一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪
阅读说明：本技术 一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪 (Multi-dimensional high-resolution ocean target real-time imager ) 是由 王凯凯 张萌 秦欢 潘泽 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪,属于海面目标探测与信息传输技术领域,为了解决目前的多维度信息获取仪器无法同时满足作用距离长、时效性好、空间与光谱分辨率高、全偏振信息获取的要求的问题。该成像仪主要由精准指向及控制分系统、无遮拦望远分系统、红外搜索跟踪分系统、多维度信息获取分系统MDI、多维度海量信息处理分系统,以及外围分系统等六部分组成。本发明拟研制多维度高分辨实时成像仪器,突破现有多维度成像仪器原理所限导致的无法兼具分辨力强、时效性高的功能局限,实现海面目标观测所需高光谱与空间分辨、全偏振信息、同时成像,具备消除耀斑、穿透海雾、提高对比度的海面目标观测能力。(A multi-dimensional high-resolution ocean target real-time imager belongs to the technical field of sea surface target detection and information transmission and aims to solve the problem that an existing multi-dimensional information acquisition instrument cannot meet the requirements of long action distance, good timeliness, high spatial and spectral resolution and full-polarization information acquisition at the same time. The imager mainly comprises a precise pointing and controlling subsystem, a non-blocking telescope subsystem, an infrared searching and tracking subsystem, a multi-dimensional information acquiring subsystem MDI, a multi-dimensional mass information processing subsystem and a peripheral subsystem. The invention aims to develop a multi-dimensional high-resolution real-time imaging instrument, breaks through the functional limitation that the existing multi-dimensional imaging instrument cannot have both strong resolution and high timeliness due to the principle limitation, realizes hyperspectral, spatial resolution and full polarization information required by sea surface target observation, realizes simultaneous imaging, and has the sea surface target observation capability of eliminating flare spots, penetrating sea fog and improving contrast.)
技术领域
本发明属于海面目标探测与信息传输
技术领域
，特别是涉及到一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪。背景技术
随着社会经济的发展，作为能源储备库和资源运输通道，海洋的战略地位日益凸显，维护国家海洋国土安全是我国的重大战略任务和核心利益所在，而履行这一重大职责的前提是对海洋态势的精准高效监视监测。同时，对海洋灾害的及时监测、早期预警和发展预测，可最大程度地降低灾害对人民生命财产的危害，意义重大。若能否同时获取目标的强度、光谱与偏振多维度光学信息，发挥各项技术的优势，则可大幅提高海面目标的探测能力。为此，国内外对光谱成像技术与偏振成像技术融合展开了研究。
美国陆军研制出短波红外(SWIR)多光谱偏振现场投影机(MPSP)系统样机。系统能够投射850至1650nm内可变光谱带宽(12-100nm)的单个光谱图像以及视频的全偏振信息。随后，他们研究了沙漠土壤成像问题，了解矿物成分，颗粒大小和方向，以及在民用和军事方面的各种应用。同年，他们讨论了基于声光可调滤光器(AOTF)技术的两种新型现场便携式光谱偏振仪，其一为光谱范围450至800nm光谱分辨率[email protected]的可见近红外(VNIR)。另一个为光谱范围1000至1600nm光谱分辨率[email protected]的短波红外成像仪。
