CN115931132A - 一种红外偏振探测***、装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种红外偏振探测***、装置和方法，涉及光电探测技术领域，实现了对涂层覆盖下的基板异常进行精准探测。包括红外照明子***、红外偏振探测子***、图像采集及处理子***和电路控制子***；红外照明子***包括发光照明光源单元；红外偏振探测子***包括串行排列且同光轴的红外偏振探测器单元、镜头单元和聚光透镜单元，聚光透镜单元用于使反射的光线汇聚后进入镜头单元，被红外偏振探测器单元捕获，红外偏振探测器单元用于调制不同角度偏振光产生偏振特征图像；图像采集及处理子***包括视频转换板单元和计算机单元，电路控制子***包括电源单元和电子板单元；视频转换板单元和电子板单元将光信号转换为电信号，并传至计算机单元形成图像信息。

Description

一种红外偏振探测***、装置和方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种红外偏振探测***、装置和方法。

背景技术

涂料作为使用最为普遍和有效的防护技术，广泛应用于海洋、化工、交通、国防等各个领域。由于涂层的失效是一个从量变到质变的过程，而这种转折点往往与被保护物件和结构的检查、维修周期不相匹配。这就容易出现在某个阶段或节点进行肉眼检查时涂层完好，而实际上涂层下金属已发生腐蚀现象，随之带来腐蚀破损隐患和其它牵连事故风险。长期以来，涂层下板材腐蚀的无损检测一直是困扰制造行业的难题。

偏振成像探测是一种新型的目标探测技术，与传统光电成像探测技术相比，不仅能够获得目标场景的辐射强度信息，还可以获得偏振度、偏振角、偏振椭率等偏振参数，并增加探测目标场景信息的维度，对提高目标探测与识别具有重要的意义。由于物体反射和电磁辐射的过程中都会产生由其自身性质所决定的偏振特性，不同物体或同一物体的不同状态在热红外波段往往具有不同的偏振状态，能够根据目标表面材料反射或辐射的偏振特点，成像后表征目标的偏振特性，加强边缘轮廓特征，在一定程度上能够弥补传统红外成像的不足。

目前，现有涂料下基板探测装置通常使用红外波长以外的广谱光，这种装置使用时会受到阳光或环境光照射可能引起热效应，而影响由于基板辐射热量所获得的图像信息，会对分析涂层基板质量产生负面影响。这些装置通常与被分析对象的表面保持一定距离，从而允许杂散光、辐射和热辐射等因素的干扰。此外，许多现有技术的设备会对人眼造成不同程度的伤害，使用起来很危险。

发明内容

为了实现对涂层覆盖下的基板异常进行精准探测，本发明提出了一种红外偏振探测***、装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种红外偏振探测***，包括红外照明子***、红外偏振探测子***、图像采集及处理子***和电路控制子***；所述红外照明子***、红外偏振探测子***、图像采集及处理子***均由电路控制子***实现控制；

所述红外照明子***包括发光照明光源单元，用于向目标物体发射高能红外辐射；

所述红外偏振探测子***包括红外偏振探测器单元、镜头单元、聚光透镜单元，各单元串行排列且同光轴，所述聚光透镜单元用于使涂层表面反射的中波红外光线汇聚后进入所述镜头单元，然后被红外偏振探测器单元所捕获，所述红外偏振探测器单元用于调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像；

所述图像采集及处理子***包括视频转换板单元和计算机单元，所述电路控制子***包括电源单元和电子板单元；所述视频转换板单元和电子板单元用于将光信号转换为电信号，并传输至所述计算机单元，形成可观察处理分析的图像信息；所述电源单元用于向整个***持续供电。

优选地，所述红外照明子***还包括反射器单元，所述反射器单元的反光面为抛物面。

优选地，所述发光照明光源单元包括至少两个光源，所述光源并行排列同时发光，所述反射器单元包括至少两个反射器件。

优选地，所述发光照明光源单元置于所述反射器单元的焦点位置，使得光源发出的各光线经抛物面反射后，其反射光线平行射向目标物体方向。

优选地，所述红外偏振探测器单元通过焦平面阵列调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像。

优选地，所述电源单元为可充电电池。

优选地，所述电路控制子***还包括风扇单元，用于提供散热功能。

一种红外偏振探测装置，包括如上所述的红外偏振探测***，还包括外壳结构，所述红外偏振探测***集成于外壳结构内部，所述外壳结构包括散热片单元和开放式窗口单元，所述开放式窗口单元的外缘设有橡胶材料。

