CN1900740A - 高光谱全偏振成像遥感*** - Google Patents

Abstract

高光谱全偏振成像遥感***由成像镜头、线性相位延迟器LCVR、声光可调谐滤波片AOTF、焦平面阵列、电子控制器、图像采集卡和计算机组成，计算机是整个遥感***的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像；同时用于控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；此外，计算机还采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理。本发明具有在可见和近红外较宽的波长范围内，同时探测目标像元尺度对应的高光谱和偏振特性的能力。

Description

高光谱全偏振成像遥感***

技术领域

本发明涉及一种用于星载、机载和地面对地遥感及深空探测的高光谱全偏振成像遥感***。

背景技术

高光谱成像由于具有紧密、连续的特点，可同时记录被测物的光谱和空间信息的特征而被广泛应用。但随着高光谱成像技术的发展以及人们对遥感技术的更进一步要求，高光谱成像技术遇到了极大的挑战，首先是：(1)由于受光谱分辨率、地物结构、噪声、大气环境等因素的限制，高光谱数据经常出现“同物异谱”和“同谱异物”的现象，使其很难准确识别各种物质的化学成分、组成及数量，甚至出现误判现象；(2)高光谱成像技术对云和气溶胶的粒径测量等问题无能为力；(3)对于地面暗目标、暗背景或大角度低照度情况下，高光谱遥感得到的图像对比度太差，难以识别出目标。高光谱成像探测***将地物反射的电磁矢量波用标量的方式来探测，只探测强度信息，从而导致大量有用信息丢失。

而由电磁波的性质可知，地球表面和大气中的任何目标在反射、散射和透射以及发射电磁辐射的过程中，都会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的特征偏振。不同的物体或同一物体的不同状态〔例如粗糙度.空隙度、含水量、构成材料的理化特性等〕产生不同的偏振，不少物体都有自己独特的偏振特征，偏振特征中蕴含着物体的各种信息。同非偏振测量相比，偏振测量能得到更多易于区分目标的特征信息，能为遥感目标提供新的信息，特别是对反射强度对比度低的表面，利用偏振数据亦能有效地识别。因此偏振特性就为遥感技术提供了新的信息来源。

因此，将光谱信息和偏振信息结合就成为目前遥感技术新的研究热潮，受到了各大强国的密切关注。美国NASA使用STS-51A拍摄到的400多幅图像对云、大气、海洋等目标的偏振图像进行了分析，分析结果表明偏振状态对于识别不同的地面目标、大气、云层等都是极有价值的信息。目前已投入实际使用的星载偏振计有法国研制的地球反射偏振侧量仪(POLDER)和美国研制的地球观测扫描偏振计(EOSP)，尽管这两个载荷只是在有限的几个波段内测量物体的部分偏振特性，但其传回的数据表明偏振遥感具有巨大的潜在应用价值。美国空军研究实验室研制出可变相位延迟、红外傅里叶变换光谱偏振仪(VRFTSP)。美国陆军实验室利用光谱偏振成像仪进行了草地、道路、汽车的偏振光谱信息的测量，利用偏振差图像识别人工目标。日本航空探测中心JAXA利用其研制的机载LCTF高光谱成像偏振仪，根据光谱信息与偏振角信息监测河流、湖泊水污染等的探测。英国莱斯特大学的研究表明岩矿偏振辐射的变化与其金属含量以及所受碳氢污染程度有关。美国***梅隆大学D.F.Huber等人利用光谱偏振成像仪测得的偏振光谱数据应用于军事***目标识别和机器视觉交通***。

从目前的国内外的研究看出，偏振遥感已显示出强大的探测能力，但目前的偏振光谱探测***的光谱波段都较窄、光谱分辨率很低，都属于多光谱偏振技术的范畴，高光谱全偏振探测***还处于概念化研究阶段。在偏振遥感的机理认识上也只是得出一些像偏振度随目标特性、探测角、地点、太阳高度角等变化的简单定性或定量性的结论。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高光谱全偏振成像遥感***，该***具有在可见和近红外大的波长范围内，同时探测目标像元尺度对应的高光谱和偏振特性的能力。

