本发明公开了一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，属于光电探测领域，所述光学系统包括离轴三反主镜、离轴三反次镜、离轴三反三镜、长波红外分光片、一次像面、长波二次成像透镜、长波偏振片、长波红外探测器、准直透镜、可见光与近红外分光片、可见光二次成像透镜、可见光偏振片、可见光探测器、近红外二次成像透镜、近红外偏振片和近红外探测器；本发明将可见光‑红外成像和偏振成像技术相结合，将近红外、长波、偏振三者优点相结合，能够实现多谱段偏振成像探测，进而实现雾霾天气下高清晰高分辨光电成像探测。
1.一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，其特征在于，该光学系统包括：离轴三反主镜(1)、离轴三反次镜(2)、离轴三反三镜(3)、长波红外分光片(4)、一次像面(5)、长波二次成像透镜(6)、长波偏振片(7)、长波红外探测器(8)、准直透镜(9)、可见光与近红外分光片(10)、可见光二次成像透镜(11)、可见光偏振片(12)、可见光探测器(13)、近红外二次成像透镜(14)、近红外偏振片(15)和近红外探测器(16)；
所述离轴三反主镜(1)、离轴三反次镜(2)和离轴三反三镜(3)按离轴三反位置放置，使得来自无穷远含有目标与背景多谱段光信息的平行光光束依次经过离轴三反主镜(1)、离轴三反次镜(2)和离轴三反三镜(3)反射后，成像于所述一次像面(5)处，实现目标与背景多谱段光信息的高效接收；
所述长波红外分光片(4)置于离轴三反三镜(3)与一次像面(5)中间，长波红外分光片(4)用于将含有目标与背景多谱段光信息的入射光分成两路光，一路为长波红外光，另一路光为可见光与近红外光；
所述长波二次成像透镜(6)、长波偏振片(7)和长波红外探测器(8)同轴依次排列，并放置在长波红外分光片(4)的透射方向，实现长波红外偏振信息的获取；
所述准直透镜(9)、可见光与近红外分光片(10)、可见光二次成像透镜(11)、可见光偏振片(12)和可见光探测器(13)同轴依次排列，并放置在长波红外分光片(4)的反射方向；可见光与近红外分光片(10)用于将可见光与近红外光信息进行分离；可见光二次成像透镜(11)、可见光偏振片(12)和可见光探测器(13)放置在可见光与近红外分光片(10)的透射方向，实现可见光偏振信息获取；
所述近红外二次成像透镜(14)、近红外偏振片(15)和近红外探测器(16)同轴依次排列，并放置在可见光与近红外分光片(10)的反射方向，实现近红外偏振信息获取；
所述离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，采用离散小波变换对获取的图像进行处理，实现对获取的图像信息去噪处理；
离散小波变换的起点是双通道完全重构滤波器组，其中x(n)是输入序列，g(n)和h(n)分别是低通LP和高通HP卷积滤波器的脉冲响应；滤波器卷积和下采样是序列x(n)和时间反转g(n)、h(n)的内积,公式如下所示：其中：y0(k)为低通输出序列，y1(k)为高通输出序列，n为变量，x(n)为输入序列；k为位移量；g(‑n+2k)是g(n)的时序n取反的结果加位移量，h(‑n+2k)是h(n)的时序n取反的结果加位移量；
重构信号 通过对高通和低通输出序列y0(k)和y1(k)进行上采样，通过g′(n)和h′(n)滤波并相加得到，其中g′(n)和h′(n)是g(n)和h(n)的时间反转副本； 重构公式如下：其中，小波和滤波器g(n)，h(n)之间的关系式如下：
其中，φ(t)和ω(t)分别是连续时间尺度函数和小波；
将滤波后的信号进行图像融合，实现图像的增强，提高探测能力；首先将三个光谱波段的图像信息从RGB转换为HSV，然后，再使用平移不变离散小波变换进行多分辨率分解之后，对V和更高分辨率的P图像进行融合。
2.根据权利要求1所述的离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，其特征在于：所述离轴三反主镜(1)的面形为凹非球面反射镜。
3.根据权利要求1所述的离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，其特征在于：所述离轴三反次镜(2)的面形为凸非球面反射镜。
