调制控制单元通过控制电压来控制可见光及短波红外偏振成像子系统以及中波红外及长波红外偏振成像子系统中各偏振片的旋转或者偏振调制单元的相位延迟；所述波长调制单元通过控制电压来完成可见光及短波红外偏振成像子系统中各声光波长调制单元对波长进行选择。
所述前置光学子系统包括望远光学单元、分光单元Ⅰ以及反射镜单元Ⅰ；所述望远光学单元与分光单元Ⅰ横向串行排列且同光轴，所述分光单元Ⅰ与反射镜单元Ⅰ纵向串行排列且同光轴；光线从望远光学单元进入系统后经分光单元Ⅰ分为两束，一束进入可见光及短波红外偏振成像子系统，另一束经反射镜单元Ⅰ折转后进入中波红外及长波红外偏振成像子系统。
所述可见光及短波红外偏振成像子系统包括分光单元Ⅱ、反射镜单元Ⅱ、偏振调制单元Ⅰ、偏振调制单元Ⅱ、波长调制单元Ⅰ、成像透镜单元Ⅰ、可见光偏振探测器、偏振调制单元Ⅲ、偏振调制单元Ⅳ、波长调制单元Ⅱ、成像透镜单元Ⅱ和短波红外偏振探测器；所述分光单元Ⅱ、偏振调制单元Ⅰ、偏振调制单元Ⅱ、波长调制单元Ⅰ、成像透镜单元Ⅰ以及可见光偏振探测器依次横向串行排列且同光轴，分光单元Ⅱ与反射镜单元Ⅱ纵向串行排列；所述反射镜单元Ⅱ、偏振调制单元Ⅲ、偏振调制单元Ⅳ、波长调制单元Ⅱ、成像透镜单元Ⅱ以及短波红外偏振探测器依次横向串行排列且同光轴；所述偏振调制单元Ⅰ、偏振调制单元Ⅱ、偏振调制单元Ⅲ以及偏振调制单元Ⅳ分别与偏振调制控制单元电性连接；所述波长调制单元Ⅰ以及波长调制单元Ⅱ分别与波长调制单元电性连接。
所述波长调制单元Ⅰ和波长调制单元Ⅱ均为声光可调滤波器或液晶可调滤波器。
所述偏振调制单元Ⅰ、偏振调制单元Ⅱ、偏振调制单元Ⅲ以及偏振调制单元Ⅳ均为液晶相位延迟器。
所述中波红外及长波红外偏振成像子系统包括分光单元Ⅲ、反射镜单元Ⅲ、偏振片Ⅰ、滤光片Ⅰ、成像透镜单元Ⅲ、中波红外偏振探测器、偏振片Ⅱ、滤光片Ⅱ、成像透镜单元Ⅳ以及长波红外偏振探测器；所述分光单元Ⅲ、反射镜单元Ⅲ、偏振片Ⅰ、滤光片Ⅰ、成像透镜单元Ⅲ以及中波红外偏振探测器依次横向串行排列且同光轴，所述分光单元Ⅲ与反射镜单元Ⅲ纵向串行排列；所述反射镜单元Ⅲ、偏振片Ⅱ、滤光片Ⅱ、成像透镜单元Ⅳ以及长波红外偏振探测器依次横向串行排列且同光轴。
基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试方法，根据所述的基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将目标物体置于所述基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置的零视距处；
步骤二、打开可见光偏振探测器，电路控制子系统在波长调制单元Ⅰ上分别施加不同的电压以完成波长选择，针对每一波长，电路控制子系统同时在偏振调制单元Ⅲ以及偏振调制单元Ⅳ上施加四组不同的电压，使得偏振调制单元Ⅲ以及偏振调制单元Ⅳ产生4个不同的相位延迟，相对应的在可见光偏振探测器上获取四幅不同的偏振图像，经图像处理单元进行数据处理后在显示单元上得到可见光波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤三、打开短波红外偏振探测器，电路控制子系统在波长调制单元Ⅱ上分别施加不同的电压以完成波长选择，针对每一波长，电路控制子系统同时在两片偏振调制单元上施加四组不同的电压，使得两片偏振调制单元产生4个不同的相位延迟，相对应的在短波红外偏振探测器上获取四幅不同的偏振图像，经图像处理单元进行数据处理最终，在显示单元上得到短波红外波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤四、打开中波红外偏振探测器，电路控制子系统控制线栅偏振片Ⅰ分别旋转0°、45°、90°、135°，并在中波红外偏振探测器上采集到相应的偏振图像，经图像处理单元进行数据处理最终在显示单元上得到中波红外波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤五、打开长波红外偏振探测器，电路控制子系统控制线栅偏振片Ⅱ分别旋转0°、45°、90°、135°，并在长波红外偏振探测器采集到相应的偏振图像，经图像处理单元进行数据处理最终在显示单元上得到长波红外波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤六、将目标物按照设定的视距进行放置，并分别对目标物成像，目标物与实验装置之间为模拟设定特定环境，重复步骤二至步骤五，获得设定视距下特定环境的各个谱段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤七、通过对比度以及空间频率的表征公式，利用MATLAB软件计算，分别获得零视距处和设定视距处偏振图像目标与背景的对比度和空间频率，将各设定视距下偏振图像目标与背景的对比度、空间频率与零视距处这两个参量分别进行对比，图像的空间频率数值越大视觉上表现为对比度越高，对比度越高，偏振成像系统对目标的识别和探测能力就越强，则对应谱段的偏振光在复杂介质中传输特性越好，对可见光、短波红外、中波红外以及长波红外光在特定环境中传输特性的测量完成。