一种红外偏振探测方法，应用如上所述的红外偏振探测装置，所述方法包括以下步骤：

S1、将开放式窗口单元置于目标物体表面且软性接触；

S2、打开发光照明光源单元，发出红外光束照射在目标物体表面涂层上并由反射器单元多次反射，最终经过镜头单元被红外偏振探测器单元Ⅰ所捕获；

S3、打开红外偏振探测器单元，采集不同角度偏振光产生的偏振特征图像，经图像采集与处理子***进行数据处理，最终得到红外波段的四个偏振分量：偏振度、偏振角、线偏振和圆偏振图像。

优选地，步骤S3中所述偏振特征图像包括0°、45°、90°和135°相应的偏振图像。

与现有技术相比，本发明解决了涂层覆盖下的基板异常难以精准检测的技术问题，具体有益效果为：

本发明所提供的红外偏振探测***，利用红外光的偏振特性，通过在红外范围内起作用以减少或消除环境光照或辐射对分析过程的影响，红外波长对涂料具有穿透作用，结合了偏振特性的红外偏振光能使成像细节更清晰对比度更高，可以对涂过漆的金属、塑料或复合材料表面下的腐蚀和缺陷进行无损实时成像，无损检测涂层表面下基板的应力断裂、缺陷和腐蚀等异常，以一种简单有效的方式实现更加便携、轻便、节能且更加精准的目标探测。

本发明可应用于涂层覆盖下基板的检测工作中，尤其适用于检测涂漆车辆外壳表面下的早期腐蚀，也可用于军事硬件、石油和天然气管道、化学储存罐、飞机、船舶、潜艇、核电管道及天线盘的表面探测。

附图说明

图1为本发明提供的红外偏振探测***使用结构示意图；

图2为红外偏振探测单元的焦平面阵列示意图；

图3为具体实施方式中所述手持装置示意图。

附图标记说明：

1、红外照明子***；2、红外偏振探测子***；3、图像采集及处理子***；4、电路控制子***；5、外壳结构；

11、发光照明光源单元；12、反射器单元；

21、红外偏振探测器单元；22、镜头单元；23、聚光透镜单元；

31、视频转换板单元；32、计算机单元；

41、电源单元；42、电子板单元；43、风扇单元；

51、散热片单元；52、开放式窗口单元。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。

实施例1.

本实施例提供了一种红外偏振探测***，包括红外照明子***1、红外偏振探测子***2、图像采集及处理子***3和电路控制子***4；所述红外照明子***1、红外偏振探测子***2、图像采集及处理子***3均由电路控制子***4实现控制；

所述红外照明子***1包括发光照明光源单元11，用于向目标物体发射高能红外辐射；

所述红外偏振探测子***2包括红外偏振探测器单元21、镜头单元22、聚光透镜单元23，各单元串行排列且同光轴，所述聚光透镜单元23用于使涂层表面反射的中波红外光线汇聚后进入所述镜头单元22，然后被红外偏振探测器单元21所捕获，所述红外偏振探测器单元21用于调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像；

所述图像采集及处理子***3包括视频转换板单元31和计算机单元32，所述电路控制子***4包括电源单元41和电子板单元42；所述视频转换板单元31和电子板单元42用于将光信号转换为电信号，并传输至所述计算机单元32，形成可观察处理分析的图像信息；所述电源单元41用于向整个***持续供电。

本实施例所述红外偏振探测器单元21优选为一个操作波长在3.7μm~4.8μm范围内，分辨率640×512，最大帧频117Hz，NETD≤25mk的红外偏振探测器；

所述镜头单元22优选由红外发射材料制成，如硅(S)或锗(Ge)，工作波长为3.7μm~4.8μm，F值为1.1，视场角度为20°；

所述红外照明子***1中的发光照明光源单元11优选使用二维光子晶体结构来调谐和限制红外发射在3.7μm~4.8μm光谱范围内，该光源以最低的能耗提供高能量红外辐射。

本实施例所提供的红外偏振探测***，利用红外光的偏振特性，通过在红外范围内起作用以减少或消除环境光照或辐射对分析过程的影响，红外波长对涂料具有穿透作用，结合了偏振特性的红外偏振光能使成像细节更清晰对比度更高，可以对涂过漆的金属、塑料或复合材料表面下的腐蚀和缺陷进行无损实时成像，无损检测涂层表面下基板的应力断裂、缺陷和腐蚀等异常，以一种简单有效的方式实现更加便携、轻便、节能且更加精准的目标探测。

实施例2.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述红外照明子***1还包括反射器单元12，所述反射器单元12的反光面为抛物面。

实施例3.