本发明的技术解决方案：高光谱全偏振成像遥感***，其特点在于包括下列部分：

成像镜头，位于整个遥感***的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；

线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器和声光可调谐滤波片构成具有可探测目标4个全斯托克斯分量的功能的偏振测量组件；

声光可调谐滤波片AOTF，位于线性相位延迟器的后面，用于遥感***的光谱分光功能，通过控制电路与计算机的串口相连；

控制电路，用于改变加在声光可调谐滤波片AOTF的信号的频率值，从而实现AOTF的光谱分光功能，其一端与声光可调谐滤波片AOTF相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；

焦平面阵列，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；

电子控制器，用于控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；

图像采集卡，用于将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；

计算机，是整个遥感***的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的控制信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像实现了***的成像光谱探测功能；同时控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，实现了偏振测量。

本发明的工作原理为：***的光谱测量功能使用声光可调谐滤波器作为分光元件，由计算机控制加在AOTF上控制信号的频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，顺序改变控制信号频率，序列采集不同波长处的目标得到数据立方体，即得目标的波谱信息，实现了***的成像光谱探测功能。偏振测量组件由两块电压控制的可变液晶相位延迟器LCVR，以及其后的声光可调谐滤波器的线性偏振功能构成，调整声光可调谐滤波器的方向只让水平偏振光通过，通过计算机控制相位延迟器的延迟值，设置4组不同的相位延迟值采集图像得到4个图像强度值，得到一个线性方程组，利用矩阵反演得到全斯托克斯Stokes矢量4个分量I，Q，U和V的值。

本发明与现有探测技术相比具有如下优点：

(1)由于将相位延迟器LCVR和AOTF有效地结合到一起，因此可探测像元尺度对应的高光谱全偏振目标数据，可从光谱维的偏振信息分析目标特性。

(2)由于使用声光可调谐滤波片AOTF，波段可随机调谐，波长范围可任意选择，减少数据冗余，大大提高遥感数据传输时间和处理时间，解决目前遥感领域严重的数据***和信息饥渴的矛盾问题。

(3)LCVR和AOTF都由电子控制，没有机械移动，因此大大提高了***探测精度、探测时间和可靠性。

附图说明

图1为本发明的***组成原理框图；

图2为本发明的声光可调谐滤波片AOTF的工作示意图；

图3为本发明的波矢量在TeO2AOTF中相互作用原理图；

图4为本发明的AOTF波长选择原理图；

图5为本发明的AOTF内部结构与光矢量和超声矢量的对照图；

图6为本发明的线性相位延迟器LCVR结构图；

图7为本发明的计算机控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括成像镜头、LCVR、AOTF、焦平面阵列、电子控制器、图像采集卡和计算机，焦平面阵列输出的图像信号经图像采集卡送入计算机，LCVR的电子控制器与计算机的串口或USB接口相连，AOTF的控制电路也与计算机的串口相连，计算机控制加在AOTF上控制电路的信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，顺序改变控制信号频率，序列采集不同波长处的目标得到数据立方体，即得目标的波谱信息，实现。偏振测量组件由两块电压控制的可变液晶相位延迟器LCVR，以及其后的声光可调谐滤波器的线性偏振功能构成，调整声光可调谐滤波器的偏振面方向只让水平偏振光通过。由计算机控制相位延迟器的延迟值，设置4组不同的相位延迟值采集图像得到4个图像强度值，从而得到一个线性方程组，利用矩阵反演得到Stokes矢量4个分量I，Q，U和V的值，即可实现高光谱全偏振成像遥感探测功能。

