[发明专利]一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置

说明书

本发明公开了一种强度‑时间积分型快速偏振成像方法及装置，该装置包括成像镜头、中空高速电机、高精度同轴编码器、偏振片、光强探测器、同步控制模块、数据采集及信号处理模块。本发明基于旋转偏振片偏振成像探测原理，将偏振片安装于中空高速电机上高速旋转，并采用高精度同轴编码器实时测量偏振片瞬时角度，实现对成像镜头收集的入射光高速、高精度线偏振调制；同时，采集光强探测器对连续旋转偏振片瞬态偏振调制后的强度进行时间积分，并利用集成于数据采集及信号处理模块中的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。本发明从原理上解决偏振片连续旋转引入的偏振调制强度时间积分效应。

技术领域

本发明涉及偏振成像的技术领域，特别涉及一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置。

背景技术

偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。因此，偏振成像技术展现出了巨大的发展潜力，也成为国内外关注的研究和应用热点之一，广泛应用于天文观测，生物组织检测和医学诊断，大气环境和海洋监测，遥感成像，航天飞行器发动机结构缺陷检测，军事目标探测等重要领域。

目前比较常见的偏振成像技术主要包括分时型、分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种。传统分时型偏振成像探测方法主要通过旋转偏振片的方法获取对同一目标场景在不同时刻的偏振态图像，其具有装置结构简单、成本低、消光比高、偏振成像精度高等优点，但由于需要采集多个静止位置偏振态，因此只能用于静态目标偏振成像；分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种偏振成像方法均能够同时获取不同偏振调制下的偏振成像数据，实时性好，但存在功能和性能上的显著不足。如分振幅型偏振成像装置系统复杂、体积大、重量重、一致性和稳定性差，分孔径型偏振成像装置空间分辨率低、图像配准困难、系统稳定性不高，分焦平面型偏振成像装置微偏振片制作难度高、消光比低、均匀性差、存在视场混淆误差等。

鉴于上述同时偏振成像装置的性能不足，研究人员提出了基于连续旋转偏振片的快速偏振成像装置和方法，在传统旋转偏振片进行高精度偏振成像探测基础上，提升偏振成像速度。如发明专利“一种基于分时法的快速偏振成像装置和方法”(专利申请号：202110202881)，该装置继承了传统分时法偏振成像装置结构紧凑、原理简单等优点，并通过连续快速旋转偏振片和数据冗余复用方法提升偏振成像速度，但其未考虑光强探测器积分时间内由于偏振片连续旋转带来的偏振调制非均匀性，仅将其作为单一角度调制处理，这从原理上引入了偏振成像探测误差，且随着曝光时间增长、偏振片转速增大误差越来越大。虽然发明人将角度增量限制在较小范围内一定程度降低误差，但也同时限制了曝光时间和测量速度，应用场景受限。发明专利“基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置”(专利申请号：201910141102.8)采用旋转轮对三片角度不同的偏振片进行旋转切换偏振成像，但其仍将旋转轮连续旋转过程中仍将偏振片作单一偏振调制状态处理，显著降低偏振成像精度，且旋转轮旋转速度受限于偏振片尺寸，测量速度受限。发明专利“用于动态目标测量的分时型红外偏振成像”(专利申请号：201910742402.1)采用方法与上述专利基本类似，均未考虑偏振片连续旋转过程中引入非均匀偏振调制，存在显著探测误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何在连续旋转偏振片提升偏振成像速度的同时，充分考虑非均匀偏振调制对强度积分的影响，建立入射光偏振态与强度积分之间定量关系，释放偏振片旋转速度与测量精度之间的约束关系，提升偏振成像精度和测量速度，是偏振成像领域亟待解决的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种强度-时间积分型快速偏振成像装置：由成像镜头、中空高速电机、高精度同轴编码器、偏振片、光强探测器、同步控制模块、数据采集及信号处理模块组成，其中：