CN215263105U - 一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测*** - Google Patents
一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测*** Download PDFInfo
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Abstract
一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，属于偏振光谱探测设备领域，为了解决现有技术难以识别溢油种类，反演油膜厚度确定是针对要区分溢油种类等的问题，该***包含望远镜、狭缝、偏振探测器和PGP分光***，偏振探测器采用分焦平面型偏振成像手段，在CCD传感器前，设置经过微纳加工的微型偏振片组合，从而CCD每个像素上可获取不同的偏振方向的光强，经过合理的偏振微元排列和数学计算，可以获得目标的斯托克斯参量信息，通过获得各个方向上偏振强度，得到目标的偏振信息；PGP分光***包含准直镜组、PGP与聚焦镜组；望远镜选用主镜为抛物面，次镜为双曲面的卡式***，PGP采用普通棱镜和体全息布拉格衍射光栅胶合。
Description
技术领域
本实用新型属于偏振光谱探测设备领域，尤其涉及海面溢油的机载偏振光谱探测***。
背景技术
油膜会阻碍海洋浮游植物光合作用和海气交换，降低水中的溶解氧含量，使海水的含氧量、温度等要素发生较大的变化，导致浮游植物死亡，进而降低水体的饵料基础。油污进入沿海湿地、红树林、海洋生物保护区时，会对湿地、红树林、海洋生态***造成破坏，导致生态环境破坏，生物多样性下降。因此开展快速有效的海上溢油识别和监测，对海洋污染事件处理以及生态环境恢复都具有重要的意义。
目前,以微波遥感和光学遥感监测海上溢油为主,其中微波遥感以合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)为主,光学遥感以多光谱传感器为主。基于遥感卫星的SAR(合成孔径雷达)图像的检测方法，此方法是一种主动成像***，通过对SAR图像的处理进行溢油的识别，但此方法存在一定虚警问题，时间分辨率低且对于溢油种类的识别十分困难。多光谱光学传感器但数据冗余性高，不同波段之间有较高的相关性。且整体匹配无法对特征波段处的微小差异进行区分。局部光谱匹配对光谱的细微差异比较敏感，但容易受光谱的信噪比的影响原始高光谱数据需经过校正、滤波处理，之后将光谱的灰度值通过经验线性法转换为油膜的反射率，最后再与典型光谱分类匹配，从而得出海面溢油种类、溢油量等信息，因此数据计算量大，容易受环境天气影响。因此针对海面溢油范围广、海浪波动大、油种油厚识别难等特点，提出机载偏振光谱一体化海面溢油光学遥感***。
光的偏振态差异能反映目标的边缘和表面纹理特征且在阳光下油比水的出射光具有更强的偏振特性，不同种类和不同厚度的油膜的偏振特性也有明显的差异从而有利于对溢油的识别、溢油种类的确定和溢油油膜厚度的反演，且环境的变化对于偏振探测的影响较小，因此偏振检测作为强度检测的一个有益补充，可以把信息从(光强、光谱和空间)扩充到(光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭圆率和旋转方向)。在探测距离和对溢油的种类识别有很大优势。偏振信息具有在散射介质中特性保持能力比强度散射更强的特点，偏振成像具有可以增加雾霾，烟尘，水雾中作用距离的优势，提高探测器的探测能力和信息获得的稳定性。
光谱成像技术通过油膜覆盖的海面粗糙度远小于纯净海面的粗糙度,导致溢油区域与纯净海水区域具有不同的光学散射、反射和吸收指数特性,多光谱传感器依赖于接收器接收到的油膜覆盖海域和纯净海水反射信号的差异进行遥感溢油识别，可以得到溢油种类和溢油量信息，还可以通过不同波段的光谱测量溢油厚度。
