1.本发明属于光电成像技术领域，特别是涉及到一种快速面阵偏振光谱图像获取系统及方法。
背景技术：2.导引头是精确制导武器上的核心部件，精确制导武器通过安装在导引头上的测距装置、陀螺或电子稳定装置测量武器偏离理想运动轨道的失调参数，利用失调参数形成控制指令，将指令传递给弹上执行机构以控制和稳定弹体飞行，最终实现精确打击。
3.导引头跟随导弹运动速度快，空间有限，时间分辨率需求较高，为获取目标位置信息，亟需一种快速面阵偏振光谱图像获取方法。现有光谱偏振成像机制在时间分辨率上主要包括分时和同时两大类。分时系统主要采用旋转偏光元件、声光可调滤波器、液晶等机制，在运动平台上对目标观测效果差。而传统同时获取方法中，虽满足时间分辨率，系统尺寸较大、功耗高，不适用于导引装置。国内外目前尚未有一种适用于导引头的快速面阵偏振光谱图像获取方法提出。
技术实现要素：4.本发明为了解决现有技术存在的问题，提出一种快速面阵偏振光谱图像获取系统及方法，本方法无需运动部件和复杂的解算方法，提升了系统的可靠性和稳定性。本发明将基于光场分割编码的快速面阵偏振光谱图像获取方法用于光学导引头快速获取目标位置信息实现定位追踪。
5.一种快速面阵偏振光谱图像获取方法，其特征是，该方法包括以下几个步骤：
6.步骤一：搭建系统，将缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器同轴设置，分焦平面偏振探测器与图像处理模块电学连接。
7.步骤二：由卡塞格林系统组成的缩束单元对光进行压缩，卡塞格林主镜将大口径入射光压缩一定倍率，卡塞格林次镜对压缩后的小口径光进行准直，得到小口径平行光。
8.步骤三：4
×
4微透镜阵列接收小口径平行光束，对小口径平行光束进行光场分割，分割后形成16束口径一致的光并进行汇聚。
9.步骤四：4
×
4的光谱阵列中心与4
×
4微透镜阵列光轴重合，经过分光后的每束光通过对应的滤光片，16个滤光片的滤光范围互不相同，从而的到16个光谱通道。
10.步骤五：每个光谱通道的光束分别聚焦到分焦平面探测器的不同区域上，利用探测器获取不同光谱通道下对应的0
°
、45
°
、90
°
、135
°
线偏振图像和角偏振图像。
11.步骤六：利用图像处理模块进行偏振图像的解算，获取探测目标物的偏振度图与偏振角图。
12.一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其由缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器与图像处理模块组成；缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器依次同轴设置，分焦平面
偏振探测器与图像处理模块电学连接；
13.目标光束入射到缩束单元将光束压缩再通过准直补偿镜出射小口径平行光束，微透镜阵列接收小口径平行光束并对其进行光场分光，分成16份小口径光束；再经过校正镜组对光路进行校正并减小像差，滤光片将16份小口径光束进行光谱滤光生成16个光谱通道，每片滤光片中心与微透镜阵列镜组光轴重合，保证结构同轴，最后聚焦到分焦平面偏振探测器上对应的16个区域上，利用分焦平面偏振探测器同时获取0
°
、45
°
、90
°
、135
°
四个偏振方向的信息，从而利用图像处理模块实时解算出16幅不同谱段的偏振图像。
14.本发明的有益效果：
15.本发明通过微透镜阵列将光场分割成16份，每份对应一个谱段，再利用分焦平面偏振探测器对目标图像进行快速采集，从而一次拍照同时获取16个谱段下的偏振图像，并使用面阵成像的方式，可直接快速的获取探测目标的二维图像信息。
16.本发明无需运动部件和复杂的解算方法，提升了系统的可靠性和稳定性。系统结构紧凑，使用了单个探测器获取多维度的方法并提高了数据处理的速度，与传统系统相比无需多维信息解混叠。
17.本发明的成像实时性强能确保跟踪目标不丢失，具有更好的跟踪稳定性。其次系统分辨率损失很少提高了对目标细节的识别度。系统完成对目标物体所反射光束与目标自身发射光束的收集，实现实时获取偏振光谱图像，并最终获取的偏振光谱图像进行处理。因此，该快速面阵偏振光谱图像获取机制更适合于对体积、重量、功耗要求苛刻的高速运动弹载平台。
附图说明
18.以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
19.图1为本发明一种快速面阵偏振光谱图像获取系统组成示意图。
20.图2为本发明所述微透镜阵列图。
21.图3为本发明所述校正镜组结构图。
22.图4为本发明所述滤光片阵列光谱通道编码示意图。