所述特定环境包括海雾、陆雾、海陆雾、山谷雾、城市雾、极雾、大气或湍流。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明基于被动成像原理，将多光谱技术和偏振技术相融合，可以在可见光(0.4μm～0.8μm)、短波红外光(0.9μm～1.7μm)、中波红外光(3μm～5μm)、长波红外光(8μm～12μm)四个谱段进行工作，进而分析得到多谱段偏振光的传输特性，是对单谱段偏振光传输特性测试装置及方法的有益补充；其中波长调制单元Ⅰ和波长调制单元Ⅱ均采用声光可调滤波器或液晶可调滤波器(LCTF)，从而实现在宽谱段内入射光波的波长调试，避免了频繁更换滤光片引起的测量误差，使测量精度提高了40％，工作效率提高了2～3倍，能够更好的完成基于被动成像的偏振光传输特性测试实验。
附图说明
以下结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的说明：
图1为本发明基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法中装置的结构框图。
图2为本发明基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试装置及方法中测试方法的原理示意图。
图中，1-前置光学子系统、2-可见光及短波红外偏振成像子系统、3-中波红外及长波红外偏振成像子系统、4-图像采集及处理子系统、5-电路控制子系统、11-望远光学单元、12-分光单元Ⅰ、13-反射镜单元Ⅰ、21-分光单元Ⅱ、22-反射镜单元Ⅱ、23-偏振调制单元Ⅰ、24-偏振调制单元Ⅱ、25-波长调制单元Ⅰ、26-成像透镜单元Ⅰ、27-可见光偏振探测器、28-偏振调制单元Ⅲ、29-偏振调制单元Ⅳ、210-波长调制单元Ⅱ、211-成像透镜单元Ⅱ、212-短波红外偏振探测器、31-分光单元Ⅲ、32-反射镜单元Ⅲ、33-偏振片Ⅰ、34-滤光片Ⅰ、35-成像透镜单元Ⅲ、36-中波红外偏振探测器、37-偏振片Ⅱ、38-滤光片Ⅱ、39-成像透镜单元Ⅳ、310-长波红外偏振探测器、41-图像处理单元、42-图像显示单元、51-偏振调制控制单元、52-波长调制控制单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明，如图1所示的基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测量装置，其特征在于，该装置包括前置光学子系统1、可见光及短波红外偏振成像子系统2、中波红外及长波红外偏振成像子系统3、图像采集及处理子系统4以及电路控制子系统5。所述前置光学子系统1、可见光及短波红外偏振成像子系统2、中波红外及长波红外偏振成像子系统3共同装载于同一平面上；所述前置光学子系统1与可见光及短波红外偏振成像子系统2和中波红外及长波红外偏振成像子系统3均为光学连接，所述可见光及短波红外偏振成像子系统2与电路控制子系统5电学连接，所述中波红外及长波红外偏振成像子系统3与电路控制子系统5电学连接，所述可见光及短波红外偏振成像子系统2与图像采集及处理子系统4电学连接，所述中波红外及长波红外偏振成像子系统3与图像采集及处理子系统4电学连接，所述可见光及短波红外偏振成像子系统2与中波红外及长波红外偏振成像子系统3光轴平行且并联排列。
所述前置光学子系统1包括深圳LBTEK公司的BEF02-B伽利略型望远光学单元11、美国Meadowlark optics公司BV-050-VIS分光单元Ⅰ12以及美国Schott公司BB0511-E02反射镜单元Ⅰ13；所述望远光学单元11与分光单元Ⅰ12横向串行排列且同光轴，所述分光单元Ⅰ12与反射镜单元Ⅰ13纵向串行排列且同光轴；光线从望远光学单元11进入系统后经分光单元Ⅰ12分为两束，一束进入可见光及短波红外偏振成像子系统2，一束经反射镜单元Ⅰ13折转后进入中波红外及长波红外偏振成像子系统3。