本实施例为对实施例2的进一步举例说明，所述发光照明光源单元11包括至少两个光源，所述光源并行排列同时发光，所述反射器单元12包括至少两个反射器件。

优选地，8个光源被固定在壳体内部并随着观察口偏移，以便与观察口的法线面之间呈30°~60°的角度均匀地照亮观察口。

实施例4.

本实施例为对实施例3的进一步举例说明，所述发光照明光源单元11置于所述反射器单元12焦点位置，使得光源发出的各光线经抛物面反射后，其反射光线平行射向目标物体方向。

实施例5.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述红外偏振探测器单元21通过焦平面阵列调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像，所述焦平面阵列示意图见图2所示。

实施例6.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述电源单元41为可充电电池。

实施例7.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述电路控制子***4还包括风扇单元43，用于提供散热功能。

实施例8.

本实施例提供了一种红外偏振探测装置，包括如实施例1-7中任一项所述的红外偏振探测***，还包括外壳结构5，所述红外偏振探测***集成于外壳结构5内部，所述外壳结构5包括散热片单元51和开放式窗口单元52，所述开放式窗口单元52的外缘设有橡胶材料。

本实施例所述外壳结构5为刚性耐气温的，最好是金属、塑料或复合材料。优选地，外壳结构5为铝制外壳，能够对设备组合进行高效经济和坚固的包装。更优地，外壳结构5内部设置用于MWIR摄像机的振动和缓冲的安装座，以及用于除去由相机工作所产生热量的冷却散热风扇。

在本实施例装置的前端优选的设有一个尺寸为2*2英寸的开放式窗口，它可以根据设备大小的不同而进行缩放。所述外壳结构5包括散热片，以散热多余的热量并冷却所述装置。

实施例9.

本实施例提供了一种红外偏振探测方法，应用如实施例8所述的红外偏振探测装置，所述方法包括以下步骤：

S1、将开放式窗口单元52置于目标物体表面且软性接触；

S2、打开发光照明光源单元11，发出红外光束照射在目标物体表面涂层上并由反射器单元12多次反射，最终经过镜头单元22被红外偏振探测器单元Ⅰ所捕获；

S3、打开红外偏振探测器单元21，采集不同角度偏振光产生的偏振特征图像，经图像采集与处理子***3进行数据处理，最终得到红外波段的四个偏振分量：偏振度、偏振角、线偏振和圆偏振图像。

作为示例，所述计算机单元采用的偏振计算公式包括：

表征目标场景偏振态的斯托克斯矢量S：

其中，参数代表光波辐射的强度，参数和表示光波的线偏振信息，参数描述了入射辐射的圆偏振分量，但在实际应用中圆偏振光一般很小，默认为0。特殊地，自然光的Stokes 矢量因其偏振分量均匀分布可以表示为。此外，Stokes向量各参数、偏振度和偏振角之间存在如下关系：

，

。

实施例10.

本实施例为对实施例9的进一步举例说明，步骤S3中所述偏振特征图像包括0°、45°、90°和135°相应的偏振图像。

在进行红外偏振成像实验时，分别在0°、45°、90°和135°的偏振方向获取红外偏振图像，因此 Stokes 矢量的表达式可以直接通过下式求得：

。

本申请采用红外中波波长对车辆外壳涂料具有穿透作用，结合了偏振特性的红外偏振光能使成像细节更清晰对比度更高。铝表面腐蚀或缺陷或其他表面纹理比周围的涂漆材料通常有不同的反射率和偏振特性，红外光的一部分通过涂层(面漆和底漆)并反射或散射基板，以便红外偏振探测器单元捕获。使用合适的红外照明光源使一些涂漆表面特征可以被红外偏振探测器成像，并在计算机屏幕上直观地显示出来，以便用户在不损伤涂漆表面的情况下看到这些表面下的特征。

