CN107589551B - 一种多孔径偏振成像装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔径偏振成像装置，包括：微镜头阵列，包括若干微镜头，其分布于第一球型曲面，用于接收外部目标光线信息；探测器阵列，位于所述微镜头阵列后方，包括若干探测器，所述探测器与所述微镜头一一对应设置，其分布于与所述第一球型曲面同心的第二球型曲面，用于对经过所述微镜头的目标光线信息进行成像，获取第一图像信息；至少三个偏振片，位于所述微镜头阵列前方，其分布于所述微镜头阵列中心处，每个所述偏振片对应一个中心处微镜头，用于获取不同偏振方向的第二图像信息；其中，所述相邻的两个中心处微镜头具有预定比率的视场重叠。本发明的装置能够准确获取目标位置信息、强度信息及目标材质信息。

Description

一种多孔径偏振成像装置及***

技术领域

本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种多孔径偏振成像装置及***。

背景技术

目前主要的偏振成像探测方式有时序法、分束镜分光、多孔径大面阵法和分孔径成像。时序法是基于分时的成像技术，该方法将偏振片固定在成像***之前，通过手动/电动旋转偏振片到不同的线偏振方向以获取不同偏振态的图像，这种方法简单易行，实时性较差，无法对变化的场景或者移动的目标成像。分光镜分光的偏振成像技术采用偏振分光棱镜或分束镜与多偏振片将目标光束分光成多束偏振光，并采用多探测器的方式对同一场景实时成像，通常每一个探测器测量场景的一种偏振态，但是由于采用多路分束的方式增加了光路损耗，并且单路探测到的光能量大幅度下降，探测难度增加。

专利CN101806959公开了一种实时小型偏振成像装置，该装置通过放置在透镜阵列后的4个偏振片以及一个大面阵探测器同时获得4幅偏振图，由于4个透镜的光轴不在同一条直线上，用同一个大面阵探测器接收时4幅图像的成像质量难以做到同步，还很可能发生像面重叠的情况。

专利CN102944937公开了一种分孔径偏振成像***，该专利利用偏振片阵列获取目标的偏振信息，但上述专利中偏振片阵列之前的摄远物镜、滤光片、视场光阑、场镜和准直模块均采用同一光路，分割孔径后各孔径光能受到限制，同时各子图像的共同信息较少，难以进行偏振处理。

综上所述，现有技术成像质量低、偏振处理复杂，导致不能准确获取目标位置信息、强度信息及目标材质信息。

发明内容

本发明在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够准确获取目标位置信息、强度信息及目标材质信息的多孔径偏振成像装置及***。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种多孔径偏振成像装置，包括：

微镜头阵列，包括若干微镜头，其分布于第一球型曲面，用于接收外部目标光线信息；

探测器阵列，位于所述微镜头阵列后方，包括若干探测器，所述探测器与所述微镜头一一对应设置，其分布于与所述第一球型曲面同心的第二球型曲面，用于对经过所述微镜头的目标光线信息进行成像，获取第一图像信息；所述微镜头阵列与所述探测器阵列构成微相机阵列；

至少三个偏振片，位于所述微镜头阵列前方，其分布于所述微镜头阵列中心处，每个所述偏振片对应一个中心处微镜头，用于获取不同偏振方向的第二图像信息；

其中，所述相邻的两个中心处微相机镜头具有预定比率的视场重叠。

进一步地，所述探测器位于与其对应的微镜头的焦平面。

进一步地，所述探测器阵列为面阵CMOS探测器。

进一步地，还包括转台，连接所述微相机阵列，用于进行旋转，使目标位于所述微镜头阵列中心处视场重叠区域。

进一步地，所述相邻的两个中心处微相机镜头的视场重叠率为30％-80％。

本发明同时提供一种多孔径偏振成像***，包括本发明所述的成像装置，还包括：

微相机控制模块，连接所述探测器阵列，用于控制每个所述探测器采集所述第一图像信息；

目标搜索模块，连接所述微相机控制模块，用于根据所述第一图像信息获取目标位置；

偏振态分析模块，连接所述微相机控制模块，用于根据所述第一图像信息对视场重叠内的目标进行偏振态分析获得第二图像信息，根据所述第二图像信息获取目标材质信息；

偏振重建模块，连接所述偏振态分析模块，用于根据所述第二图像信息对视场重叠内的目标进行偏振重建，得到重建图像信息。

进一步地，还包括：

目标判断模块，用于判断所述目标材质信息与预定材质信息一致时，发送所述目标位置到目标跟踪模块；

所述目标跟踪模块，用于对目标进行跟踪。

进一步地，所述微相机控制模块用于控制每个所述探测器的曝光参数。

进一步地，所述曝光参数包括曝光时刻和/或曝光时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的多孔径偏振成像装置使用多个光学孔径对应多探测器，对场景拍摄时，单个孔径光能量较大，利用视场重叠实现大视场成像以及中心孔径视场重叠，实现小视场高分辨率成像，在进行广域目标搜索时具有较高的精确度，继而能够准确获取目标位置信息、强度信息及目标材质信息。