所述可见光及短波红外偏振成像子系统2包括美国Meadowlark optics公司BV-050-IR分光单元Ⅱ21、美国Schott公司BB211-E04反射镜单元Ⅱ22、美国Thorlabs公司LCC1411-A偏振调制单元Ⅰ23、美国Thorlabs公司LCC1411-A偏振调制单元Ⅱ24、英国Gooch&Housego公司TF550-300-4-6-GH57A波长调制单元Ⅰ25、大恒光电GCL-0102成像透镜单元Ⅰ26、美国Thorlabs公司的S805MU1可见光偏振探测器27、美国Thorlabs公司LCC1411-B偏振调制单元Ⅲ28、美国Thorlabs公司LCC1411-B偏振调制单元Ⅳ29、英国Gooch&Housego公司I-TF1650-1100-1-3-GH107波长调制单元Ⅱ210、大恒光电GCL-0102成像透镜单元Ⅱ211、加拿大Photon etc公司ZephIRTM 1.7s短波红外偏振探测器212；所述分光单元Ⅱ21、偏振调制单元Ⅰ23、偏振调制单元Ⅱ24、波长调制单元Ⅰ25、成像透镜单元Ⅰ26以及可见光偏振探测器27横向串行排列且同光轴，所述分光单元Ⅱ21与反射镜单元Ⅱ22纵向串行排列，所述反射镜单元Ⅱ22、偏振调制单元Ⅲ28、偏振调制单元Ⅳ29、波长调制单元Ⅱ210、成像透镜单元Ⅱ211、短波红外偏振探测器212横向串行排列且同光轴；进入可见光及短波红外偏振成像子系统2的光线经分光单元Ⅱ21分为两束，一束通过偏振调制单元Ⅰ23、偏振调制单元Ⅱ24、波长调制单元Ⅰ25完成偏振态和波长调制经成像透镜单元26会聚在可见光偏振探测器27上成像，另一束经反射镜单元22折转后通过偏振调制单元Ⅲ28、偏振调制单元Ⅳ29、波长调制单元Ⅱ210完成偏振态和波长调制经成像透镜单元Ⅱ211会聚在短波红外偏振探测器212上成像。
所述中波红外及长波红外偏振成像子系统3包括美国Meadowlark optics公司BV-100-UNC分光单元Ⅲ31、美国Thorlabs公司M254H45反射镜单元Ⅲ32、美国Thorlabs公司WP25M-UB偏振片Ⅰ33、美国Thorlabs公司FB4000-500滤光片、大恒光电GCL-0102成像透镜单元Ⅲ35、比利时XenICs公司的Tigris-640-MCT中波红外偏振探测器36、美国Thorlabs公司WP25M-IRC偏振片Ⅱ37、美国Thorlabs公司FB10000-500滤光片38、大恒光电GCL-0102成像透镜单元Ⅳ39以及大疆无人机公司的禅思Zenmuse XT长波红外偏振探测器310；所述分光单元Ⅲ31、反射镜单元Ⅲ32、偏振片Ⅰ33、滤光片Ⅰ34、成像透镜单元Ⅲ35以及中波红外偏振探测器36横向串行排列且同光轴，所述分光单元Ⅲ31与反射镜单元Ⅲ32纵向串行排列，所述反射镜单元Ⅲ32、偏振片Ⅱ37、滤光片Ⅱ38、成像透镜单元Ⅳ39以及长波红外偏振探测器310横向串行排列且同光轴。进入中波红外及长波红外偏振成像子系统3的光线经分光单元Ⅲ31分为两束，一束通过偏振片Ⅰ33、滤光片Ⅰ34完成偏振态和波长调制经成像透镜单元Ⅲ35会聚在中波红外偏振探测器36上成像，另一束经反射镜单元Ⅲ32折转后通过偏振片Ⅱ37、滤光片Ⅱ38完成偏振态和波长调制经成像透镜单元Ⅳ39会聚在长波红外偏振探测器310上成像。
所述图像采集及处理子系统4包括图像处理单元41以及图像显示单元42；图像处理单元包括计算机及计算机中各个谱段探测器所对应软件系统；所述图像处理单元41与图像显示单元42电学连接；所述图像处理单元41收集可见光偏振探测器27、短波红外偏振探测器212、中波红外偏振探测器36以及长波红外偏振探测器310上采集的图像信息，对图像信息进行融合处理，最终由图像显示单元42输出。
所述电路控制单元5包括美国Thorlabs公司KLC101K-CubeTMLC偏振调制控制单元51以及美国Thorlabs公司KURIOS-WB1波长调制控制单元52；所述偏振调制控制单元51通过控制电压来控制偏振片的旋转或者偏振调制单元的相位延迟，所述波长调制单元52通过控制电压来完成对波长的选择。
如图2所示的基于被动成像的多谱段偏振光传输特性测试方法，该方法采用上述基于被动成像的多谱段偏振传输特性测试装置进行测试，具体包括如下步骤：
步骤1、按照上述基于被动成像的多谱段偏振传输特性测试装置搭建实验装置；
步骤2、将目标物体置于零视距处；
