三通道单渥拉斯顿棱镜偏振成像装置及偏振信息探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电成像探测领域，特别涉及一种偏振成像装置及其偏振信息探测方 法，用于目标探测，物质识别和环境监测。
【背景技术】
[0002] 偏振是不同于强度、相位、光谱的另一维光波属性，它提供了目标表面特性的重要 信息。偏振成像探测能在杂乱背景下提高目标的识别率，或用于提高图像的对比度和清晰 度。目标光辐射的偏振特性常用便于测量的Stokes参量表征。探测Stokes参量的中的线 偏振分量的惯常做法是拍摄四个不同偏振方位角图像，如V、145。、19〇。和I135。。实现这一 方法的成像探测结构有多种。
[0003] 目前典型的成像偏振探测装置有三大类：时序型、分振幅型和分孔径型。时序型装 置通过更改测量期间仪器的配置，依次获取四个不同偏振方位角图像。但这种结构只能探 测静止场景，并且要求测量中大气扰动不明显。分振幅型和分孔径型都属于同时探测结构， 即具备实时性。分振幅顾名思义是分割振幅，也就是分割能量，主要依靠分光棱镜来实现。 这种结构的主要的缺点是系统庞大，结构复杂、成本高昂。分孔径结构在于分割出瞳，在四 幅方位角图像探测模块中多用偏振片阵列。这种结构极大的减小了装备体积，但下降了成 像的空间分辨率。
[0004] 中国专利公开号CN103604945A，公开日2014年2月26日，名称为一种三通道CMOS偏振成像系统，公开了一种同时三通道偏振成像装置，但其将三套偏振探测装置联合，获取 同一目标的偏振信息。这种方式体积大、造价昂贵，并且由于各路器件的性能差异导致探测 精度下降。中国专利公开号102707452A，公开日2012年10月3日，名称为双分离渥拉斯顿 高分辨力同时偏振成像系统。该实用新型专利公开了一种将现有分振幅和分孔径系统相结 合的偏振成像装置，它采用双渥拉斯顿棱镜分两路采集四方向角图像，有效提升了分辨率。 但该装置是在现有的四通道物理模型基础上进行装置的改良得到的。若对其进行全链路的 偏振分析，仍存在器件的冗余。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种三通道单渥拉斯顿棱镜偏 振成像装置及其偏振信息探测方法，以有效的减小探测结构的体积，提升成像空间分辨率， 实现实时探测目标的偏振信息。
[0006] 实现本发明的技术思路是：利用Mueller矩阵对偏振成像链路进行建模和分析， 设计出系统的优化结构，即三通道单渥拉斯顿棱镜偏振成像结构。实现一次聚焦成像同时 采集三幅偏振方位角图像V、I22.、I9O=;通过建立的偏振数学模型，解析stokes参量和 偏振度、偏振角图像。
[0007] 根据上述思路本发明的技术方案如下：
[0008] -.本发明的三通道单渥拉斯顿棱镜实时偏振成像探测系统，包括前置光学镜组 I，偏振调制模块2、聚焦成像模块3和数据处理模块4,其特征在于：
[0009] 所述前置光学镜组1，包括滤波片11、可伸缩透镜12、场掩膜板13、准直透镜14,这 些器件共光轴放置，且沿入射光方向依次排列；
[0010] 所述偏振调制模块2,包括消偏振分光棱镜21、线偏振片22和渥拉斯顿棱镜23 ; 该线偏振片22的透光轴方向为22. 5°，其布列在分光棱镜21的光束反射端；该渥拉斯顿 棱镜23的两个光轴方向分别为90°和180°，其布列在分光棱镜21的光束透射端。
[0011] 所述聚焦成像模块3,包括第一聚焦透镜311和第二聚焦透镜312,这两个聚焦透 镜的后焦面分别放置有第一面阵探测器313和第二面阵探测器314。
[0012] 二.本发明的偏振信息探测方法，包括如下步骤：
