机载推扫式高光谱偏振成像系统设计与图像融合方法在海洋溢油监测中的创新应用

为解决传统光谱偏振成像系统实时性差、光学结构复杂及图像重建困难等问题，研究人员开发了机载推扫式高光谱偏振成像系统（APHPIS），结合非下采样轮廓波变换（NSCT）与导向滤波的融合算法，实现了光谱分辨率2 nm、偏振度>0.9的高精度监测，显著提升油类目标对比度（最高72.2%）与图像熵（13.9%），为环境监测提供新技术支撑。

　　

在环境监测和海洋资源保护领域，准确识别海洋溢油类型和分布是亟待解决的难题。传统光谱成像虽能反映物质化学成分，但难以捕捉表面结构特征；偏振成像虽对光滑表面敏感，却缺乏光谱维度信息。现有光谱偏振成像系统因复杂的光学设计、低实时性和重建误差，难以满足机载平台的高效监测需求。针对这一挑战，中国国家自然科学基金资助的研究团队提出了一种创新解决方案——机载推扫式高光谱偏振成像系统（APHPIS），相关成果发表在《Optics》上。

研究团队采用三项关键技术：1）基于无人机平台的空间推扫成像技术，实现400-900 nm波段内2 nm光谱分辨率；2）光谱偏振二维联合分辨率模型，通过微偏振阵列与棱镜分光的单光路设计同步获取光谱和斯托克斯参数；3）结合非下采样轮廓波变换（NSCT）与导向滤波的融合算法，将光谱特征与偏振对比度优势整合。实验样本采用航空拍摄的原油、柴油和润滑油三类油膜。

理论模型
通过建立推扫式成像几何模型，推导出每个像元的光谱强度与四个斯托克斯参数的数学关系。系统采用沃拉斯顿棱镜分光结合偏振调制器，实现单次曝光获取0°、45°、90°、135°四个偏振方向的干涉条纹，经傅里叶变换重建光谱偏振立方体。

APHPIS系统设计
光学系统由焦距200 mm的望远镜与光谱偏振模块组成，采用Zemax优化像差。关键创新在于将液晶可变延迟器（LCVR）集成到Offner分光结构中，使系统在25°视场角下MTF>0.6，偏振测量精度达±0.01。

实验结果
校准实验显示系统在550 nm处偏振度测量误差<3%。航空实验中，原油光谱反射曲线在680 nm处出现明显吸收谷，而柴油在520 nm有特征峰。融合图像指标显著提升：与真彩色图像相比，平均梯度从4.71增至12.78（171.3%），空间频率从6.45提高到12.50（93.9%）。不同油类在DoLP图像中的对比度差异达40-60%，经融合后进一步放大至72.2%。

结论与意义
该研究突破了传统系统在机载平台的适用性瓶颈，首创的单探测器推扫式架构显著降低系统复杂度。提出的NSCT-导向滤波融合策略首次实现光谱特征与偏振对比度的协同增强，为高动态范围场景（如海上耀光区）的目标检测提供新范式。研究不仅为海洋溢油应急响应提供技术支撑，其二维联合分辨率模型更为多模态遥感数据融合开辟了新思路。基金资助信息显示，该成果有望拓展至矿物勘探和军事侦察领域。