步骤3、打开可见光偏振探测器27，电路控制单元5在波长调制单元Ⅰ25上施加不同的电压以完成波长选择，不同的波长对应不同的固定电压值，针对每一波长，电路控制单元同时在两片偏振调制单元上施加四组不同的电压，使得偏振调制单元Ⅰ23和偏振调制单元Ⅱ24产生4个不同的相位延迟，相对应的在可见光偏振探测器27上获取四幅不同的偏振图像，经图像处理单元41进行数据处理最终在图像显示单元42上得到可见光波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤4、打开短波红外偏振探测器212，重复步骤3中的偏振、光谱调制方法，在图像显示单元42上得到短波红外波段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤5、打开中波红外偏振探测器36，电路控制子系统5控制偏振片Ⅰ33分别旋转0°、45°、90°、135°，并在中波红外偏振探测器36上采集到相应的偏振图像，经图像处理单元41进行数据处理最终在图像显示单元42上得到中波红外波段的I、Q、U、V四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤6、打开长波红外偏振探测器310，长波红外波段偏振度、偏振角图像获取方式同步骤5；
步骤7、重复步骤3至步骤6，在一定视距内对目标物成像，所述一定视距为图2中的Ln，其表示为探测器每次移动的增量li的累和，目标物与实验装置之间为海雾环境，获得一定视距下的多个谱段的四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像；
步骤8、计算比较零视距处和一定视距处偏振图像的对比度、空间频率的差异，所述零视距为图2中的L0，一定视距为图2中的L1～Ln，从空间频率、对比度两个维度得出在特定环境下各个谱段偏振光的传输特性。
被动式偏振成像系统即斯托克斯偏振成像系统的偏振图像是由一组1×4的无偏移分量图像形成一个图像矢量组合，对于斯托克斯图像，其图像像素组合表示了该像素在场景中接收光束的斯托克斯参量。目前各类偏振测量系统的图像接收装置均为以CCD和CMOS为代表的光强接收器，因此，偏振图像中的每一幅分量图像实际仍为经过一定计算后的光强图像，而该分量图像的每一像素均表示场景对应点的偏振矢量在该图像分量上的偏振参数。
目标与背景的对比度C指一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对比度越大。高对比度表现为图像清晰、细节明显、灰度层次多，一般来说，对比度越高，全偏振成像系统对目标的识别和探测能力就越强，越能够在所成图像中凸显人工目标的特征，即偏振图像的对比度越大，该偏振光在特定环境下的传输特性越好。
对于对比度的定义，有如下几种表征方式：
式中，C代表目标与背景的对比度；gt代表目标区域的平均灰度值；gb代表背景区域的平均灰度值。由于表达式中|gt-gb|的值很小，式(1)和式(2)的计算结果差异很小，而两个计算量的差异很大，所以C也会出现很大的差异，为了减小计算波动，提出利用式(3),后来根据目标与背景的亮暗程度改为式(4)，综上所述，基于对误差理论的分析，减少计算大波动引起对比度的差异，采用式(3)来计算对比度。
空间频率SF反映了一幅图像空间的总体活跃程度和图像的清晰程度，相邻像素灰度值相差越大，视觉表现为对比度越高，图像越清晰，空间频率SF的表征公式定义为
式中，g(i,j)为像素点(i,j)处的灰度值；RF表示空间行频率；CF表示列频率。
通过对比度C以及空间频率SF的表征公式，利用MATLAB软件计算，分别获得偏振图像目标与背景的对比度和空间频率，图像的空间频率数值越大视觉上表现为对比度越高，对比度越高，偏振成像系统对目标的识别和探测能力就越强，则对应谱段的偏振光在复杂介质中传输特性越好，进而完成对可见光、短波红外、中波红外以及长波红外光在特定环境中传输特性的测量。
本发明的工作过程如下：
在一定视距内不同视距下,望远光学单元11收集目标与背景的可见光、短波红外、中波红外和长波红外光，目标与背景的反射以及散射光经过分光单元Ⅰ12分别进入可见光及短波红外偏振成像子系统2、中波及长波红外偏振成像子系统3获得相应的可见光、短波红外、中波红外和长波红外偏振图像，将图像传给图像采集及处理子系统4进行融合处理，获得相应的可见光、短波红外、中波红外以及长波红外的I、Q、U、V四个偏振分量、偏振度、偏振角、线偏振、圆偏振图像，通过将不同视距下偏振图像目标与背景的对比度C、空间频率SF与零视距处这两个参量进行对比，完成对可见光、短波红外、中波红外以及长波红外光在海雾等复杂环境中传输特性的测量。
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