用于物证搜寻的大视场变焦偏振成像光学系统设计
发布时间：2022-01-21 23:33
针对传统无人机载相机在复杂环境下物证搜寻成像对比度低、证物识别难度大等问题,提出利用偏振成像技术,进行物证搜寻识别。为保证搜寻效率、识别概率和低照条件下成像效果,设计了大视场大相对孔径两档变焦偏振成像光学系统。系统焦距分别为11 mm和22 mm,F数分别为1.8和2.7,视场角60°和34°,并给出了合理的调焦方式,可实现在3 m和10 m飞行高度下清晰成像。经过仿真分析,调制传递函数在奈奎斯特频率91 lp/mm处优于0.45,满足成像质量要求,公差分析显示,在满足成像质量条件下,公差范围合理。将系统与微偏振片阵列探测器集成,搭载无人机平台,可在复杂环境中对案发现场进行实时高效物证搜寻,大幅提升案事件破获能力。
【文章来源】：红外与激光工程. 2019,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
系统基本结构图
光强差；U为45°和135°方向上的光强差；V为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差。微偏振片阵列(MPA)成像系统如图2所示，微偏振片阵列直接集成到探测器的感光芯片上，保证每个单元与感光芯片的像素单元大小一致且逐一对准，当光线通过MPA到达探测器后，可同时获得四个对应的线偏振调制方向(0°、45°、90°和135°)的光强：I0、I45、I90、I135。再由公式(12)可得光学系统出射光的Stokes矢量，通过计算目标到探测器整个过程的总穆勒矩阵可求出目标反射光的Stokes矢量，进行偏振信息提取，即可得目标景物的偏振图像。图2MPA示意图Fig.2MPAschematic但像素级偏振成像存在着如下缺点，在采集到的原始图像中，每一个超像素内保留同一中偏振状态下的测量值，而将其他的值清空，这样得到的图像是由清空后的空缺位置和同一种偏振状态下的测量结果组成，如图3所示，这降低了系统的空间分辨率，并且由于各相邻像元的瞬时视场不重叠,存在瞬时视场误差(InstantaneousField-of-View，IFOV)[12]。Ratliff等对于减少IFOV误差提出了后期有效的插
红外与激光工程第4期www.irla.cn第48卷值算法[13]，通过插值算法可补齐图3中的空缺位置，有效提高了系统的空间分辨率。(a)(b)(c)(d)图3原始图像抽取的四幅相移干涉图Fig.3Fourphaseshiftinginterferogramsoftheoriginalimage4D公司给出的一种方案原理如图4所示。通过在阵列上对2×2像素单元进行卷积，可以拟合得到空缺位置的偏振态测量值，提高数据的空间分辨率[14]，其已实现，再应用新的处理算法，可以实现等同于传感器自身像素宽度限制下对应的空间分辨率。图4(a)微偏振片超像素的相位分辨率；(b)2×2卷积实现的更高分辨率Fig.4(a)Diagramofmicropolarizersuperpixelandcorrespondingphaseresolution;(b)diagramshowinghow2×2convolutionkernelachieveshigherresolution综上，像素级偏振成像相对其他偏振成像方式，能够实时成像，无需分光元件，体积小，且具有较高透过率、高消光比、高可靠性、低功耗等特点，更加适用于无人机载探测成像。根据实际使用需求，主要针对应用于飞行高度在3~10m的无人机载光学系统开展设计，可对地面进行大视场高分辨实时偏振成像，地面目标最小分辨率1.5mm，能够实现对弹壳等细小目标识别。由于采用集成了微偏振片阵列的探测器进行成像，因此无需再进行光路分光或分孔径设计，只需设计大视场大相对孔径光学系统即可满足偏振成像使用要求，且系统截止频率可选取与探测器自身像素宽度限制下对应的空间频率。2设计实例与分析2.1设计实例文中采用集成微偏振片阵列CMOS图像传感器，像元数为1600×1600，像素尺寸为5.5μm，计算得到光学系统主要指标如表1所示。表1光学系统主要指标Tab.1Parametersofopticalsystem根据以上指标要求，以上述光焦度计算作为辅助，选择专利作为镜头初
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于像素级偏振相机的超像素校正[J]. 张涛,徐文畅,王德江,孙翯. 光学精密工程. 2017(12)
[2]偏振光学成像去雾技术综述[J]. 梁健,巨海娟,张文飞,任立勇,屈恩世. 光学学报. 2017(04)
[3]像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用[J]. 张志刚,董凤良,张青川,褚卫国,仇康,程腾,高杰,伍小平. 物理学报. 2014(18)
[4]偏振成像探测技术发展现状及关键技术[J]. 李淑军,姜会林,朱京平,段锦,付强,付跃刚,董科研. 中国光学. 2013(06)
[5]光的地表反射偏振特性分析及空间偏振模式计算方法[J]. 王玲妹,高隽,谢昭. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(07)
