專利名稱：激光雷達(dá)遙感偏振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種利用偏振信息進(jìn)行精確遙感探測(cè)及成像的激光雷達(dá)遙感偏振成像系統(tǒng)。主要應(yīng)用于軍事系統(tǒng)中人造目標(biāo)在自然背景和復(fù)雜背景中的探測(cè)、識(shí)別及成像；民用系統(tǒng)中植被和農(nóng)作物的種類、成長、健康等綜合信息的遙感探測(cè)等領(lǐng)域。
2.背景技術(shù)傳統(tǒng)激光雷達(dá)通常利用發(fā)/收脈沖的飛行時(shí)間(距離參量)、回波強(qiáng)度參量、目標(biāo)對(duì)激光脈沖的后向散射波形參量以及利用掃描角度獲得的目標(biāo)空間角度參量(三維成像系統(tǒng))等，沒有考慮目標(biāo)的偏振特性，不能很好的對(duì)自然目標(biāo)及人造目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；并且不能很好的描述目標(biāo)的本質(zhì)及內(nèi)在特性，在軍事目標(biāo)探測(cè)及農(nóng)業(yè)、植被探測(cè)等方面有明顯不足。偏振特性作為目標(biāo)的重要特征之一，能夠提供目標(biāo)更多的信息，并且可以得到高對(duì)比度、高質(zhì)量的圖像。激光雷達(dá)遙感偏振成像在植被分類以及隱藏軍事目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別等方面有特殊的能力，是對(duì)激光信息的充分應(yīng)用，是傳統(tǒng)激光雷達(dá)遙感性能的提高和完善，同時(shí)也是激光雷達(dá)遙感的發(fā)展趨勢(shì)。
紐約大學(xué)的Egan在1999年和2002年分別對(duì)C2130型飛機(jī)、B252型飛機(jī)以及軍事偽裝車輛進(jìn)行了偏振特性的研究。在對(duì)地和大氣偏振觀測(cè)中，美國航天局(NASA)的EOS儀器——地球觀測(cè)掃描偏振計(jì)(EOSP)和法國國家空間研究中心(CNES)研制的地球反射比的偏振和方向性儀器(POLDER)具有代表性。他們能測(cè)量I、Q、U三個(gè)Stocks參數(shù)。EOSP共有12個(gè)偏振通道，可提供全球氣溶膠分布和云層的光學(xué)厚度及狀態(tài)等特性；而POLDER有三個(gè)偏振測(cè)量通道，用以測(cè)量全球海洋水色、云和氣溶膠等。
2006年4月28日發(fā)射的CALIPSO衛(wèi)星，由NASA和法國國家太空研究中心聯(lián)合研發(fā)，它裝有雙波長偏振激光雷達(dá)以及紅外和可見光被動(dòng)成像設(shè)備，可以用來測(cè)量垂直分布的氣溶膠、云的狀態(tài)，通過不同波長的后向散射光可以對(duì)氣溶膠的大小進(jìn)行分類，研究全球云層分布情況，及其對(duì)全球大氣的影響。
中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在“863”等項(xiàng)目的支持下完成了“地面多波段偏振CCD相機(jī)原理樣機(jī)”研制。該樣機(jī)采用1024×1024像元的CCD面陣探測(cè)器，在400～900nm之間有4個(gè)測(cè)量通道443nm、555nm、665nm、865nm，光譜帶寬為30～50nm，測(cè)量I、Q、U三個(gè)Stocks參數(shù)。該所的“米散射偏振微脈沖激光雷達(dá)控制方法與裝置”專利，專利號(hào)為CN1641339A，主要用于大氣環(huán)境、氣溶膠等目標(biāo)的偏振特性研究，但是該系統(tǒng)由于沒有偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)，只能發(fā)射特定狀態(tài)的偏振激光，不能獲得目標(biāo)的完整偏振信息，不能應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。
3.發(fā)明內(nèi)容由于傳統(tǒng)的激光雷達(dá)成像方法存在著諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明提出的激光雷達(dá)遙感偏振成像，是利用目標(biāo)后向散射光的偏振信息特別是偏振度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)及成像，得到目標(biāo)的內(nèi)部特征信息以及高對(duì)比度、高質(zhì)量的偏振圖像。
本發(fā)明是傳統(tǒng)激光雷達(dá)的重要改進(jìn)與提高，采用如下技術(shù)方案發(fā)明提出如圖1所示的激光雷達(dá)遙感偏振成像系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由激光器、偏振狀態(tài)產(chǎn)生裝置、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)、偏振狀態(tài)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集處理及成像裝置組成。其核心思想是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，接收目標(biāo)的后向散射光，提取后向散射光中的偏振參量并進(jìn)行成像。
在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個(gè)部分說明如下(1)激光源激光源由半導(dǎo)體激光器輸出連續(xù)的激光，并通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)。
(2)偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)由Glan激光偏振棱鏡，1/8波片組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求合理調(diào)節(jié)Glan激光偏振棱鏡和1/8波片的參數(shù)、角度，使得激光通過偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)后，得到確定偏振態(tài)的偏振光。
(3)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)為了能夠大范圍探測(cè)目標(biāo)，獲得目標(biāo)完整準(zhǔn)確的圖像，我們采用由兩個(gè)平凸準(zhǔn)直透鏡組成的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)不改變光的偏振態(tài)，因此通過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)入射到目標(biāo)上的光的偏振態(tài)仍為由偏振產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的光的偏振態(tài)。并且通過光闌消除雜散光，得到平行度更高的出射光。
