本發(fā)明涉及一種光路復(fù)用型的快照式偏振光譜三維聯(lián)合成像探測(cè)系統(tǒng)，是將可編程編碼孔徑壓縮光譜實(shí)時(shí)成像技術(shù)和可見(jiàn)光寬譜段偏振三維實(shí)時(shí)成像技術(shù)相結(jié)合的新型五維度聯(lián)合光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展和遙感領(lǐng)域中對(duì)于目標(biāo)多維度信息集成探測(cè)的需求，近些年涌現(xiàn)出多種新型的探測(cè)目標(biāo)多維數(shù)據(jù).的光學(xué)遙感儀器，基于光譜探測(cè)和偏振探測(cè)的光學(xué)成像集成探測(cè)系統(tǒng)是其中的一類典型代表儀器。該類系統(tǒng)能利用x、y二維坐標(biāo)平面信息、光譜信息和偏振信息探測(cè)目標(biāo)的二維平面幾何數(shù)據(jù)，反演目標(biāo)物理、化學(xué)特性參數(shù)，為復(fù)雜目標(biāo)建模提供豐富的多維度立方體數(shù)據(jù)，進(jìn)而為目標(biāo)的分類與識(shí)別提供有效的技術(shù)手段，在提升其性能與實(shí)用性的同時(shí)，該技術(shù)正向更高維度拓展。若將空間z坐標(biāo)維度的深度信息加入到系統(tǒng)調(diào)制進(jìn)程，將帶來(lái)三維空間-光譜-偏振的五維數(shù)據(jù)采集能力，勢(shì)必將多維度光學(xué)成像探測(cè)推向一個(gè)全新的遙感應(yīng)用層面。

2、在光譜成像方面，近些年涌現(xiàn)出的壓縮光譜成像技術(shù)不同于傳統(tǒng)的光譜成像方式，通過(guò)信息編碼調(diào)制手段以較少的測(cè)量結(jié)果就能復(fù)原出有效的空間信息、光譜信息，對(duì)平臺(tái)要求低，穩(wěn)定性高，尤其在數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今新型光譜成像技術(shù)的熱點(diǎn)之一。但目前壓縮光譜技術(shù)仍處于原理驗(yàn)證階段，其系統(tǒng)性能指標(biāo)有待提升，例如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度需進(jìn)一步降低，以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)裝調(diào)的難度；另外，其光譜解算精度與速度也亟待突破，是將該類型系統(tǒng)成功推向應(yīng)用層面的關(guān)鍵所在。

3、當(dāng)前的實(shí)時(shí)偏振成像探測(cè)技術(shù)主要包括分孔徑式、分振幅式、偏振棱鏡式和分焦平面式，其中的分焦面式偏振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化，更有利于多通道多維信息系統(tǒng)的有效集成。然而，基于偏振器件的工作原理，偏振成像必定會(huì)降低系統(tǒng)的光能透過(guò)率，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)多維探測(cè)系統(tǒng)中的光路結(jié)構(gòu)，使得對(duì)于光能透過(guò)率敏感的光譜通道不受偏振器件的影響，而且將寬譜段光強(qiáng)信息作為光譜通道空間分辨率的有效補(bǔ)償，是多維探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的又一難點(diǎn)。

4、隨著機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，三維成像越來(lái)越受到重視。目前，遙感領(lǐng)域的三維成像技術(shù)有雙目立體視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光三維成像、激光雷達(dá)三維成像、全息三維成像和偏振三維成像，其中偏振三維成像技術(shù)作為一種非相干的成像技術(shù)，不受傳播路徑、相干誤差的影響，對(duì)環(huán)境光影響較不敏感，空間分辨率高，而且能夠?qū)崟r(shí)成像，在某些情況下，對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的三維成像比傳統(tǒng)三維成像技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)利用的是物理特性基本已知的相同材質(zhì)目標(biāo)表面反射光的偏振特性與目標(biāo)表面輪廓特征的映射關(guān)系進(jìn)行目標(biāo)深度信息的反演，因此受限于目標(biāo)物理特性參數(shù)和材料的組成成分要求過(guò)于苛刻、以及深度信息反演存在奇異解的問(wèn)題，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

5、綜上所述，基于我國(guó)航空航天遙感、海洋遙感和交通領(lǐng)域?qū)Χ嗑S度實(shí)時(shí)光學(xué)成像技術(shù)的迫切需求，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的可編程編碼孔徑壓縮光譜實(shí)時(shí)成像技術(shù)和可見(jiàn)光寬譜段偏振三維實(shí)時(shí)成像技術(shù)相結(jié)合的新型五維度聯(lián)合光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)十分必要，以解決快照式編碼孔徑光譜成像技術(shù)和實(shí)時(shí)偏振探測(cè)技術(shù)結(jié)合其本身存在的固有的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：提供一種光路復(fù)用型的快照式偏振光譜三維聯(lián)合成像探測(cè)系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)利用光路復(fù)用的雙通道成像結(jié)構(gòu)和分焦平面偏振成像技術(shù)，減小了傳統(tǒng)快照式壓縮成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)裝調(diào)難度，增加了三維成像的能力和光譜圖像的解算精度，具有五維成像探測(cè)能力。

2、該系統(tǒng)包括下列部件：

3、物鏡：位于整個(gè)成像系統(tǒng)的最前端，用于將視場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)景目標(biāo)成像在其焦平面；

4、分束棱鏡a：位于物鏡的后面，將物鏡聚焦后的入射光分為偏振通道和偏振光譜通道；

5、分束棱鏡b：位于分束棱鏡a透射光的后面，在去向光路中，將偏振光譜通道的入射光透射進(jìn)入光路復(fù)用結(jié)構(gòu)，在返回光路中，將返回的光束反射到會(huì)聚鏡b；