如图2所示，声光可调谐滤波片AOTF的工作原理是使光束和超声波在透明介质里相互作用。AOTF是由压电换能器和沿适当方向切割的双折射单轴晶体组成，通过控制信号来驱动压电换能器使晶体中传导超声波，超声波使得晶体内部的折射率发生周期性变化。这种超声波组成一列超声相位光栅，使得入射到双折射晶体中的光波中只有特定波长的光波能够满足特定的动量匹配条件而发生衍射。通过改变控制信号的频率AOTF能够迅速改变通过的波长范围，在极短的时间内扫描整个光谱范围。

这种声光相互作用不仅仅只是具有选择单一波长的光的作用，同时它也选择衍射光的偏振状态。AOTF晶体介质使入射的自然光分为两束(o光和e光)，它们的偏振方向正交，传播速度和方向不同。如图2所示为一个典型的AOTF工作原理图，当一束自然光以入射角度θ_i直接入射到AOTF的晶体内，该光束中波长满足式(1)条件的光才可能发生衍射。

${\stackrel{r}{k}}_d={\stackrel{r}{k}}_a\±{\stackrel{r}{k}}_i---\left(1\right)$

其中

为分别为衍射光和入射光矢量； 为超声矢量。

$\left|{\stackrel{r}{k}}_i\right|=\frac{{2\mathrm{\πn}}_i}{\mathrm{\λ}},\left|{\stackrel{r}{k}}_d\right|=\frac{{2\mathrm{\πn}}_d}{\mathrm{\λ}},\left|{\stackrel{r}{k}}_a\right|=\frac{2\mathrm{\πf}}{V}---\left(2\right)$

式中λ是光波长；f为超声频率；V是声波在晶体内的传播速度；n_i，n_d分别为入射光和衍射光的折射率，它们满足以下关系：

$\frac{1}{n_i^2}=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i}{n_o^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{n_e^2}---\left(3\right)$

图3为TeO₂ AOTF的双折射晶体的波长矢量椭球，入射光矢量

在超声矢量

的作用下，变为偏振态相互垂直的o光衍射光k_d ^o和e光衍射光k_d ^e。遮挡e光衍射光k_d ^e和未发生衍射的少部分光，则出射光即为具有很窄带宽的线偏振光。

AOTF波长选择原理如图4所示，含有不同波长的光射入AOTF，当超声波矢量为k_a ^f1时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有K_d ^λ1，因此就只有波长为λ₁的光穿过AOTF，依此类推，当超声波矢量为k_a ^fn时，满足动量匹配条件的衍射光矢量只有k_d ^λn，因此也就只有波长为λ_n的光穿过AOTF。这样，AOTF就起到了分光滤波的作用。

如图5所示，如果将光矢量图和超声矢量图与非同向声光互作用AOTF结构图放在一起，并对应了相同角度，可以直观得到声光相互作用的原理，及其中各个矢量之间的角度对应关系。

在AOTF结构图里，特别调整了出射平面的角度，这样可以使不同波长的光波发生衍射后，虽然衍射角不同，但是出射光的方向却相同，从而有效减小了不同波长所对应的图像之间纵向像差。

计算机控制加在AOTF上控制电路的控制信号的频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像，实现了***的成像光谱探测功能。

如图6所示，本发明的可变液晶相位延迟器LCVR以及AOTF本身所具有的线性滤波面LP构成偏振测量功能。LCVR的上下两边是硼硅酸盐或熔融石英材料制成的两块玻璃板，玻璃板被分立于两端的间隔装置分开相距几个微米，中间填充液晶LC，液晶经玻璃内表面的磨面聚酰亚胺PI对齐，使得液晶与玻璃平板平行，当光通过LCVR时，被分成o光和e光，如果不加电压，由于液晶的异向特性，通过LCVR的o光和e光相位差相差最大，相差λ/2，如果在玻璃板上施加一定的电压，则液晶发生一定的倾斜，通过LCVR的o光和e光相差0～λ/2的相位差。LCVR的电极为透明的导电铟锡氧化物电极ITO。LCVR的固定轴方向与AOTF的偏振面LP方向成0度～180度范围内的一个角度。调整AOTF的偏振面方向只让水平偏振光通过。LCVR的电子控制器件为高精度精密稳压电源，与一般电压源原理相同。