附图说明

图1所示为本发明的多孔径偏振成像装置原理框图。

图2所示为本发明的多孔径偏振成像***模块框图。

图3所示为本发明另一实施例的多孔径偏振成像***模块框图。

图4所示为本发明中心孔径的一个微镜头的光路图。

图5所示为用Zemax光学设计软件对本发明中中心孔径的一个微镜头进行仿真生成的调制传递函数MTF曲线图。

图6所示为本发明边缘孔径的一个微镜头的光路图。

图7所示为用Zemax光学设计软件对本发明中边缘孔径一个微镜头进行仿真生成的调制传递函数MTF曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例一：

图1所示为本发明的多孔径偏振成像装置原理框图，包括：

微镜头阵列1，包括若干微镜头，其分布于第一球型曲面，用于接收外部目标光线信息；

探测器阵列2，位于所述微镜头阵列后方，包括若干探测器，所述探测器与所述微镜头一一对应设置，其分布于与所述第一球型曲面同心的第二球型曲面，用于对经过所述微镜头的目标光线信息进行成像，获取第一图像信息；所述微镜头阵列与所述探测器阵列构成微相机阵列；

至少三个偏振片3，位于所述微镜头阵列前方，其分布于所述微镜头阵列中心处，每个所述偏振片对应一个中心处微镜头，用于获取不同偏振方向的第二图像信息；

其中，所述相邻的两个中心处微相机镜头具有预定比率的视场重叠。

在该实施方式中，不同偏振方向的偏振片置于中心的微镜头之前；探测器阵列排布于与微镜头阵列所排布球面同心的另一球面上；不同视场的光线从物空间入射至微镜头阵列，经微镜头阵列透射到探测器阵列上成像；微镜头阵列中的每一个微镜头和探测器阵列中对应的探测器构成一个子光路，其中中心子光路由偏振片、微镜头和探测器构成，光线通过每个子光路在探测器上生成一幅子图像，利用微镜头阵列排布可使这些子图像存在视场重叠，从而实现大视场范围高分辨率成像。

本发明的多孔径偏振成像装置使用多探测器同时对场景拍摄，利用视场重叠实现大视场成像，并利用中心孔径的视场重叠，提高了小视场成像的分辨率，在进行广域目标搜索时具有较高的精确度，继而能够准确获取目标位置信息、强度信息及目标材质信息。

在一个实施方式中，所述探测器位于与其对应的微镜头的焦平面。设置探测器位于与其对应的微镜头的焦平面能够保证在进行成像时焦点一致性，确保较高的成像质量。

所述探测器阵列为面阵CMOS探测器。CMOS传感器具有自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等功能，能够采集到画面质量较高的图像，此外，其具有较强的抗干扰抗辐射能力，能够很好的应用于本方案的目标探测领域。

在一个实施方式中，还包括转台4，连接所述微相机阵列，用于进行旋转，使目标位于所述微相机阵列中心处视场重叠区域。在进行目标探测及追踪过程中，需要微相机阵列能够实时跟随探测目标而运动，通过设置转台对微相机阵列进行旋转，能够实时进行目标跟踪，提高跟踪能力。

优选的，所述相邻的两个中心处微镜头的视场重叠率为30％-80％。原理上重叠率越高越好，可偏振重建图像区域更大。但重叠率越高则对设备要求越高且总探测视场越小，因此一般可以选取40％-60％。当然，其余孔径微镜头也有一定的重叠，一般可以设置为10％-20％。

假设拍摄水平视场角为M，垂直视场角为N，中心微镜头视场为a，边缘微镜头视场为b，两个中心处微镜头的视场重叠率为w％，其余孔径相邻两个微镜头有f％的视场重叠，总相机个数为n，中心相机个数为m，则有：其中符号表示向上取整。

