[发明专利]一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置

权利要求书

1.一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：由成像镜头(1)、中空高速电机(2)、高精度同轴编码器(3)、偏振片(4)、光强探测器(5)、同步控制模块(6)、数据采集及信号处理模块(7)组成，其中：

成像镜头(1)搜集入射光形成成像光束，经过偏振片(4)偏振调制后进入光强探测器(5)的光敏面上，并由数据采集及信号处理模块(7)对光强探测器(5)探测到的强度时间积分进行采集、处理，获取入射光的偏振参数；其中，中空高速电机(2)由内转子和外定子组成，偏振片(4)和高精度同轴编码器(3)与中空高速电机(2)内转子固定连接，并跟随中空高速电机(2)连续转动；偏振片(4)在高速连续转动过程中，对成像光束进行连续偏振调制，形成瞬时偏振态变化的成像光束；高精度同轴编码器(3)测量偏振片(4)瞬时旋转角度，并实时反馈给同步控制模块(6)；同步控制模块(6)根据测量偏振片(4)瞬旋转角度形成高速触发脉冲信号，对光强探测器(5)进行同步曝光触发，对偏振片(4)连续偏振调制形成的瞬时偏振态成像光束在曝光时间进行强度积分，由数据采集及信号处理模块(7)采集并强度-时间积分数据；此外，同步控制模块(6)可对中空高速电机(2)转速进行控制，并控制数据采集及信号处理模块(7)同步采集强度-积分时间数据；最终，利用数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度偏振成像探测。

2.根据权利要求1所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的高精度同轴编码器(3)与偏振片(4)相对固定，主要用于实时测量偏振片(4)的瞬时角度，为测量中空高速电机(2)转速、同步控制模块(6)生成触发信号及参数控制提供高精度角度信息，其可以采用单圈/多圈磁编码器，也可以光栅编码器。

3.根据权利要求1所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的中空高速电机(2)旋转中心为空心轴，可用于安装偏振片(4)和高精度同轴编码器(3)，并允许入射光透射并到达光强探测器(5)的光敏面上，其可以采用直流无刷电机，也可以采用交流电机。

4.根据权利要求3所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的直流无刷电机，旋转中心为空心轴，其可以采用外转子直流无刷电机，也可以采用内转子直流无刷电机。

5.根据权利要求1所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的光强探测器(5)对曝光时间内由于偏振片连续旋转形成瞬时偏振调制成像光束强度进行时间积分，最终采用数据反演方法准确复原出入射光的偏振特性。

6.根据权利要求3所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的光强探测器(5)，能够对入射光束强度进行快速时间积分探测，其可以采用CCD相机、CMOS相机、光电二极管阵列。

7.根据权利要求3所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的数据反演方法，基于连续旋转偏振片(4)对入射光强度瞬态调制的基本原理，充分考虑偏振片(4)瞬时角度、中空高速电机(2)转速、光强探测器(5)曝光时间对光强探测器(5)探测强度的影响，建立强度积分数值与入射光偏振态之间的严格数学关系，最终实现对入射光偏振态的准确反演。

8.根据权利要求1所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：所述的偏振片(4)主要作用在于对入射光进行线偏振调制，其可以根据应用场景不同采用薄膜偏振片、线栅偏振片、偏振分束器多种类型，只要满足线偏振调制功能即可。

9.一种强度-时间积分型快速偏振成像方法，利用权利要求1所述的一种强度-时间积分型快速偏振成像装置，其特征在于：该方法包括：静态情况下，光强探测器(5)探测到的强度与偏振片(4)角度及入射光偏振态之间关系如公式(1)所示：

其中，[I_in,Q_in,U_in]为入射光的线性Stokes矢量，θ为偏振片(4)角度，I_out为入射光经偏振片(4)调制后光强探测器(5)探测到的强度值；

当偏振片连续旋转时，光强探测器(5)探测到的瞬时强度除了与入射光偏振态有关外，还与偏振片(4)瞬时角度有关，可以写为：

其中，θ(t)为偏振片(4)在t时刻的瞬时角度，I_out(t)为入射光经偏振片(4)在t时刻调制后光强探测器(5)探测到的瞬时强度值；

在曝光时间内，光强探测器(5)探测到光强可以表示为瞬时光强的时间积分，由此，公式(2)可以进一步表达为：

其中，t₁和t₂分别表示强度积分的起止时刻，θ(t)为t时刻偏振片(4)的瞬时角度，其与中空高速电机(2)的转动角速度ω₀有关，如下式所示：

θ(t)＝ω₀t (4)

进一步推导公式(3)可以得到光强探测器(5)强度积分数学表达式：

设偏振片(4)初始角度为θ₀＝θ(t₀)＝ω₀t₀，光强探测器(5)曝光时间△t＝t₂-t₁，在曝光时间△t内偏振片(4)旋转过的曝光角△θ可以表示为：

Δθ＝ω₀Δt (6)

因此，公式(5)可以进一步表达为：

偏振片(4)高速旋转过程中，光强探测器(5)曝光N次可以获得N个强度积分值，并构建N个线性方程，可写成矩阵形式如下：

其中，[θ_0,1,θ_0,2,…,θ_0,N]为光强探测器(5)对应N次曝光起始时刻偏振片(4)的瞬时角度，其可由高精度同轴编码器(3)实时测量；[I¹_out,I²_out,…,I^N_out]为光强探测器(5)对应N次曝光在曝光时间内的强度积分值；

至此，公式(8)中对应系数矩阵均可实时测量，强度积分值可由光强探测器(5)同步控制模块(6)控制下根据偏振片(4)瞬时角度值同步触发并测量，并最终由数据采集及信号处理模块(7)采集，进而可以精确解算出入射光的偏振态，如下式所示：

其中，[]⁺表达对应矩阵的广义逆矩阵；中空高速电机(2)的转动角速度ω₀可由高精度同轴编码器(3)对偏振片(4)瞬时角度测量值对时间微分计算；曝光角△θ可利用中空高速电机(2)的转动角速度ω₀和光强探测器(5)曝光时间△t并根据公式(6)计算；

N的取值至少为3；当测量次数为3次时，偏振片(4)连续旋转一圈，光强探测器(5)触发时刻对应偏振片(4)瞬时角度为[0°，60°，120°，180°，240°，300°]，如此循环，并采用数据复用方式偏振成像速率可以达到6帧/圈；当测量次数为4次时，偏振片(4)连续旋转一圈，光强探测器(5)触发时刻对应偏振片(4)瞬时角度为[0°，45°，90°，135°，180°，220°，270°，315°]，如此循环，并采用数据复用方式偏振成像速率可以达到8帧/圈，为了获取更好的数据信噪比，测量次数N也可以更大，进行数据冗余探测，均可以采用公式(9)进行入射光偏振态反演。