23.图5为本发明所述实际探测器像元使用区域。
24.图6为本发明一种快速面阵偏振光谱图像获取方法流程框图。
25.图1中：1、缩束单元，2、准直补偿镜，3、微透镜阵列，4、校正镜组，5、滤光片，6、隔离板，7、分焦平面偏振探测器，8、图像处理模块。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明进行进一步说明。
27.如图1所示，一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，由缩束单元1、准直补偿镜2、微透镜阵列3、校正镜组4、滤光片5、隔离板6、分焦平面偏振探测器7与图像处理模块8组成；缩束单元1、准直补偿镜2、微透镜阵列3、校正镜组4、滤光片5、隔离板6、分焦平面偏振探测器7 依次同轴设置，分焦平面偏振探测器7与图像处理模块8电学连接；
28.缩束单元1由卡塞格林系统组成，卡塞格林主镜与次镜的面型都为双曲面。主镜将大口径光束压缩为小口径光束，压缩倍率为6.8倍，次镜将小口径光束进行准直得到小口径
平行光束。
29.准直补偿镜2是一块双胶合透镜，双胶合透镜的所有面型都为球面。准直补偿镜用于补偿小口径平行光束的像差，减小整流罩对后续系统成像质量的影响。
30.如图2所示，微透镜阵列3排布为4
×
4，每两个相邻微透镜等间距。各个微透镜参数与面型一致，皆为平凸透镜。微透镜阵列将入射的小口径平行光束进行光场分光得到16束口径一致的光束，光束口径为1.38mm，光场分光形成16束光并分别进行成像实现了多幅图像同时采集。
31.如图3所示，校正镜组的校正镜一4-1为凸凹透镜，面型为球面。校正镜二4-2为凸凹透镜，面型为球面。校正镜三4-3为双凸透镜，面型为球面。校正镜一4-1、校正镜二4-2与校正镜三 4-3的作用：首先校正光路，使得每个微透镜都能对应成像；其次用于校正像差，微透镜阵列的每个通道所对应的像差并不一致，因此需要使用校正透镜来校正像差，使每个通道的像差控制在可接受的范围内；还用与对光焦度进行补偿，校正镜一4-1、校正镜二4-2、校正镜三 4-3的光焦度相互补偿用于保证整个系统的总光焦度。
32.滤光片5为一块4
×
4的滤光片阵列，与前端4
×
4微透镜阵列相对应。滤光片阵列与微透镜阵列的每个通道同轴。滤光片阵列各个通道分别镀16个谱段不同的薄膜，生成16个光谱通道，如图4所示。
33.隔离板6用于对分焦平面偏振探测器7进行物理隔离，如图5所示，每个通道对应的探测器区域之间会有100个像元的间隔，为了避免通道与通道间成像混叠需要设计隔离板6对分焦平面偏振探测器7的各个区域进行隔离，隔离板形状为网状，宽度为100个像元，高度为5mm。
34.分焦平面偏振探测器7，为使16份光束聚焦在探测器上不产生图像混叠，设计时需保证分焦平面偏振探测器6上16个区域相互之间留有100个像素的空间；探测器靶面横向和纵向均被4 等分，每个谱段占400
×
400个像元。实际探测器像元使用区域如下图5所示。
35.目标光束入射到缩束单元1将光束压缩再通过准直补偿镜2出射小口径平行光束，微透镜阵列3接收小口径平行光束并对其进行光场分光，分成16份小口径光束。再经过校正镜组4对光路进行校正并减小像差，滤光片5将16份小口径光束进行光谱滤光生成16个光谱通道，每片滤光片5中心与微透镜阵列镜组4光轴重合，保证结构同轴，最后聚焦到分焦平面偏振探测器6 上对应的16个区域上，利用分焦平面偏振探测器7同时获取0
°
、45
°
、90
°
、135
°
四个偏振方向的信息，从而利用图像处理模块8实时解算出16幅不同谱段的偏振图像。
36.实施例：一种快速面阵偏振光谱图像获取系统的工作波段为450-706nm，可用于光学导引头快速获取目标位置信息实现定位追踪。由于系统用于光学引导头因此再整个系统的前端加入整流罩。整流罩面型为球面，整流罩的两个面曲率半径一致，口径为160mm。用于保证弹头气动布局，在确保系统光学性能的前提下，大幅度的改善高速飞行弹头的空气动力学性能，提高光学系统的环境适应性，满足超声速飞行要求。
37.将焦距归一化为1，光学系统结构参数如表1所示：
38.表1光学结构参数
[0039][0040]
技术指标：
[0041]
系统入瞳直径为100mm，通过卡塞格林系统的光波长范围为450-706nm且要求出射光为平行光，系统总焦距为175mm，半视场角为0.057
°
，微透镜阵列为4
×
4单元，共计16个通道，将卡塞格林系统出射光的波段范围为16等份入射至16个通道，每个通道对应16nm波长宽度。
[0042]