在一个具体设计实施时，假设微镜头阵列中心处设置有四个偏振片，且四个偏振片的偏振方向均不同，四个偏振片置于中心四个微镜头之前，探测器阵列排布于与微镜头阵列所排布球面同心的另一球面上。设计所述微镜头阵列，由n个微镜头组成，中心四个微镜头的子视场为6.45°，其余微镜头的子视场10.72°；中心四个孔径相邻两个微镜头有40％的视场重叠，其余孔径相邻两个微镜头有10％的视场重叠，除中心孔径外微镜头个数为其中M为拍摄水平视场角，N为垂直视场角，符号表示向上取整。

实施例二：

本发明同时提供一种多孔径偏振成像***，参看图2，包括本发明所述的成像装置，还包括：

微相机控制模块5，连接所述探测器阵列2，用于控制每个所述探测器采集所述第一图像信息；

目标搜索模块6，连接所述微相机控制模块5，用于根据所述第一图像信息获取目标位置；

偏振态分析模块7，连接所述微相机控制模块5，用于根据所述第一图像信息对视场重叠内的目标进行偏振态分析获得第二图像信息，根据所述第二图像信息获取目标材质信息；

偏振重建模块8，连接所述偏振态分析模块7，用于根据所述第二图像信息对视场重叠内的目标进行偏振重建，得到重建后的图像信息。重建后的图像分辨率较之前变高。

在另一实施方式中，参看图3，还包括目标判断模块9，用于判断所述目标材质信息与预定材质信息一致时，发送所述目标位置到目标跟踪模块10；

所述目标跟踪模块10，用于对目标进行跟踪。

在一个具体实施方式中，以四个偏振片为例，目标搜索模块6通过对探测器阵列2所探测图像进行目标搜索以获取目标方位；偏振态分析模块7对中心四个孔径的视场重叠区域的目标进行偏振态分析以获取目标的材质信息，从而识别假目标；偏振重建模块8对中心四个孔径的视场重叠区域的目标进行偏振重建以提高成像分辨率；目标跟踪模块10对高分辨率真目标进行跟踪或者实施打击。

在一个具体实施方式中，所述微相机控制模块用于控制每个所述探测器的曝光参数。所述曝光参数包括曝光时刻和/或曝光时间。

微相机控制模块5，其输入端与探测器阵列2连接，其输出端与目标搜索模块6连接，用于控制探测器阵列中各个探测器的曝光时刻、曝光时间，以对场景进行拍照，并将探测器的拍照结果送到图像处理单元进行目标搜素，并获取其方位信息。

转台4根据目标方位信息旋转本发明的装置，使目标位于多孔径偏振成像光学***中心4个孔径的视场重叠区域内。

所述偏振态分析模块7，其对中心四个光学孔径所获取的存在重叠的多帧偏振图像，获取场景的Stokes矢量，进而求得偏振度信息及偏振角信息，通过对目标偏振特性的分析，判别真假目标。

偏振重建模块8，对中心四个光学孔径所获取的存在重叠的多帧偏振图像，根据场景中目标与背景散射光频谱信息的差异，建立雾霾、沙尘等复杂天气情况下图像的退化模型，设计偏振图像重建算法，提升图像分辨率。

在另一个实施例中，微相机阵列的中心孔径微镜头与边缘孔径微镜头采用不同的透镜构成，参看表1-表2，例如中心孔径微镜头是由五片透镜构成，焦距50mm，其结构参数如表1，该镜头的光路图如图4所示，此外本发明还通过Zemax光学设计软件对中心孔径一个微镜头进行仿真生成的调制传递函数MTF曲线图，如图5所示，可知本发明的图像采集稳定性较高。

	曲率半径	厚度	玻璃材料
				物平面	Infinity	Infinity	空气
第一透镜	54.668	6.500	ZF2
					-98.896	5.800	空气
第二透镜	20.067	5.500	H-BAK8
					-36.095	5.300	ZF7L
	16.738	1.900	空气
				光阑面	Infinity	2.131	空气
第三透镜	-12.114	5.000	H-BAK8
					-6.868	1.300	ZF6
	-12.062	1.600	空气
				第四透镜	-427.391	2.000	ZF7L
	-14.561	1.500	空气
				第五透镜	-13.418	3.300	ZF1
	-49.229	25.240	空气

表1

边缘孔径微镜头是由五片透镜构成，焦距30mm，其结构参数如表2，该镜头的光路图如图6所示，此外本发明还通过Zemax光学设计软件对边缘孔径一个微镜头进行仿真生成的调制传递函数MTF曲线图，参看图7。