光谱偏振成像技术有机结合了光谱成像技术和偏振成像技术，使遥感仪器获取的数据呈现多维形式，极大丰富了目标的信息量，多维度的信息可以使得测量结果的准确度更高，不仅获得的信息更多而且可以同时获取强度、偏振、光谱等多维度数据和图像，可以更加快速准确地对溢油种类和溢油油膜厚度的识别。根据偏振的优势特性还可以减小环境因素的影响提高探测器的探测能力和信息获取的稳定性。将光谱成像技术和偏振成像技术相结合，通过多谱段偏振图像区分溢油种类、反演油膜厚度、估算溢油面积，同时实现海面溢油多维度的广域搜索和精细识别，为海面溢油的快速精准监测和溯源治理提供决策信息。目前作为一种新兴的探测技术，国外从2010年低进行试验尝试，进行了多次改进，并且获得了大量云层、气溶胶和地面数据，逐渐从试验从探索走向应用，而国内此项技术尚处于实验探索阶段，且并未有成熟的光谱偏振一体化方案应用于溢油探测，因此设计了本***来解决针对海洋溢油探测的问题。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术难以识别溢油种类，反演油膜厚度确定是针对要区分溢油种类等的问题，提出一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***。
本实用新型解决技术问题的方案是：
一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，其特征是，该***包含望远镜、狭缝、偏振探测器和PGP分光***，偏振探测器采用分焦平面型偏振成像手段，在CCD传感器前，设置经过微纳加工的微型偏振片组合，从而CCD每个像素上可获取不同的偏振方向的光强，经过合理的偏振微元排列和数学计算，可以获得目标的斯托克斯参量信息，通过获得各个方向上偏振强度，从而得到目标的偏振信息；PGP分光***包含准直镜组、PGP与聚焦镜组；望远单元中双镜***选用主镜为抛物面，次镜为双曲面的卡式***，PGP采用普通棱镜和体全息布拉格衍射光栅胶合，平行光经过棱镜色散，不同波长以不相等的角度入射到体光栅上，通过光栅后的光束再一次经过棱镜色散，使得中心波长λC不会发生偏折，沿光轴方向平行出射，整个***采用透射装置，从狭缝开始各光学元件保证共轴，对称性，***的准直镜和成像镜采用对称装置，放大率为-1，棱镜和光栅在单独作为分光元件时存在谱段弯曲，而且两者的弯曲方向刚好相反，棱镜弯向短波方向，光栅弯向长波方向，PGP***中将二者结合可以有效地消除谱线弯曲。
本发明的有益效果是：
1、信息获取效率高，多维精细成像单元利用分焦平面偏振探测器同时获取0°、45°、90°、135°偏振信息，通过图像采集模块将光谱偏振信息同时获取，实现单探测器、单光路光谱偏振推扫精细成像，信息融合处理单元将光谱、偏振信息进行快速存储并高效融合处理，提取比对目标特征，进行快速识别反演。
2、图像获取稳定性高，相比单一成像技术的使用，将光谱偏振相融合可以很好地发挥各项技术的优势，偏振信息具有在散射介质中特性保持能力比强度散射更强的特点，偏振成像具有可以增加雾霾，烟尘，水雾中作用距离的优势，减小天气环境的影响，提高探测器的探测能力和信息获得的稳定性。
3、通过多谱段偏振图像的偏振信息和光谱信息共同区分溢油种类、通过油膜随厚度变化的光谱变化特性通过光谱信息反演油膜厚度、估算溢油面积，同时实现海面溢油多维度的广域搜索和精细识别，为海面溢油的快速精准监测和溯源治理提供决策信息。
附图说明
图1为一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***的结构示意图。
图2为所述偏振探测器成像原理图。
图3为所述卡式***光学图。
图4为所述PGP整个元件示意图。
