CN110763339B - 一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高光谱成像偏振探测技术领域，具体涉及一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，目的在于对被测目标进行高光谱偏振成像，使其既拥有高的光谱分辨率，也具有偏振探测能力。该高光谱成像偏振探测装置由第一液晶相位可变延迟器和第二液晶相位可变延迟器组成偏振控制单元，第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器组成高光谱控制单元；入射光被偏振棱镜调制为线偏振光后，经过两个液晶相位可变延迟器进行相位延迟，再被两个声光可调谐滤波器进行二次滤波，最后窄带衍射光被成像探测器接收。

Description

一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置

技术领域

本发明属于高光谱成像偏振探测技术领域，具体涉及一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置。

背景技术

成像偏振光谱技术是获取信息的一种非常重要的手段，该技术不仅能够很好地分辨目标上的低反射区域和轮廓，而且还能够在复杂的背景环境下识别出出被测目标的三维信息，这在工、农业中具有非常高的应用价值。

偏振探测在传统探测的光强、光谱和空间三维数据基础之上进一步拓展，增加了偏振度、偏振方位角、偏振椭圆率和旋转方向四个维度。由自身性质决定物体的偏振光谱特性，相对于人造物体，大自然目标的表面整体较为粗糙，没有明显的轮廓规则，所以自然目标的辐射光或者反射光呈现漫反射现象，以至于线偏振度很小几乎为零，如森林、沙漠等物体。成像偏振探测技术利用人造目标和自然目标这种物理差异性可以将人造目标从自然目标中区别出来。在遥感过程中获取被测目标的偏振特性随着波长的变化规律，就可以得到目标的表面理化特性，通常将这种依赖关系称之为目标的偏振光谱特征。目标的偏振特性决定了偏振成像探测具有强度成像无法比拟的独特优势：(1)基于人造目标与自然背景偏振差异明显的特性，偏振成像在从复杂背景中凸显人造目标方面具有独特优势；(2)基于偏振独立于强度和光谱的光学信息维度的特性，偏振成像具有在隐藏、伪装、隐身、暗弱目标发现方面提供了一种可能性的解决途径；(3)基于偏振信息具有在散射介质中保持能力比强度散射更强的特点，偏振成像具有可增加雾霾、烟尘中的作用距离的优势。

高光谱成像技术在获得被测场景中目标的窄带宽光谱连续曲线的同时还可以获取到高分辨成像，在实际应用可以提供更直观更丰富的被测目标信息，不仅可以提供被识别目标丰富的空间结构信息以及众多的光谱信息，还可以提供被识别目标的表面二维数据和被测空间中任何区域相对应的像素的第三维光谱数据。单位波长范围内的光谱谱段越多，也就是能分辨的最小波长间隔越小，光谱带宽就越窄，相应的光谱分辨率也就越高，进而得到的光谱曲线也就连续而且更平滑，刻画出来被识别目标的特性越接近真实。

高光谱成像偏振探测系统是将高光谱成像技术和偏振探测技术完美地结合在一起。高光谱偏振成像探测能够提供目标的光强图像无法显示的表面粗糙度、纹理走向、表面电导率、材料理化特性、含水量等特征，对物体轮廓和表面取向识别具有明显的优越性。光谱成像技术不仅具有图像分辨能力，还有光谱分辨能力，利用物体表面成分的光谱差异，对目标进行识别和分类，在目标探测中具有深远的意义。

最常用的偏振成像探测装置是基于机械旋转的偏振片，该类型的偏振成像系统具有较大的视场角,需要通过机械旋转装置来实现其偏振器件对入射光的偏振态进行调制,并且对相机和旋转器件的同步性要求较高,但只能对线偏振光进行探测,而且对入射光偏振态的调制精度和帧频速度都较低,系统的可靠性不高,体积也较大。随后，国内外的一些研究者基于液晶可调滤光器(LCTF)进行了相关的成像光谱偏振探测实验研究，通过旋转LCTF对入射光的偏振态进行检测，但是其响应时间较长，而且没有相位延迟装置，也就无法对目标的圆偏振分量进行探测，所以其应用受到了非常大的限制。根据以上分析，对于滤光片型偏振探测设备需要旋转滤光片,而且能够提供的光谱通道数十分有限；而偏振片型探测设备需要机械式旋转偏振片,且只能得到斯托克斯参量的前三个分量；基于LCTF的新型偏振探测设备可以同时获得较高分辨率的偏振光谱,但是对仪器之间的同步性要求较高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点，提出了另一种偏振成像探测装置，即：一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，该装置可以对被测目标进行高光谱偏振成像，能够快速地实施光谱成像探测，并能同时获取场景的全偏振信息，既拥有高的光谱分辨率，也具有偏振探测能力，更重要的是利用能量反馈技术，可以使最终输出的窄带衍射光强度最高。