微透镜阵列3用于实现对光场的分割，将微透镜阵列置于平行光路中。因此，为保证光束经过微透镜阵列与偏振探测器成像区域对应，要求微透镜阵列尺寸与探测器靶面尺寸相当，而且要求每一个微透镜单元尺寸与探测器每个成像区域尺寸相对应。
[0043]
另外，由于微透镜承担了聚焦功能，因此每个微透镜单元曲率需根据光学设计结果进行模压加工。每个微透镜对应400
×
400个像素，每个像素3.45um，则每个微透镜单元口径约为 2mm。按照4
×
4布局，考虑微透镜单元中间结构间隙，则微透镜阵列尺寸约为10mm
×
10mm，与探测器靶面尺寸相当。
[0044]
滤光片阵列采用4
×
4布局，共计16个通道，光谱覆盖450～706nm可见光波段，每个光谱通道宽度为16nm，需要对每个光谱通道进行编码，从而同时获取16个不同谱段的光谱图像。滤光片阵列尺寸与微透镜阵列尺寸相当，约为10mm
×
10mm。
[0045]
图4中底面为探测器的板面，滤光片编码与谱段和对应像元坐标关系如下表所示。
[0046]
表2光谱通道编码
[0047]
序号谱段对应探测器像元坐标1450nm～466nmx(100～500)，y(100～500)
2466nm～482nmx(600～1000)，y(100～500)3482nm～498nmx(1100～1500)，y(100～500)4498nm～514nmx(1600～2000)，y(100～500)5514nm～530nmx(100～500)，y(600～1000)6530nm～546nmx(600～1000)，y(600～1000)7546nm～562nmx(1100～1500)，y(600～1000)8562nm～578nmx(1600～2000)，y(600～1000)9578nm～594nmx(100～500)，y(600～1000)10594nm～610nmx(600～1000)，y(100～500)11610nm～626nmx(1100～1500)，y(100～500)12626nm～642nmx(1600～2000)，y(100～500)13642nm～658nmx(100～500)，y(100～500)14658nm～674nmx(600～1000)，y(100～500)15674nm～690nmx(1100～1500)，y(100～500)16690nm～706nmx(1600～2000)，y(100～500)
[0048]
如图6所示，一种快速面阵偏振光谱图像获取方法，该方法包括以下几个步骤：
[0049]
步骤一：搭建系统，将缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器同轴设置，分焦平面偏振探测器与图像处理模块电学连接。
[0050]
步骤二：由卡塞格林系统组成的缩束镜组利用大口径主镜收集目标信息，再利用对光进行压缩，卡塞格林主镜将大口径入射光压缩一定倍率，卡塞格林次镜对压缩后的小口径光进行准直，得到小口径平行光。
[0051]
步骤三：4
×
4微透镜阵列接收小口径平行光束，对小口径平行光束进行光场分割，分割后形成16束口径一致的光并进行汇聚。
[0052]
步骤四：4
×
4的光谱阵列中心与4
×
4微透镜阵列光轴重合，经过分光后的每束光通过对应的滤光片，16个滤光片的滤光范围互不相同，从而的到16个光谱通道。
[0053]
步骤五：每个光谱通道的光束分别聚焦到分焦平面探测器的不同区域上，利用探测器获取不同光谱通道下对应的0
°
、45
°
、90
°
、135
°
线偏振图像与角偏振图像。
[0054]
步骤六：利用图像处理模块进行偏振图像的解算，获取探测目标物的偏振度图与偏振角图。利用图像处理单元从16个光谱通道的偏振度图和16个光谱通道的偏振角图以及每个光谱通道对应的四个线偏振方向的偏振图共计96副图像中自动快速寻找目标对比度最明显的图像，并通过快速融合重构增强算法对目标进行精准识别和提取，从而提升复杂战场环境下目标检出率。
技术特征：1.一种快速面阵偏振光谱图像获取方法，其特征是，该方法包括以下几个步骤：步骤一：搭建系统，将缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器同轴设置，分焦平面偏振探测器与图像处理模块电学连接；步骤二：由卡塞格林系统组成的缩束单元对光进行压缩，卡塞格林主镜将大口径入射光压缩一定倍率，卡塞格林次镜对压缩后的小口径光进行准直，得到小口径平行光；步骤三：4
×
4微透镜阵列接收小口径平行光束，对小口径平行光束进行光场分割，分割后形成16束口径一致的光并进行汇聚；步骤四：4
×
4的光谱阵列中心与4
×