[0013]1)使用所述的偏振成像装置对目标物进行对焦拍摄，记录偏振方位角图像I。。、 I22.5。和I9tl。，并传输至数据处理模块4 ;
[0014] 2)图像处理模块4对获得的三幅偏振方位角图像进行运算处理，解析目标偏振信 息：
[0015] 2. 1)对偏振方位角图像进行基于学习和稀疏表示的高分辨率重建，使该偏振方位 角图像分辨率提升一倍；
[0016] 2. 2)对分辨率提升的偏振方位角图像进行基于Fourier-Mellin变换的配准预处 理；
[0017] 2. 3)利用配准完成的偏振方位角图像解析Stokes参量，生成能够可视化偏振信 息的偏振度图像和偏振角图像；
[0018] 2. 3a)利用Muller矩阵和Stokes参量理论建立三通道单渥拉斯顿棱镜偏振成像 探测装置的偏振数学模型为：
[0019] S⑴'=C1 ?WP(a) ?T?Si
[0020] S⑵'=C1 ?WP(a+Ji/2) ?T?Si
[0021] S⑶'=C2 ?WA?R?Si
[0022] 其中：S⑴'、S⑵'、S⑶'分别是三路出射光的Stokes参量；T、R分别是消偏振分 束棱镜的反射Mueller矩阵和透射Mueller矩阵；WP(a)是渥拉斯顿棱镜的Mueller矩阵， a是渥拉斯顿棱镜光轴方向角；WA是线偏振器的Mueller矩阵；C1X2分别是第一探测器和 第二探测器的响应度，Si是入射光束的Stokes参量；
[0023] 2. 3b)对所述的偏振数学模型进行矩阵的提取、合并，可近似得到高分辨成像的入 射光束Stokes参量如下：
[0024]
【主权项】
1. 一种=通道单渥拉斯顿棱镜偏振成像装置，包括前置光学镜组（1)，偏振调制模块 (2)、聚焦成像模块（3)和数据处理模块（4)，其特征在于： 所述前置光学镜组（1)，包括滤波片（11)、可伸缩透镜（12)、场掩膜板（13)、准直透镜 (14)，该些器件共光轴放置，且沿入射光方向依次排列； 所述偏振调制模块（2)，包括消偏振分光棱镜（21)、线偏振片（22)和渥拉斯顿棱镜 (23);该线偏振片（22)的透光轴方向为22.5°，其布列在分光棱镜（21)的光束反射端；该 渥拉斯顿棱镜（23)的两个光轴方向分别为90°和180°，其布列在分光棱镜（21)的光束 透射端。 所述聚焦成像模块（3)，包括第一聚焦透镜（311)和第二聚焦透镜（312)，该两个聚焦 透镜的后焦面分别放置有第一面阵探测器（313)和第二面阵探测器（314)。
2. 如权利要求1所述的偏振成像系统，其特征在于： 所述场掩膜板（13)是一个不诱钢的矩形狭缝，表面涂有深色哑光涂料；其放置在可伸 缩透镜（12)的成像焦面上； 所述可伸缩透镜（12)的焦距f随着成像距离调节。
3. 如权利要求1所述的偏振成像系统，其特征在于；第一聚焦透镜（311)放置于线偏 振片（22)光束出射端；第二聚焦透镜（312)放置于渥拉斯顿棱镜（23)光束出射端。
4. 如权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于：所述数据处理模块（4)包括： 图像超分辨率重建子模块（41)，用于将探测器接收的=幅偏振方位角图像的分辨率提 升一倍； 图像配准子模块（42)，用于对分辨率提升的=幅偏振方位角图像进行图像矫正和配 准； 偏振信息可视化子模块（43)，用于对配准完成的=幅偏振方位角图像进行运算，解析 偏振度图像和偏振角图像； 信息融合子模块（44)，用于将偏振度图像、偏振角图像与目标的强度图像进行融合，获 取包含更加丰富的目标信息的图像。
5. 利用权利要求1所述的=通道单渥拉斯顿棱镜偏振成像装置进行偏振信息探测方 法，包括W下步骤： 1) 使用所述的偏振成像装置对目标物进行对焦拍摄，记录偏振方位角图像I。。、122.5。 和Ig。。，并