为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：

一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特殊之处在于：包括设在入射光路上的偏振棱镜，入射光经过偏振棱镜调制成线偏振光，线偏振光依次经过第一液晶相位可变延迟器、第二液晶相位可变延迟器后进入第一2×1光纤耦合器，从第一2×1光纤耦合器出射的光进入第一声光可调谐滤波器，所述第一声光可调谐滤波器上连接有第一射频驱动器，第一射频驱动器与计算机相连，由计算机控制第一射频驱动器产生高频超声波与入射光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器中，从第一声光可调谐滤波器出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器；

所述第二声光可调谐滤波器上连接有第二射频驱动器，第二射频驱动器与计算机相连，由计算机控制第二射频驱动器产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机连接的第三液晶相位可变延迟器调制后，进入第二2×1光纤耦合器中，从第二声光可调谐滤波器出射的衍射光经过高速图像采集卡后被探测器接收，探测器将获得的光谱成像传输至与探测器相连的计算机；两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器中再次发生声光相互作用；

所述第一液晶相位可变延迟器连接有第一液晶相位可变延迟器电压驱动，第二液晶相位可变延迟器连接有第二液晶相位可变延迟器电压驱动，第三液晶相位可变延迟器连接有第三液晶相位可变延迟器电压驱动，所述第一液晶相位可变延迟器电压驱动、第二液晶相位可变延迟器电压驱动和第三液晶相位可变延迟器电压驱动均与计算机相连。

进一步地，从第二声光可调谐滤波器出射的0级透射光经第三液晶相位可变延迟器调制后0级透射光的偏振方向旋转90°。

进一步地，还包括用于产生入射光的光源，所述光源为相干光源或非相干光源。

进一步地，所述光源为人造光源，或者远场目标的反射光、透射光或辐射光。

进一步地，所述光源上连接有光源强度控制器，所述人造光源强度控制器与计算机相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明在由第一液晶相位可变延迟器和第二液晶相位可变延迟器组成偏振控制单元，第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器组成高光谱控制单元；入射光被偏振棱镜调制为线偏振光后，通过对第一液晶相位可变延迟器和第二液晶相位可变延迟器施加电压去控制入射光相位的延迟量，同时测得四个斯托克斯参数，再被两个声光可调谐滤波器进行二次滤波，最后窄带衍射光被成像探测器接收。可以对被测目标进行高光谱偏振成像，利用能量反馈技术，可以使最终输出的窄带衍射光强度最高，既拥有高的光谱分辨率，也具有偏振探测能力。

2.本发明的偏振探测装置不局限于近场目标测试，也可以应用于远场目标测量。在近场实际样品的鉴别中，将被测样品置于前置准直系统与偏振棱镜之间，采用光源强度控制器调节入射光至合适强度对样品进行照射；在远场目标测试时，移除光源和强度调制器，来自远场目标的反射、辐射或者透射光被准直后进入系统发生声光互作用。

3.声光可调谐滤波器的光谱电调谐速度比偏振片和LCTF都快，且结构小巧紧凑，与液晶相位可变延迟器组合，可以探测出目标的斯托克斯矢量中的圆偏振分量，也就能够得到场景的全偏振信息。

4.从第二声光可调谐滤波器出来的0级透射光是准单色光，经过液晶相位可变延迟器调制后，可以使其偏振方向旋转π/2，分别经过第二、第一2×1光纤耦合器后恰好可以在第一声光可调谐滤波器中发生声光互作用。

5.本发明偏振探测过程中的所有光学元件都无需手动调节，整个工作过程在计算机控制下完成，操作方便，省时省力。

附图说明

图1是本发明基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置的结构示意图。

图中：1—光源；2—偏振棱镜；3—光源强度控制器；4—第一液晶相位可变延迟器；5—第二液晶相位可变延迟器；6—第一液晶相位可变延迟器电压驱动；7—第二液晶相位可变延迟器电压驱动；8—第一2×1光纤耦合器；9—第一声光可调谐滤波器；10—第二声光可调谐滤波器；11—第一射频驱动器；12—第二射频驱动器；13—第三液晶相位可变延迟器；14—第三液晶相位可变延迟器电压驱动；15—第二2×1光纤耦合器；16—探测器；17—高速图像采集卡；18—计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，一种基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，包括光源1和设在光源入射光路上的偏振棱镜2，光源1上连接有光源强度控制器3，所述光源强度控制器3与计算机18相连。入射光经过偏振棱镜2调制成线偏振光，线偏振光依次经过第一液晶相位可变延迟器4、第二液晶相位可变延迟器5后进入第一2×1光纤耦合器8，从第一2×1光纤耦合器8出射的光进入第一声光可调谐滤波器9，所述第一声光可调谐滤波器9上连接有第一射频驱动器11，第一射频驱动器11与计算机18相连，由计算机18控制第一射频驱动器11产生高频超声波与入射光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器9出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器15中，从第一声光可调谐滤波器9出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器10；