4.根据权利要求1所述的离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，其特征在于：所述离轴三反三镜(3)的面形为凹非球面反射镜。
一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统
技术领域
[0001] 本发明属于光电探测领域，具体地，涉及一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统。
背景技术
[0002] 由于雾霾等复杂天气对光的遮蔽作用导致场景能见度下降，使公路和民航交通受阻，给国民经济造成不利影响。现有的穿透雾霾的成像系统多为红外系统，但随着雾霾天气日益严重，仅采用红外技术的穿透雾霾的成像系统性能受到限制。目前在红外、偏振探测这两个方面虽然开展了初步研究成果，人们将光波中含有的偏振特性与红外热成像技术相结合，发展成具有更高识别能力的红外偏振成像技术。传统红外偏振成像技术中的红外成像探测系统主要是获取所观测场景的红外热辐射，利用目标与背景的辐射强度差异，将目标从背景中进行区分，进而实现对目标的检测、识别与跟踪。探测方式多为分时、分孔径、分振幅和分焦面四种偏振探测方式，但谱段单一，尚未报道多谱段偏振光学成像探测装置。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，能够实现多谱段偏振成像探测，进而实现雾霾天气下高清晰高分辨光电成像探测。
[0004] 一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，其特征在于，该光学系统包括：离轴三反主镜、离轴三反次镜、离轴三反三镜、长波红外分光片、一次像面、长波二次成像透镜、长波偏振片、长波红外探测器、准直透镜、可见光与近红外分光片、可见光二次成像透镜、可见光偏振片、可见光探测器、近红外二次成像透镜、近红外偏振片和近红外探测器；所述离轴三反主镜、离轴三反次镜和离轴三反三镜按离轴三反位置放置，使得来自无穷远含有目标与背景多谱段光信息的平行光光束依次经过离轴三反主镜、离轴三反次镜和离轴三反三镜反射后，成像于所述一次像面处；所述长波红外分光片置于离轴三反三镜与一次像面中间，长波红外分光片用于将含有目标与背景多谱段光信息的入射光分成两路光，一路为长波红外光，另一路光为可见光与近红外光；所述长波二次成像透镜、长波偏振片和长波红外探测器同轴依次排列，并放置在长波红外分光片的透射方向；所述准直透镜、可见光与近红外分光片、可见光二次成像透镜、可见光偏振片和可见光探测器同轴依次排列，并放置在长波红外分光片的反射方向；可见光与近红外分光片用于将可见光与近红外光信息进行分离；可见光二次成像透镜、可见光偏振片和可见光探测器放置在可见光与近红外分光片的透射方向；所述近红外二次成像透镜、近红外偏振片和近红外探测器同轴依次排列，并放置在可见光与近红外分光片的反射方向。
[0005] 进一步，所述离轴三反主镜的面形为凹非球面反射镜。
[0006] 进一步，所述离轴三反次镜的面形为凸非球面反射镜。
[0007] 进一步，所述离轴三反三镜的面形为凹非球面反射镜。
[0008] 通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明采用离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统接收目标光信息，可以更清晰的进行光电成像探测。将可见光、近红外、长波红外谱段的偏振信息获取，是对传统成像探测的有益补充。其中强度信息反映了探测距离、目标形状以及目标尺寸等；多谱段偏振信息反映了目标的材质、粗糙度以及与背景的对比度；由长波红外探测器、近红外探测器和可见光探测器获得强度信息、多谱段信息和偏振信息，将强度信息、多谱段信息和偏振信息联合应用，图像对比度可以提高1倍，从而提高工作距离。图像融合算法提高图片的质量，有助于提高目标探测概率，从而更加有效地实现穿透雾霾成像。
附图说明
[0009] 图1为离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统示意图。
[0010] 图中：1‑离轴三反主镜、2‑离轴三反次镜、3‑离轴三反三镜、4‑长波红外分光片、5‑一次像面、6‑长波二次成像透镜、7‑长波偏振片、8‑长波红外探测器、9‑准直透镜、10‑可见光与近红外分光片、11‑可见光二次成像透镜、12‑可见光偏振片、13‑可见光探测器、14‑近红外二次成像透镜、15‑近红外偏振片、16‑近红外探测器。