用Muller矩阵运算来表征通过AOTF的偏振面LP的透射光。从LP出来的光可用Stokes矢量S₀＝(LP)(VP)(VR)S_i来表示，其中S_i＝(I，Q，U，V)是按传统符号表示的(未知的)输入Stokes矢量，亦即I是未偏振光的光强，Q是水平线偏振减垂直线偏振，U是45°线偏振减135°线偏振，V是右旋圆偏振减左旋圆偏振的差值。

为了找到输入Stokes矢量的4个分量，设置4组不同的相位延迟值采集图像得到4个I₀值，得到一个线性方程组，利用对S_i的反演S_i＝(B)^-1I₀得到入射光的四个4个分量，其中(B)行是对应于4对延迟值(δ，Δ)的上面每个方程中变量I，Q，U和V的系数。

AOTF不仅具有波长选择功能，还具有偏振特性，只允单一偏振方向的光通过，因此只能探测到目标单一方向上的反射光。在AOTF前面加入LCVR后，LCVR可改变目标偏振方向，通过控制LCVR的电压改变目标反射光的偏振态，就可探测到目标不同偏振方向上的反射光强，因此，线性相位延迟器LCVR不仅能实现偏振测量，还能弥补AOTF只能探测单一方向偏振光的缺陷。

本发明的计算机的控制软件流程图如图7所示，首先设置LCVR的相位延迟值都为0°，改变AOTF的RF频率，使其从初始波长位置开始逐步扫描直到结束波长，得到目标在该波长处的图像，从而实现了***的成像光谱探测功能；然后依次改变LCVR的相位延迟值，改变AOTF的RF频率使其在全部波长范围内扫描采集图像，得到一景图像中任一像素在各个波长的4个I₀值，解线性方程组就可得4个像元尺度对应的目标高光谱Stokes偏振分量值，从而完成一景图像的高光谱全偏振特性探测。

Claims (3)

1、高光谱全偏振成像遥感***，其特征在于包括下列部分：

成像镜头，位于整个遥感***的最前端，用于将被测目标成像于焦平面阵列上；

线性相位延迟器LCVR，位于成像镜头的后面，线性相位延迟器和声光可调谐滤波片构成具有可探测目标4个全斯托克斯分量的功能的偏振测量组件；

声光可调谐滤波片AOTF，位于线性相位延迟器的后面，用于实现光谱分光功能，通过控制电路与计算机的串口相连；

控制电路，用于改变加在声光可调谐滤波片AOTF的信号的频率值，从而实现AOTF的光谱分光功能，其一端与声光可调谐滤波片AOTF相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；

焦平面阵列，为光电转换器件，用于将被测目标的光辐射强度转换为电信号，其输出的电信号经由计算机I/O卡送入计算机；

电子控制器，用于控制加在线性相位延迟器LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其一端与线性相位延迟器LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；

图像采集卡，用于将焦平面阵列光电转换后的信号，送入计算机，其插在计算的PCI插槽中；

计算机，是整个遥感***的核心部件，用于控制加在AOTF上控制信号的控制信号频率，从而改变通过AOTF的光线的波长，得到目标在该波长处的图像实现了***的成像光谱探测功能；同时控制加在LCVR的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值；采集被测目标图像信号，并对所采集图像进行处理，实现了偏振测量。

2、根据权利要求1所述的高光谱全偏振成像遥感***，其特征在于：所述的线性相位延迟器由上下为硼硅酸盐或熔融石英材料制成的两块玻璃板，两块玻璃板中间填充液晶LC，液晶LC经玻璃内表面的磨面聚酰亚胺PI对齐，使得液晶与玻璃平板平行。

3、根据权利要求1所述的高光谱全偏振三维成像集成探测***，其特征在于：所述线性相位延迟器LCVR固定轴方向与AOTF的偏振面LP方向成0度～180度范围内的一个角度。

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