通过只使用红外波长的光，可以防止被检查表面的热效应，从而影响图像，并消除了损坏表面的可能性。此外，该设备对眼睛是安全的，只使用红外波长所需的电力。

本申请所述装置被设计成可直接放置在或非常接近被检查表面，与现有技术相比，这是一个显著的改进，现有技术要求摄像机与被检查的地面保持一定的距离。这就要求用户要么每次都测量距离，要么设置了导致图像质量差的距离。通过将开放式窗口直接放置在待检查表面，省去了距离测算，并取得了良好的图像。红外光源实现电到红外辐射的有效转换致使产生的热量非常低，这种紧凑的装置可以直接放置在敏感表面，如油漆，而不会造成任何热损伤。

其次，镜头单元被设计成当装置被放置在涂层表面上时，红外偏振探测器单元能够捕捉到焦点上的图像。通过在开放式窗口单元的外缘放置橡胶等软材料，当设备与油漆接触时，不会影响表面结构的完整性。如图3所示，本申请可以实现手持在油漆表面移动，红外偏振探测器单元将实时捕捉图像，这些图像显示在安装在装置中的计算机单元上；还可以通过将计算机单元从设备中取出，并单独手持或放置来进一步减轻设备的重量，例如戴在腕带上，该传感设备的信号可以通过无线或电缆发送。

Claims (10)

1.一种红外偏振探测***，其特征在于，包括红外照明子***（1）、红外偏振探测子***（2）、图像采集及处理子***（3）和电路控制子***（4）；所述红外照明子***（1）、红外偏振探测子***（2）、图像采集及处理子***（3）均由电路控制子***（4）实现控制；

所述红外照明子***（1）包括发光照明光源单元（11），用于向目标物体发射高能红外辐射；

所述红外偏振探测子***（2）包括红外偏振探测器单元（21）、镜头单元（22）、聚光透镜单元（23），各单元串行排列且同光轴，所述聚光透镜单元（23）用于使涂层表面反射的中波红外光线汇聚后进入所述镜头单元（22），然后被红外偏振探测器单元（21）所捕获，所述红外偏振探测器单元（21）用于调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像；

所述图像采集及处理子***（3）包括视频转换板单元（31）和计算机单元（32），所述电路控制子***（4）包括电源单元（41）和电子板单元（42）；所述视频转换板单元（31）和电子板单元（42）用于将光信号转换为电信号，并传输至所述计算机单元（32），形成可观察处理分析的图像信息；所述电源单元（41）用于向整个***持续供电。

2.根据权利要求1所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述红外照明子***（1）还包括反射器单元（12），所述反射器单元（12）的反光面为抛物面。

3.根据权利要求2所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述发光照明光源单元（11）包括至少两个光源，所述光源并行排列同时发光，所述反射器单元（12）包括至少两个反射器件。

4.根据权利要求3所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述发光照明光源单元（11）置于所述反射器单元（12）的焦点位置，使得光源发出的各光线经抛物面反射后，其反射光线平行射向目标物体方向。

5.根据权利要求1所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述红外偏振探测器单元（21）通过焦平面阵列调制不同角度的偏振光产生偏振特征图像。

6.根据权利要求1所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述电源单元（41）为可充电电池。

7.根据权利要求1所述的红外偏振探测***，其特征在于，所述电路控制子***（4）还包括风扇单元（43），用于提供散热功能。

8.一种红外偏振探测装置，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的红外偏振探测***，还包括外壳结构（5），所述红外偏振探测***集成于外壳结构（5）内部，所述外壳结构（5）包括散热片单元（51）和开放式窗口单元（52），所述开放式窗口单元（52）的外缘设有橡胶材料。

9.一种红外偏振探测方法，其特征在于，应用如权利要求8所述的红外偏振探测装置，所述方法包括以下步骤：

S1、将开放式窗口单元（52）置于目标物体表面且软性接触；

S2、打开发光照明光源单元（11），发出红外光束照射在目标物体表面涂层上并由反射器单元（12）多次反射，最终经过镜头单元（22）被红外偏振探测器单元Ⅰ所捕获；

S3、打开红外偏振探测器单元（21），采集不同角度偏振光产生的偏振特征图像，经图像采集与处理子***（3）进行数据处理，最终得到红外波段的四个偏振分量：偏振度、偏振角、线偏振和圆偏振图像。

10.根据权利要求9所述的红外偏振探测方法，其特征在于，步骤S3中所述偏振特征图像包括0°、45°、90°和135°相应的偏振图像。

Images