(4)卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)光入射到目標(biāo)后，由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收目標(biāo)的后向散射光。通過窄帶濾光片后進(jìn)入后面的偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。
(5)偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)由1/8波片和偏振分光棱鏡組成。本系統(tǒng)通過采用偏振分光棱鏡，直接得到兩個(gè)偏振態(tài)相互垂直的光I∥和I⊥，以進(jìn)一步根據(jù)偏振度計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)偏振度的一次測(cè)量。
(6)數(shù)據(jù)采集處理及成像裝置由一個(gè)雙通道的數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。通過數(shù)據(jù)采集卡分別接收由偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的偏振態(tài)互相垂直的兩束光，根據(jù)偏振度的計(jì)算公式pd=I//-I⊥I//+I⊥,]]>最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到目標(biāo)的偏振度圖像。
本發(fā)明的主要特色對(duì)目標(biāo)后向散射光的偏振信息進(jìn)行探測(cè)，并實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)遙感偏振成像。
本發(fā)明的效益與應(yīng)用前景(1)由于目標(biāo)后向散射光的偏振特性能夠表征目標(biāo)的本質(zhì)特性，并且能夠快速準(zhǔn)確的識(shí)別自然背景和復(fù)雜背景中的人造目標(biāo)以及軍事偽裝目標(biāo)，并得到高質(zhì)量、高對(duì)比度的偏振圖像，服務(wù)于軍事系統(tǒng)中的人造目標(biāo)和偽裝目標(biāo)的精確識(shí)別。(2)鑒于植被、農(nóng)作物的種類、生長、健康狀態(tài)等信息都可以由植物的后向散射光的偏振度表征，因此利用偏振信息對(duì)植被、農(nóng)作物的綜合信息進(jìn)行遙感探測(cè)是傳統(tǒng)激光雷達(dá)遙感的必要和重要補(bǔ)充。(3)目標(biāo)的偏振圖像能夠突出目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息和內(nèi)部特征，在醫(yī)療成像領(lǐng)域?qū)⒂兄匾獞?yīng)用。(4)激光偏振雷達(dá)遙感在大氣、氣溶膠、河流等遙感探測(cè)應(yīng)用中可以提供豐富的遙感信息，以服務(wù)于氣象探測(cè)；大氣、河流等污染監(jiān)測(cè)。
4.


圖1為激光偏振雷達(dá)遙感系統(tǒng)圖5.具體實(shí)施方式
圖1所示為激光偏振雷達(dá)遙感系統(tǒng)圖。目標(biāo)后向散射光的偏振特性能夠表征目標(biāo)的本質(zhì)特征和重要參數(shù)特性；并且能夠有效的對(duì)在自然背景和復(fù)雜背景中的人造目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。圖1所示半導(dǎo)體激光器(1)的波長為808nm，通過平凸準(zhǔn)直透鏡(2)，進(jìn)入偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)(5)，偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)(5)由Glan激光棱鏡(3)和1/8波片(4)組成，其中Glan激光棱鏡(3)的透光軸與x軸的夾角為-72.385°，1/8波片(4)快軸與x軸的夾角為45°。通過偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)(5)后光的Stocks矢量為Smtagget=1-1/3-1/3-1/3.]]>從偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)(5)射出的光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(9)由反射鏡(10)和(11)入射到目標(biāo)上，其中準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)由兩個(gè)平凸準(zhǔn)直透鏡(6，8)和光闌(7)組成。目標(biāo)后向散射光的Stocks矢量為Souttarget=M00-M11/3-M11/3-M33/3,]]>其中M00為目標(biāo)的總散射系數(shù)，M11為目標(biāo)的線性偏振系數(shù)，M33為目標(biāo)的圓偏振系數(shù)。由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡主鏡(12)接收目標(biāo)的后向散射光，并通過卡塞格林望遠(yuǎn)鏡副鏡(13)反射進(jìn)入偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(18)，偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(18)由1/8波片(16)和偏振分光棱鏡(17)組成，其中1/8波片(16)快軸與x軸的夾角為45°，偏振分光棱鏡的主軸與與x軸的夾角為-72.385°，由偏振分光棱鏡出射的偏振態(tài)互相垂直的光的Stocks矢量的第一項(xiàng)也即光強(qiáng)分別為I//=1+13(2M11+M33),I⊥=1-13(2M11+M33).]]>由CCD(19)和CCD(20)分別接收這兩束偏振態(tài)互相垂直的光的光強(qiáng)，通過雙通道數(shù)據(jù)采集卡(21)接收由這兩個(gè)CCD采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)偏振度的計(jì)算公式pd=I//-I⊥I//+I⊥]]>通過計(jì)算機(jī)(22)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)融合，獲得目標(biāo)的偏振度圖像。實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)遙感偏振成像。
權(quán)利要求