具体实施方式
[0011] 为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0012] 如图1所示，本发明公开了一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统，该光学系统包括离轴三反主镜1、离轴三反次镜2、离轴三反三镜3、长波红外分光片4、一次像面5、长波二次成像透镜6、长波偏振片7、长波红外探测器8、准直透镜9、可见光与近红外分光片10、可见光二次成像透镜11、可见光偏振片12、可见光探测器13、近红外二次成像透镜14、近红外偏振片15和近红外探测器16。
[0013] 所述长波红外分光片4为欧普特科技GPBS71‑硒化锌红外宽带楔片分光片；所述长波偏振片7为德国Codixx科迪公司的长波偏振片；所述可见光与近红外分光片10为深圳市元尔科技有限公司生产的Giai‑beamsplitter分光片；所述长波红外探测器8为H6417C1S海康威视非制冷长波红外探测器；所述可见光探测器13是无锡市能控科技有限公司生产的高照度可见光探测器On9658L；所述近红外偏振片15采用江阴韵翔光电技术有限公司的APIR29‑020型号近红外偏振片；所述近红外红外探测器16是深圳市六朋电子有限公司研制的近红外探测器。
[0014] 各部分位置与实现功能：
[0015] 所述离轴三反主镜1、离轴三反次镜2和离轴三反三镜3按离轴三反位置放置，来自无穷远含有目标与背景多谱段光信息的平行光光束依次经过离轴三反主镜1、离轴三反次镜2和离轴三反三镜3反射后，成像于所述一次像面5处，实现目标与背景多谱段光信息的高效接收。
[0016] 所述长波红外分光片4放置在离轴三反三镜3与一次像面5中间，长波红外分光片4用于将含有目标与背景多谱段光信息的入射光分成两路光，一路为长波红外光，另一路光为可见光与近红外光，从而分离出长波红外光；
[0017] 所述长波二次成像透镜6、长波偏振片7和长波红外探测器8同轴依次排列，并放置在长波红外分光片4的透射方向，实现长波红外偏振信息的获取。
[0018] 所述准直透镜9、可见光与近红外分光片10、可见光二次成像透镜11、可见光偏振片12和可见光探测器13同轴依次排列，并放置在长波红外分光片4的反射方向；准直透镜9用于将会聚光整形为平行光；可见光与近红外分光片10用于将可见光与近红外光信息分离。可见光二次成像透镜11、可见光偏振片12和可见光探测器13放置在可见光与近红外分光片10的透射方向，实现可见光偏振信息获取。所述近红外二次成像透镜14、近红外偏振片15和近红外探测器16同轴依次排列，并放置在可见光与近红外分光片10的反射方向上，实现近红外偏振信息获取。
[0019] 本发明为了能同时接收目标多谱段偏振探测信息，采用离轴三反望远系统(离轴三反望远系统即离轴三反主镜1、离轴三反次镜2、离轴三反三镜3按离轴三反位置放置形成的系统)接收目标光信息，使望远系统的出瞳与偏振成像单元的入瞳衔接，这样设计可避免存在渐晕。
[0020] 本发明由于采用共口径偏振光学系统接收多谱段光信息(即本发明中三个探测器通过同一个束光一个进光口径来接收信息)，可大大提高系统的利用率，节省空间。
[0021] 上述离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统的工作过程：
[0022] 步骤S1：来自无穷远含有目标与背景多谱段光信息的平行光光束依次经过离轴三反主镜1、离轴三反次镜2和离轴三反三镜3反射后会聚到一次像面5处；
[0023] 步骤S2：长波红外分光片4将射向其的含有目标与背景多谱段光信息的光束分成两路光，一路为长波红外光，另一路光为可见光与近红外光；
[0024] 步骤S3：所述长波红外光经长波二次成像透镜6、长波偏振片7和长波红外探测器8进行长波红外偏振信息的接收；所述可见光与近红外光经过准直透镜9变为平行光束后经可见光与近红外分光片10进行分离，得到可见光和近红外光，可见光沿近红外分光片10的透射方向传播，依次经可见光二次成像透镜11、可见光偏振片12和可见光探测器13实现可见光偏振信息的接收；近红外光沿着近红外分光片10的反射方向传播，依次经近红外二次成像透镜14、近红外偏振片15和近红外探测器16实现近红外偏振信息的接收；