	曲率半径	厚度	玻璃材料
				物平面	Infinity	Infinity	空气
第一透镜	48.914	6.500	ZF2
					-96.827	5.800	空气
第二透镜	14.745	5.500	H-BAK8
					-20.826	5.300	ZF7L
	13.814	1.900	空气
				光阑面	Infinity	0.800	空气
第三透镜	-25.104	5.000	H-BAK8
					-6.150	1.300	ZF6
	-11.411	1.600	空气
				第四透镜	18.632	2.000	ZF7L
	-16.572	1.500	空气
				第五透镜	-11.276	3.300	ZF1
	15.889	6.304	空气

表2

调制传递函数MTF曲线，其横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数MTF的大小，其中的曲线是不同视场角下的子午(T)和弧矢光线(S)的MTF值，图5的MTF曲线在空间频率200lp/mm处达到0.4左右，图7的MTF曲线在空间频率200lp/mm处达到0.5左右并接近衍射极限，说明本发明具有较好的光学性能。

本发明的多孔径偏振成像***使用多探测器同时对场景拍摄，利用视场重叠实现大视场成像，并利用中心孔径的视场重叠实现小视场高分辨率成像，与现有目标搜索装置相比，具有集目标广域搜索与小视场精确识别于一体的优点。采用在中心四个光学孔径前加偏振片的方式，获取四个不同偏振方向的目标图像，通过对四幅偏振图像的重建，提高了原有小视场下多孔径偏振成像***的分辨率。同时本发明采用对中心四个光学孔径所获取的偏振图像进行偏振态分析，可以实现多孔径偏振成像***对真假目标的判别。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (9)

1.一种多孔径偏振成像装置，其特征在于，包括：

微镜头阵列，包括若干微镜头，其分布于第一球型曲面，用于接收外部目标光线信息；

探测器阵列，位于所述微镜头阵列后方，包括若干探测器，所述探测器与所述微镜头一一对应设置，其分布于与所述第一球型曲面同心的第二球型曲面，用于对经过所述微镜头的目标光线信息进行成像，获取第一图像信息；所述微镜头阵列与所述探测器阵列构成微相机阵列；

至少三个偏振片，位于所述微镜头阵列前方，其分布于所述微镜头阵列中心处，每个所述偏振片对应一个中心处微镜头，用于获取不同偏振方向的第二图像信息；

其中，所述相邻的两个中心处微相机镜头具有预定比率的视场重叠，假设拍摄水平视场角为M，垂直视场角为N，中心微镜头视场为a，边缘微镜头视场为b，两个中心处微镜头的视场重叠率为w％，其余孔径相邻两个微镜头有f％的视场重叠，总微镜头个数n与中心处微镜头个数m之间的数量关系为：其中符号表示向上取整。

2.根据权利要求1所述的多孔径偏振成像装置，其特征在于，所述探测器位于与其对应的微镜头的焦平面。

3.根据权利要求1所述的多孔径偏振成像装置，其特征在于，所述探测器阵列为面阵CMOS探测器。

4.根据权利要求1所述的多孔径偏振成像装置，其特征在于，还包括转台，连接所述微相机阵列，用于进行旋转，使目标位于所述微相机阵列中心处视场重叠区域。

5.根据权利要求1所述的多孔径偏振成像装置，其特征在于，所述相邻的两个中心处微相机镜头的视场重叠率为30％-80％。

6.一种多孔径偏振成像***，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的成像装置，还包括：

微相机控制模块，连接所述探测器阵列，用于控制所述探测器采集所述第一图像信息；

目标搜索模块，连接所述微相机控制模块，用于根据所述第一图像信息获取目标位置；

偏振态分析模块，连接所述微相机控制模块，用于根据所述第一图像信息对视场重叠内的目标进行偏振态分析获得第二图像信息，根据所述第二图像信息获取目标材质信息；

偏振重建模块，连接所述偏振态分析模块，用于根据所述第二图像信息对视场重叠内的目标进行偏振重建，得到重建图像信息。

7.根据权利要求6所述的多孔径偏振成像***，其特征在于，还包括：

目标判断模块，用于判断所述目标材质信息与预定材质信息一致时，发送所述目标位置到目标跟踪模块；

所述目标跟踪模块，用于对目标进行跟踪。

8.根据权利要求6所述的多孔径偏振成像***，其特征在于，所述微相机控制模块用于控制所述探测器的曝光参数。

9.根据权利要求8所述的多孔径偏振成像***，其特征在于，所述曝光参数包括曝光时刻和/或曝光时间。