4微透镜阵列光轴重合，经过分光后的每束光通过对应的滤光片，16个滤光片的滤光范围互不相同，从而的到16个光谱通道；步骤五：每个光谱通道的光束分别聚焦到分焦平面探测器的不同区域上，利用探测器获取不同光谱通道下对应的0
°
、45
°
、90
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、135
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线偏振图像和角偏振图像；步骤六：利用图像处理模块进行偏振图像的解算，获取探测目标物的偏振度图与偏振角图。2.一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征是，该系统由缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器与图像处理模块组成；缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器依次同轴设置，分焦平面偏振探测器与图像处理模块电学连接；目标光束入射到缩束单元将光束压缩再通过准直补偿镜出射小口径平行光束，微透镜阵列接收小口径平行光束并对其进行光场分光，分成16份小口径光束；再经过校正镜组对光路进行校正并减小像差，滤光片将16份小口径光束进行光谱滤光生成16个光谱通道，每片滤光片中心与微透镜阵列镜组光轴重合，保证结构同轴，最后聚焦到分焦平面偏振探测器上对应的16个区域上，利用分焦平面偏振探测器同时获取0
°
、45
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、90
°
、135
°
四个偏振方向的信息，从而利用图像处理模块实时解算出16幅不同谱段的偏振图像。3.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，所述缩束单元由卡塞格林系统组成，卡塞格林主镜与次镜的面型都为双曲面；主镜将大口径光束压缩为小口径光束，次镜将小口径光束进行准直得到小口径平行光束。4.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，准直补偿镜是一块双胶合透镜，双胶合透镜的所有面型都为球面；准直补偿镜用于补偿小口径平行光束的像差，减小整流罩对后续系统成像质量的影响。5.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，所述微透镜阵列排布为4
×
4，每两个相邻微透镜等间距；各个微透镜参数与面型一致，皆为平凸透镜；微透镜阵列将入射的小口径平行光束进行光场分光得到16束口径一致的光束，光场分光形成16束光分别进行成像实现了多幅图像同时采集。6.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，所述校正镜组的校正镜一为凸凹透镜，面型为球面；校正镜二为凸凹透镜，面型为球面；校正镜三为双凸透镜，面型为球面。7.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，所述滤光片为一块4
×
4的滤光片阵列，与前端4
×
4微透镜阵列相对应；滤光片阵列与微透镜阵列的每个通道同轴；滤光片阵列各个通道分别镀16个谱段不同的薄膜，生成16个光谱通道。
8.根据权利要求2所述的一种快速面阵偏振光谱图像获取系统，其特征在于，所述分焦平面偏振探测器上16个区域相互之间留有100个像素的空间；探测器靶面横向和纵向均被4等分，每个谱段占400
×
400个像元。
技术总结一种快速面阵偏振光谱图像获取系统及方法，属于光电成像技术领域，为了解决现有技术存在的问题，该系统由缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器与图像处理模块组成；缩束单元、准直补偿镜、微透镜阵列、校正镜组、滤光片、隔离板、分焦平面偏振探测器依次同轴设置，分焦平面偏振探测器与图像处理模块电学连接；本发明通过微透镜阵列将光场分割成16份，每份对应一个谱段，再利用分焦平面偏振探测器对目标图像进行快速采集，从而一次拍照同时获取16个谱段下的偏振图像，并使用面阵成像的方式，可直接快速的获取探测目标的二维图像信息。更适合于对体积、重量、功耗要求苛刻的高速运动弹载平台。台。台。
技术研发人员：史浩东 卢琦 王稼禹 李英超 付强 孙洪宇 杨帅 刘嘉楠 吴雨芳
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