所述第二声光可调谐滤波器10上连接有第二射频驱动器12，第二射频驱动器12与计算机18相连，由计算机12控制第二射频驱动器10产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器9出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器10出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机18连接的第三液晶相位可变延迟器13，经第三液晶相位可变延迟器13调制后0级透射光的偏振方向转过90°后进入第二2×1光纤耦合器15中，从第二声光可调谐滤波器10出射的衍射光经过高速图像采集卡17后被探测器16接收，探测器16将获得的光谱成像传输至与探测器16相连的计算机18；第二声光可调谐滤波器10出射的0级透射光调制后的振动方向与第一可调谐滤波器9出射的0级透射光振动方向相同，两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器15合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器8中再次发生声光相互作用；

所述第一液晶相位可变延迟器4连接有第一液晶相位可变延迟器电压驱动6，第二液晶相位可变延迟器5连接有第二液晶相位可变延迟器电压驱动7，第三液晶相位可变延迟器13连接有第三液晶相位可变延迟器电压驱动14，所述第一液晶相位可变延迟器电压驱动6、第二液晶相位可变延迟器电压驱动7和第三液晶相位可变延迟器电压驱动14均与计算机18相连。通过调制电压，在特定波长下使第一液晶相位可变延迟器4、第二液晶相位可变延迟器5和第三液晶相位可变延迟器13分别呈现不同的相位延迟。

入射光被偏振棱镜调制为线偏振光后，经过两个液晶相位可变延迟器进行相位延迟，再被两个声光可调谐滤波器进行二次滤波，最后窄带衍射光被成像探测器接收。首先通过预先设置好的程序控制偏振装置对被测目标的反射、散射或者透射光所携带的偏振信息进行相位调制，通过计算机对第一液晶相位可变延迟器和第二液晶相位可变延迟器施加电压去控制入射光相位的延迟量，例如0、π和π/2等，可以是任意量，进而得到全斯托克斯参量、偏振度、偏振角信息；然后通过调谐射频信号的频率和功率选择想要得到的衍射波长以及强度值，最后利用探测器采集衍射信号，并将系统的输出光谱图像存储到计算机中。

可以对被测目标进行高光谱偏振成像，利用两个声光可调谐滤波器出射的0级透射光进行反馈补偿，可以使最终输出的窄带衍射光强度最高，既拥有高的光谱分辨率，也具有偏振探测能力。

在近场实际样品的鉴别中，将被测样品置于前置准直系统与偏振棱镜之间，采用光源强度控制器调节入射光至合适强度对样品进行照射；本发明的高光谱成像装置不局限于近场目标测试，也可以应用于远场目标测量。在远场目标测试时，移除光源和强度调制器，来自远场目标的反射、辐射或者透射光被准直后进入系统发生声光互作用。

应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特征在于：包括设在入射光路上的偏振棱镜(2)，入射光经过偏振棱镜(2)调制成线偏振光，线偏振光依次经过第一液晶相位可变延迟器(4)、第二液晶相位可变延迟器(5)后进入第一2×1光纤耦合器(8)，从第一2×1光纤耦合器(8)出射的光进入第一声光可调谐滤波器(9)，所述第一声光可调谐滤波器(9)上连接有第一射频驱动器(11)，第一射频驱动器(11)与计算机(18)相连，由计算机(18)控制第一射频驱动器(11)产生高频超声波与入射光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器(9)出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器(15)中，从第一声光可调谐滤波器(9)出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器(10)；

所述第二声光可调谐滤波器(10)上连接有第二射频驱动器(12)，第二射频驱动器(12)与计算机(18)相连，由计算机(18)控制第二射频驱动器(12)产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器(9)出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器(10)出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机(18)连接的第三液晶相位可变延迟器(13)调制后，进入第二2×1光纤耦合器(15)中，从第二声光可调谐滤波器(10)出射的衍射光经过高速图像采集卡(17)后被探测器(16)接收，探测器(16)将获得的光谱成像传输至与探测器(16)相连的计算机(18)；两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器(15)合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器(8)中再次发生声光相互作用；

所述第一液晶相位可变延迟器(4)连接有第一液晶相位可变延迟器电压驱动(6)，第二液晶相位可变延迟器(5)连接有第二液晶相位可变延迟器电压驱动(7)，第三液晶相位可变延迟器(13)连接有第三液晶相位可变延迟器电压驱动(14)，所述第一液晶相位可变延迟器电压驱动(6)、第二液晶相位可变延迟器电压驱动(7)和第三液晶相位可变延迟器电压驱动(14)均与计算机(18)相连。

2.根据权利要求1所述的双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特征在于：从第二声光可调谐滤波器(10)出射的0级透射光经第三液晶相位可变延迟器(13)调制后0级透射光的偏振方向旋转90°。

3.根据权利要求1或2所述的双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特征在于：还包括用于产生入射光的光源(1)，所述光源(1)为相干光源或非相干光源。

4.根据权利要求3所述的双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特征在于：所述光源(1)为人造光源，或者远场目标的反射光、透射光或辐射光。

5.根据权利要求4所述的双滤波能量反馈型高光谱成像偏振探测装置，其特征在于：所述人造光源上连接有光源强度控制器(3)，所述光源强度控制器(3)与计算机相连。

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