6、準(zhǔn)直鏡：位于分束棱鏡b入射方向的透射方向之后，其物方焦平面與物鏡的像方焦平面重合，對(duì)入射光進(jìn)行準(zhǔn)直，使得光線按照一定的視場(chǎng)和口徑平行出射；

7、閃耀光柵：位于準(zhǔn)直鏡的后面，在去向光路中，將入射的各視場(chǎng)的平行光進(jìn)行色散分光，在返回光路中，位于會(huì)聚鏡a的像方焦平面上，用于消除去向光路中色散分光帶來(lái)的像差，并將調(diào)制過(guò)的各分光譜段的光線進(jìn)行合光；

8、會(huì)聚鏡a：位于閃耀光柵后面，閃耀光柵位于其像方焦平面上，且其物方焦平面與dmd位置重合，使色散分光后的光線成像于dmd上；

9、dmd：位于會(huì)聚鏡a像方焦平面上，由反射微鏡陣列組成，通過(guò)編程為其加載相應(yīng)的編碼矩陣可以控制各微鏡的驅(qū)動(dòng)電壓，使各微鏡沿各自的對(duì)角線進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)微鏡上入射光信號(hào)的選通或阻斷，完成對(duì)色散光光譜維度的編碼調(diào)制；

10、會(huì)聚鏡b：位于分束棱鏡b另一入射方向的反射方向，對(duì)分束棱鏡b反射回來(lái)的編碼調(diào)制光譜信息成像到分焦平面偏振相機(jī)b，此時(shí)成像面為三次像面；

11、分焦平面偏振相機(jī)a：位于分束棱鏡a反射光的后面，是一種能夠在單次拍攝中捕捉圖像中不同區(qū)域的偏振信息的相機(jī)。相機(jī)通過(guò)在成像傳感器上集成特殊的微型偏振濾光片陣列，能夠同時(shí)記錄光線的強(qiáng)度、偏振角度和偏振度等信息。光線經(jīng)偏振濾光片后被分成四種偏振態(tài)不同的光線，可以獲取不同的線偏振態(tài)圖像；

12、分焦平面偏振相機(jī)b：位于會(huì)聚鏡b的后面，dmd完成編碼模板調(diào)制后的帶有空間和光譜信息的色散光，在經(jīng)過(guò)閃耀光柵合光和分束棱鏡b反射分光后，成像在三次像面即偏振光譜通道的分焦平面式偏振相機(jī)獲得光譜通道探測(cè)圖像；

13、計(jì)算機(jī)：通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制加載dmd的編碼矩陣，采集偏振通道的偏振圖像數(shù)據(jù)和偏振光譜通道的編碼調(diào)制圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，最終得到復(fù)原后的目標(biāo)偏振光譜圖像和三維數(shù)據(jù)。

14、本發(fā)明的工作原理為：目標(biāo)反射光通過(guò)成像物鏡后，經(jīng)過(guò)分束棱鏡a成為雙通道結(jié)構(gòu)：其中一部分光通過(guò)偏振通道成像在分焦平面式偏振相機(jī)a上，以獲取目標(biāo)的可見(jiàn)光寬譜段偏振圖像；另外一部分光進(jìn)入偏振光譜通道，經(jīng)分束棱鏡b透射后由準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，在閃耀光柵上發(fā)生色散，產(chǎn)生光譜分離，再經(jīng)成像透鏡二次成像在dmd上。dmd為反射微鏡陣列，微鏡在電壓控制下可以沿對(duì)角線進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，可通過(guò)編程控制每個(gè)微鏡實(shí)現(xiàn)單元入射光信號(hào)的選通或阻斷，其響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，且微鏡狀態(tài)可隨時(shí)鎖定，因此通過(guò)在dmd上加載設(shè)計(jì)好的編碼模板，即可滿足對(duì)所需波段光的高速且連續(xù)的控制，完成空間和光譜維度的可編程調(diào)制編碼操作。dmd完成編碼模板調(diào)制后，將帶有空間和光譜壓縮信息的色散光反射，經(jīng)過(guò)前述過(guò)程的逆過(guò)程，即合光、準(zhǔn)直后，第二次通過(guò)分束棱鏡b，經(jīng)其反射后成像在三次像面即偏振光譜通道的分焦平面式偏振相機(jī)b上，獲取壓縮偏振光譜圖像。針對(duì)采集時(shí)dmd加載編碼的模式不同，通過(guò)以哈達(dá)瑪變換、壓縮感知理論、深度學(xué)習(xí)理論為核心的復(fù)原算法進(jìn)行偏振光譜圖像重建，最終偏振光譜成像分系統(tǒng)得到目標(biāo)二維空間、一維光譜、一維偏振的圖像數(shù)據(jù)，可見(jiàn)寬譜段光偏振成像分系統(tǒng)得到目標(biāo)三維空間的z-坐標(biāo)深度數(shù)據(jù)。

15、本發(fā)明與現(xiàn)有偏振光譜系統(tǒng)相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：

16、系統(tǒng)的光路復(fù)用型雙通道光學(xué)結(jié)構(gòu)，減小了傳統(tǒng)快照式壓縮成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)裝調(diào)難度，結(jié)合二維空間信息先驗(yàn)的壓縮光譜圖像重建算法，以在不損失系統(tǒng)探測(cè)性能的前提下提升了混疊光譜解算和重構(gòu)多維數(shù)據(jù)立方體的準(zhǔn)確性,有效提升目標(biāo)探測(cè)能力，同時(shí)偏振通道可以探測(cè)三維偏振信息，因此系統(tǒng)具有五維成像探測(cè)能力。