1.激光雷達(dá)遙感偏振成像的特征是利用目標(biāo)的后向散射光的偏振信息進(jìn)行探測(cè)并成像。由于目標(biāo)的偏振特性能夠表征目標(biāo)的內(nèi)部特征以及重要參量，特別是能夠?qū)υ谧匀槐尘昂蛷?fù)雜背景中的人造目標(biāo)進(jìn)行有效的識(shí)別。該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)，偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)四部分組成。激光器發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直、偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后照射到目標(biāo)，目標(biāo)的后向散射光由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，通過窄帶濾光片進(jìn)入偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)后，分為偏振狀態(tài)互相垂直的兩束光，分別由兩個(gè)CCD相機(jī)接收，通過雙通道數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)得到由偏振度和強(qiáng)度編碼的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直系統(tǒng)、偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)和折光系統(tǒng)組成，其特征在于由半導(dǎo)體激光器激光器輸出波長為808nm的激光，通過準(zhǔn)直透鏡，得到平行光束，進(jìn)入偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)，產(chǎn)生特定狀態(tài)的偏振光，通過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)和折光系統(tǒng)照射到目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2，所述的偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)由Glan激光偏振棱鏡和1/8波片組成，其特征在于Glan激光偏振棱鏡可以承受較大的光功率，而且具有極好的偏振特性，其消光比可以達(dá)到10-6以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2，準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)主要有兩個(gè)平凸透鏡和光闌組成，其特征在于平凸透鏡對(duì)稱放置適于擴(kuò)束，兩透鏡之間加入光闌可以消除第一個(gè)平凸透鏡聚焦光點(diǎn)不圓對(duì)第二個(gè)平凸透鏡的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求2，折光系統(tǒng)由兩個(gè)平行放置，與光軸成45°傾角的反射鏡組成，其特征在于第二個(gè)反射鏡中心位于卡塞格林接收望遠(yuǎn)鏡副鏡的背面，和望遠(yuǎn)鏡位于同一光軸，有利于望遠(yuǎn)鏡接收目標(biāo)的后向散射光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，接收系統(tǒng)采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，對(duì)目標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收，經(jīng)窄帶濾光片后進(jìn)入偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的主鏡和副鏡均鍍有金屬鋁膜，盡量減小望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)散射光偏振特性的影響；窄帶濾光片中心波長808nm，濾除雜散光的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的偏振狀態(tài)檢測(cè)裝置由1/8波片和偏振分光棱鏡組成，其特征在于由偏振分光棱鏡直接獲得偏振態(tài)互相垂直的兩束光，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)偏振度的一次性的實(shí)時(shí)、快速測(cè)量，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)偏振度成像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，成像和信號(hào)處理系統(tǒng)采用兩個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)雙通道數(shù)據(jù)采集卡組成，采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)處理，其特征在于兩個(gè)CCD相機(jī)同時(shí)測(cè)得權(quán)利要求7所述偏振狀態(tài)相互垂直的兩束光的強(qiáng)度圖像，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，分別得到目標(biāo)的偏振度及強(qiáng)度編碼圖像。
全文摘要
本發(fā)明提出一種新型的激光雷達(dá)遙感偏振成像系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)利用目標(biāo)的后向散射光的偏振信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光雷達(dá)遙感探測(cè)并進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的偏振度成像。該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)、擴(kuò)束系統(tǒng)、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及成像系統(tǒng)。本發(fā)明通過偏振狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)和偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的偏振度探測(cè)，并且在偏振狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中采用偏振分光棱鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)偏振度的一次測(cè)量，實(shí)時(shí)成像。
文檔編號(hào)G01S17/00GK101078765SQ20071011841
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者江月松, 趙一鳴, 張緒國 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)