亚利桑那大学的Chan V.C.,Kudenov M.等人通过在快照高光谱成像傅里叶变换(SHIFT)光谱仪前加入旋转四分之一波片和线偏振片，提出了一种新型斯托克斯成像光谱偏振仪，能够重建可见光谱中的物体光谱和全部的斯托克斯参数，光谱分辨率为555cm-1。
日本的国家宇航实验室用其研制的液晶型光谱偏振成像仪进行了大量的研究，包括农业环境监测、地球环境监测以及水体污染监测等。美国喷气动力实验室与亚利桑那大学合作开发了一个机载多角度多光谱偏振成像仪(MSPI)被NASA采用作为气溶胶-云-生态系统(ACE)研究任务的主要探测仪器，来研究气溶胶对云体形成的影响，该仪器从2010年底开始试飞，至今已经经过了多次改进，获取了大量的云层、气溶胶以及地面目标的数据。
中科院长光所以无人机为侦察平台，进行了无人机载多光谱偏振成像仪的技术方案的设计。工作波段范围400nm-1000nm，偏振光谱分辨率为20nm，空间分辨率H＝5km时为1m。
从国内外动态分析来看，目前的多维度信息获取仪器有的分时工作不适合动目标观测，有的空间分辨率不够，有的结构复杂笨重，有的有电动调制部件耗能大，无法同时满足作用距离长、时效性好、空间与光谱分辨率高、全偏振信息获取的要求。因此，现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪。研制基于静态无源干涉偏振成像原理的多维度高分辨实时成像仪器，突破现有多维度成像仪器原理所限导致无法兼具分辨力强、时效性高的功能局限，实现海面目标观测所需高光谱与空间分辨、全偏振信息、同时成像，具备消除耀斑、穿透海雾、提高对比度的海面目标观测能力。
本发明得技术方案是：
一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪，其包括精准指向及控制分系统、无遮拦望远分系统、红外搜索跟踪分系统、多维度信息获取分系统、多维度海量信息处理分系统以及外围分系统。其中，精准指向及控制分系统中的指向镜模块的光轴与无遮拦望远分系统中的反射镜Ⅰ的光轴平行；无遮拦望远分系统中的反射镜Ⅱ的出射光轴经过分色镜，一束为红外搜索跟踪分系统的光轴，为水平方向；另一束经过反射镜Ⅲ，出射光轴，即多维度信息获取分系统的光轴亦为水平方向，即红外搜索跟踪分系统与多维度信息获取分系统并联平行排列；其后，多维度海量信息处理分系统以及外围分系统依次串联平行排列；
所述精准指向及控制分系统包括控制电路模块和指向镜模块，主要实现红外搜索分系统与多维度成像仪分系统的指向与像移补偿，其在飞行过程中保持系统的稳定，接收来自伺服控制模块的驱动信号，按电脑控制指令做出相应动作；
所述无遮拦望远分系统包括：离轴两反射镜：反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ，采用离轴两反结构；
所述红外搜索跟踪分系统包括分色镜、二次成像镜组以及制冷探测器，所述二次成像镜组、制冷探测器光轴，且串联排列，二次成像透镜主要为提高冷光阑的效率。红外搜索跟踪分系统具有较大的面视场，通过摆扫的扫描方式在大范围内搜索目标；
所述多维度信息获取分系统包括反射镜Ⅲ、前置望远系统模块、静态位相调制系统模块、光谱分光干涉模块、成像镜以及可见光探测器，所述反射镜Ⅲ、前置望远系统模块、静态位相调制系统模块、光谱分光干涉模块、成像镜以及可见光探测器同光轴、且串联排列，前置望远系统模块由物镜、视场光阑、目镜组成，静态位相调制模块光谱分光干涉模块分别由数块拥有自主知识产权的特殊设计的双折射晶体组成，目标光经前置望远系统集、准直之后，本发明利用了光轴按一定角度排列的多块双折射晶体，通过特殊设计形成双折射晶体静态无源位相调制模块无需转动)，将不同的位相延迟因子分别同时调制到四个斯托克斯矢量上。这样4个Stokes矢量在位相上发生分离。被调制上不同位相因子的4个Stokes矢量经过双折射分光干涉，其过程相当于傅立叶变换，频谱信号经过二次成像镜，在焦平面阵列探测器上形成干涉条纹调制的图像；
所述多维度海量信息处理分系统包括图像采集模块和计算处理模块，之前由成像探测器接收到的图像通过图像采集模块得到的数据进入计算处理模块，包括数据接收、预处理去噪、干涉图像解调、气溶胶影响解耦、目标/海水本征图像分解、红外融合增强、信息解译与识别等；
所述多维度信息获取分系统与红外搜索跟踪分系统采用共孔径望远镜，之后红外波段分光成像用于海面搜索普查，可见-近红外波段分光用于兴趣目标详查。
本发明的有益效果：实现海面目标观测所需高光谱与空间分辨、全偏振信息、同时成像，具备消除耀斑、穿透海雾、提高对比度的海面目标观测能力。基于多维度信息获取的原理创新，突破光谱偏振成像无法兼顾分辨力强、时效性好、适应无人机载应用需求的瓶颈，实现高光谱分辨率、空间分辨率，全偏振同时获取，达到穿透烟雾、消除耀斑、凸显目标效果，且轻小低耗，稳定可靠，有望实现复杂海洋背景中海面目标探测的“认得清”、“看得远”、“辨得出”，大力促进海洋安全监测及海洋光学领域的研究水平。
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为本发明一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪的结构示意图。