附图标记：1-望远镜，2-狭缝，3-偏振探测器，4-PGP分光***，5-准直镜组，6-PGP(棱镜-光栅-棱镜),7-聚焦镜组，8-主镜，9-次镜。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，包含望远镜1、狭缝2、偏振探测器3和PGP分光***4组成，PGP分光***4包含准直镜组5、PGP(棱镜-光栅-棱镜)6与聚焦镜组7。偏振探测器3如图2采用分焦平面型偏振成像手段，在CCD传感器前，设置经过微纳加工的微型偏振片组合，从而CCD每个像素上可获取不同的偏振方向的光强，经过合理的偏振微元排列和数学计算，可以获得目标的斯托克斯参量信息，通过获得各个方向上偏振强度，从而得到目标的偏振信息，像元尺寸为3.45μm*3.45μm，分辨率为2048*2048,帧频为24Hz,快门类型为全局快门。
前置望远镜1与狭缝2的设计，***焦距为1.1m，海面像元分辨率为5.0m/pixel时，视场角为0.367°，刈幅为5120m，狭缝的有效长度为7.3mm，留余量后取10.0mm，望远镜实现能量的收集，口径选择250mm。如图3所示，望远单元中双镜***选用主镜8为抛物面，次镜9为双曲面的卡式***，主镜8口径250mm，次镜9口径40mm，工作波长450nm-900nm，对于卡式***中的反射主镜8如上节所述选用SiC材料，而对于透镜、分色镜和棱镜等光学组件主要用可见波段光学玻璃。
PGP6如图4采用普通棱镜和体全息布拉格衍射光栅胶合达到分光的目的，平行光经过棱镜色散，不同波长以不相等的角度入射到体光栅上，衬底材料和棱镜相同，这样可以使得在二者的胶合面上出现光束偏折，通过光栅后的光束再一次经过棱镜色散，使得中心波长λC不会发生偏折，沿光轴方向平行出射，整个***采用透射装置，从狭缝2开始各光学元件保证共轴，对称性，***的准直镜和成像镜采用对称装置，放大率为-1，棱镜和光栅在单独作为分光元件时存在谱段弯曲，而且两者的弯曲方向刚好相反，棱镜弯向短波方向，光栅弯向长波方向，PGP***中将二者结合可以有效地消除谱线弯曲。
以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，其特征是，该***包含望远镜(1)、狭缝(2)、偏振探测器(3)和PGP分光***(4)
偏振探测器(3)采用分焦平面型偏振成像手段，在CCD传感器前，设置经过微纳加工的微型偏振片组合，从而CCD每个像素上可获取不同的偏振方向的光强，经过合理的偏振微元排列和数学计算，可以获得目标的斯托克斯参量信息，通过获得各个方向上偏振强度，从而得到目标的偏振信息；
PGP分光***(4)包含准直镜组(5)、PGP6与聚焦镜组(7)；
望远单元中双镜***选用主镜(8)为抛物面，次镜(9)为双曲面的卡式***，
PGP6采用普通棱镜和体全息布拉格衍射光栅胶合，平行光经过棱镜色散，不同波长以不相等的角度入射到体光栅上，通过光栅后的光束再一次经过棱镜色散，使得中心波长λC不会发生偏折，沿光轴方向平行出射，整个***采用透射装置，从狭缝(2)开始各光学元件保证共轴，对称性，***的准直镜和成像镜采用对称装置，放大率为-1，棱镜和光栅在单独作为分光元件时存在谱段弯曲，而且两者的弯曲方向刚好相反，棱镜弯向短波方向，光栅弯向长波方向，PGP***中将二者结合可以有效地消除谱线弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，其特征在于，
所述望远镜(1)与狭缝(2)的设计，***焦距为1.1m，海面像元分辨率为5.0m/pixel时，视场角为0.367°，刈幅为5120m，狭缝的有效长度为7.3mm，留余量后取10.0mm，望远镜实现能量的收集，口径选择250mm。
3.根据权利要求1所述的一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，其特征在于，反射主镜(8)选用SiC材料，而对于透镜、分色镜和棱镜主要用可见波段光学玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测***，其特征在于，所述主镜(8)口径250mm，次镜(9)口径40mm，工作波长450nm-900nm。
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