[6]多组全动型变焦系统新型设计[J]. 蔡伟,张鹰,张新,伍雁雄,张继真. 光学学报. 2012(03)
[7]航空相机的自准直自动检焦方法研究[J]. 史磊,金光,田海英,陈志超. 光学精密工程. 2008(12)
本文编号：3601160
【文章来源】：红外与激光工程. 2019,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
系统基本结构图
光强差；U为45°和135°方向上的光强差；V为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差。微偏振片阵列(MPA)成像系统如图2所示，微偏振片阵列直接集成到探测器的感光芯片上，保证每个单元与感光芯片的像素单元大小一致且逐一对准，当光线通过MPA到达探测器后，可同时获得四个对应的线偏振调制方向(0°、45°、90°和135°)的光强：I0、I45、I90、I135。再由公式(12)可得光学系统出射光的Stokes矢量，通过计算目标到探测器整个过程的总穆勒矩阵可求出目标反射光的Stokes矢量，进行偏振信息提取，即可得目标景物的偏振图像。图2MPA示意图Fig.2MPAschematic但像素级偏振成像存在着如下缺点，在采集到的原始图像中，每一个超像素内保留同一中偏振状态下的测量值，而将其他的值清空，这样得到的图像是由清空后的空缺位置和同一种偏振状态下的测量结果组成，如图3所示，这降低了系统的空间分辨率，并且由于各相邻像元的瞬时视场不重叠,存在瞬时视场误差(InstantaneousField-of-View，IFOV)[12]。Ratliff等对于减少IFOV误差提出了后期有效的插
红外与激光工程第4期www.irla.cn第48卷值算法[13]，通过插值算法可补齐图3中的空缺位置，有效提高了系统的空间分辨率。(a)(b)(c)(d)图3原始图像抽取的四幅相移干涉图Fig.3Fourphaseshiftinginterferogramsoftheoriginalimage4D公司给出的一种方案原理如图4所示。通过在阵列上对2×2像素单元进行卷积，可以拟合得到空缺位置的偏振态测量值，提高数据的空间分辨率[14]，其已实现，再应用新的处理算法，可以实现等同于传感器自身像素宽度限制下对应的空间分辨率。图4(a)微偏振片超像素的相位分辨率；(b)2×2卷积实现的更高分辨率Fig.4(a)Diagramofmicropolarizersuperpixelandcorrespondingphaseresolution;(b)diagramshowinghow2×2convolutionkernelachieveshigherresolution综上，像素级偏振成像相对其他偏振成像方式，能够实时成像，无需分光元件，体积小，且具有较高透过率、高消光比、高可靠性、低功耗等特点，更加适用于无人机载探测成像。根据实际使用需求，主要针对应用于飞行高度在3~10m的无人机载光学系统开展设计，可对地面进行大视场高分辨实时偏振成像，地面目标最小分辨率1.5mm，能够实现对弹壳等细小目标识别。由于采用集成了微偏振片阵列的探测器进行成像，因此无需再进行光路分光或分孔径设计，只需设计大视场大相对孔径光学系统即可满足偏振成像使用要求，且系统截止频率可选取与探测器自身像素宽度限制下对应的空间频率。2设计实例与分析2.1设计实例文中采用集成微偏振片阵列CMOS图像传感器，像元数为1600×1600，像素尺寸为5.5μm，计算得到光学系统主要指标如表1所示。表1光学系统主要指标Tab.1Parametersofopticalsystem根据以上指标要求，以上述光焦度计算作为辅助，选择专利作为镜头初
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于像素级偏振相机的超像素校正[J]. 张涛,徐文畅,王德江,孙翯. 光学精密工程. 2017(12)
[2]偏振光学成像去雾技术综述[J]. 梁健,巨海娟,张文飞,任立勇,屈恩世. 光学学报. 2017(04)
[3]像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用[J]. 张志刚,董凤良,张青川,褚卫国,仇康,程腾,高杰,伍小平. 物理学报. 2014(18)
[4]偏振成像探测技术发展现状及关键技术[J]. 李淑军,姜会林,朱京平,段锦,付强,付跃刚,董科研. 中国光学. 2013(06)
[5]光的地表反射偏振特性分析及空间偏振模式计算方法[J]. 王玲妹,高隽,谢昭. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(07)
[6]多组全动型变焦系统新型设计[J]. 蔡伟,张鹰,张新,伍雁雄,张继真. 光学学报. 2012(03)
[7]航空相机的自准直自动检焦方法研究[J]. 史磊,金光,田海英,陈志超. 光学精密工程. 2008(12)
本文编号：3601160
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