[0025] 步骤S4：对经过步骤S1至步骤S3接收到的三个波段偏振信息进行图像滤波处理[0026] 本发明采用DWT(离散小波变换)对图像进行处理获取，实现对获取的图像信息去噪处理。具体过程如下：
[0027] DWT(离散小波变换)的起点是双通道完全重构滤波器组，其中x(n)是输入序列，g(n)和h(n)分别是低通(LP)和高通(HP)卷积滤波器的脉冲响应；分析滤波器卷积和下采样是序列x(n)和时间反转g(n)、h(n)的内积。公式如下所示：
[0028]
[0029]
[0030] 其中：y0(k)为低通输出序列，y1(k)为高通输出序列，n为变量，x(n)为输入序列；k为位移量；g(‑n+2k)是g(n)的时序n取反的结果加位移量，h(‑n+2k)是h(n)的时序n取反的结果加位移量；
[0031] 重构信号 通过对高通和低通输出序列y0(n)和y1(n)进行上采样，通过g′(n)和h′(n)滤波并相加得到，其中g′(n)和h′(n)是g(n)和h(n)的时间反转副本。对于某些具有完全重构特性的滤波器，重构的 在可能的移位范围内等于x(n)。例如，对于偶数长度nL，滤波器和其中分析滤波器h(n)和g(n)通过h(L‑1‑n)＝‑1g(n)作为镜像滤波器，并且合成滤波器g′(n)和h′(n)是g(n)和h(n)的时间反转副本，然后x(n)重构公式如下：
[0032]
[0033] 过滤器g′(n)和h′(n)是g(n)和h(n)的时间反转副本，双通道分析滤波器组过程在低通(LP)输出上迭代。如果g(n)和h(n)是半带低通LP和高通HP滤波器，则每次迭代使低频带的宽度减半。当前的高频段频谱对应于当前和以前的低频段频谱之间的差异。此外，由于二次采样，时间分辨率减半。小波和滤波器g(n)，h(n)之间的关系式如下：
[0034]
[0035]
[0036] 其中φ(t)和ω(t)分别是连续时间尺度函数和小波。缩放函数具有与低通LP滤波器的脉冲响应g(n)相同的形状。
[0037] 步骤S5、将滤波后的信号进行图像融合，实现图像的增强，提高探测能力[0038] 使用SIDWT平移不变离散小波变换的多光谱融合过程，针对三光谱带图像和共配准的高分辨率P图像。对于彩色图像解释，XS(作为一个RGB假彩色合成)和P图像的融合应该产生一个原始颜色失真最小的增强图像。图像特征的视觉感知颜色属性通常可以用强度、色调和饱和度来更好地描述，而不是红色、绿色和蓝色。强度(I)和密切相关的值亮度(V)、色调(H)和饱和度(S)分别指受试者对亮度、颜色和颜色纯度的感觉。首先将RGB图像变换为HSV颜色空间然后通过像素级融合增强亮度V。
[0039] 基于六边形模型的RGB‑HSV变换将RGB值转换为更适合彩色图像处理的颜色空间。强度分量，或大致为V(因为V是R、G和B的最大值)，可以进行对比度拉伸，而所得图像的H和S没有变化。
[0040] 首先将三个光谱波段的图像信息从RGB转换为HSV。然后，在使用SIDWT平移不变离散小波变换进行多分辨率分解之后，对V和更高分辨率的P图像进行融合。因为该图像对(P，V)融合过程使用SIDWT平移不变离散小波变换分解和基于像素的“最大”选择规则来组合变换系数。本设计采用了一种的SIDWT实施方式，并涉及多光谱图像。
[0041] 本发明的一种离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统具有以下优点：为了能同时接收目标多谱段偏振探测信息，采用离轴三反多谱段偏振成像探测光学系统接收目标光信息，可以更清晰的进行光电成像探测。将可见光、近红外、长波红外谱段的偏振信息获取，是对传统成像探测的有益补充。由于采用共口径偏振光学系统接收多谱段光信息，(三个探测器采用同一束光，同一个入光口即可分别完成探测)最终设计出高质量的多谱段偏振光学成像系统，并对图像进行滤波融合处理。最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后综合成高质量的图像，以提高图像中目标的显示度和识别率。
[0042] 上述实施例仅为例示性说明本发明的方法和有益效果，而非用于限制本发明。任何熟悉此方法的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如申请专利范围所列。