其中，1-精准指向及控制分系统、10-控制电路模块、11-指向镜模块、2-无遮拦望远分系统、20-反射镜Ⅰ、21-反射镜Ⅱ、3-红外搜索跟踪分系统、30-分色镜、31-二次成像镜组、32-制冷探测器、4-多维度信息获取分系统、40-反射镜Ⅲ、41-前置望远系统模块、42-静态位相调制系统模块、43-光谱分光干涉模块、44-成像镜、45-可见光探测器、5-多维度海量信息处理分系统、50-图像采集模块、51-计算处理模块、6-外围分系统、60-外围设备。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步说明。
如图1所示的一种多维度高分辨海洋目标实时成像仪，包括精准指向及控制分系统1、无遮拦望远分系统2、红外搜索跟踪分系统3、多维度信息获取分系统4、多维度海量信息处理分系统5以及外围分系统6。其中，精准指向及控制分系统1中的指向镜模块11的光轴与无遮拦望远分系统2中的反射镜Ⅰ20的光轴平行；无遮拦望远分系统2中的反射镜Ⅱ21的出射光轴经过分色镜30，一束为红外搜索跟踪分系统3的光轴，为水平方向；另一束经过反射镜Ⅲ40，出射光轴，即多维度信息获取分系统5的光轴亦为水平方向，即红外搜索跟踪分系统3与多维度信息获取分系统4并联平行排列；其后，多维度海量信息处理分系统5以及外围分系统6依次串联平行排列。
所述精准指向及控制分系统1包括控制电路模块10和指向镜模块11，主要实现红外搜索分系统3与多维度成像仪分系统的指向与像移补偿，其在飞行过程中保持系统的稳定，接收来自伺服控制模块的驱动信号，按电脑控制指令做出相应动作；
所述无遮拦望远分系统2包括离轴两反射镜,：反射镜Ⅰ20、反射镜Ⅱ21，采用离轴两反结构，主镜采用望远系统的焦平面前加分色镜用以分离可见-近红外光与中波红外光；
所述红外搜索跟踪分系统3包括分色镜30、二次成像镜组31以及工作波长为3.7-4.8μm，640*512阵列，F/2或F/4.6，像元大小为20μm的制冷探测器32，所述二次成像镜组31、制冷探测器32同光轴，且串联排列，制冷探测器32具有杜瓦与冷光阑，二次成像透镜31主要为提高冷光阑的效率。红外搜索系统具有较大的面视场，通过摆扫的扫描方式在大范围内搜索目标。同时，红外相机获得的在引导小视场高分辨的MDI工作后，其自身获得的获得红外图像还可融合到高分辨MDI图像中对特定区域(如发动机区域、烟囱区域)进行图像增强，提高识别能力；
所述多维度信息获取分系统4包括反射镜Ⅲ40、前置望远系统模块41、静态位相调制系统模块42、光谱分光干涉模块43、成像镜44以及分辨率为2048*2048，像元大小为5.5μm*5.5μm，光谱响应范围为300-1100nm的可见光探测器45，所述反射镜Ⅲ40、前置望远系统模块41、静态位相调制系统模块42、光谱分光干涉模块43、成像镜44以及可见光探测器45同光轴、且串联排列，前置望远系统模块41由物镜、视场光阑、目镜组成，静态位相调制模块42和光谱分光干涉模块43分别由数块拥有自主知识产权的特殊设计的双折射晶体组成，目标光经前置望远系统41收集、准直之后，本发明利用了光轴按一定角度排列的多块双折射晶体，通过特殊设计形成双折射晶体静态无源位相调制模块42(无需转动)，将不同的位相延迟因子分别同时调制到四个斯托克斯矢量上。这样4个Stokes矢量在位相上发生分离。被调制上不同位相因子的4个Stokes矢量经过双折射分光干涉，其过程相当于傅立叶变换，频谱信号经过二次成像镜，在焦平面阵列探测器上形成干涉条纹调制的图像；
所述多维度海量信息处理分系统5包括图像采集模块50和计算处理模块51，之前由成像探测器接收到的图像通过图像采集模块50得到的数据进入计算处理模块51，包括数据接收、预处理去噪、干涉图像解调、气溶胶影响解耦、目标/海水本征图像分解、红外融合增强、信息解译与识别等；
所述外围分系统6用于从无人机上获得供电、方位、飞机速度、俯仰角度等信息以及人为的控制指令，为多维度大数据处理系统图像的重构过程提供必须的信息，将人为的控制指令转换成控制电路的信号，将无人机的电源转化成各个子系统能接受的电源。
本发明的工作过程如下，精准指向及控制分系统1由电机为平台旋转提供动力，码盘与陀螺反馈平台转动的角度，其接收到的海面目标信息通过无遮拦望远分系统2后再分光；多维度信息获取分系统4与红外搜索跟踪分系统3采用共孔径望远镜，之后红外波段分光成像用于海面搜索普查，可见-近红外波段分光用于兴趣目标详查。红外搜索发现兴趣目标后，启动可见-近红外多维度成像仪进行详查；之前由成像探测器接收到的图像通过图像采集模块50得到的数据进入计算处理模块51，包括数据接收、预处理去噪、干涉图像解调、气溶胶影响解耦、目标/海水本征图像分解、红外融合增强、信息解译与识别等。通过研究SPISPI原理，构建入瞳-焦平面光场映射数理模型，基于此解调，可获得焦平面干涉调制图像对应的仪器入瞳处光场分布；通过研究复色偏振光与浑浊介质相互作用，建立目标偏振谱特性气溶胶耦合模型，基于此解耦，可剥离海雾等浑浊气溶胶对偏振谱特性的影响；通过研究目标/海水相互作用而产生的偏振谱特性，构建目标spBRDF模型，通过复原算法，提取目标的本征偏振谱特性；通过融合红外相机信息，利用红外信息增强目标的特殊区域(发动机、烟囱、相控阵雷达等)，进行图像的重构增强；利用数据库进行重构图像解译，提高海面目标识别力，外围设备60从无人机上获得供电、方位、飞机速度、俯仰角度等信息以及人为的控制指令，为多维度大数据处理系统图像的重构过程提供必须的信息。