CN101464256B - 偏振光谱仪的偏振精度定标系统 - Google Patents

Abstract

偏振光谱仪的偏振精度定标系统，由积分球、平行光管、光阑、干涉滤光片、偏振态发生器(PSG)、保偏扩散器、准直透镜、偏振态检测器、参考光强探测器和计算机组成。该定标系统采用积分球、平行光管、光阑、干涉滤光片和PSG产生标准偏振定标源，该定标源产生的零视场、小口径平行光束通过扩散器和准直透镜后，扩展为相同偏振态的全视场、大口径平行光束，即可对大口径偏振光谱仪进行全视场定标。本发明具有对大口径偏振光谱仪进行全视场偏振定标的能力，定标过程中采用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，大大提高了成像偏振光谱仪的偏振定标精度。

Description

偏振光谱仪的偏振精度定标系统

技术领域

本发明涉及一种用于星载、机载和地面对地遥感及深空探测的成像偏振光谱仪的偏振精度定标系统。

背景技术

成像光谱偏振探测技术对于云和大气气溶胶的探测、地质勘探、土壤分析、环境监测、资源调查、农作物估产、灾害估计、农牧业发展、海洋开发利用和军事领域等方面具有重要价值。为了更好地应用成像光谱偏振探测系统，获得目标准确的光谱偏振信息，就需要进行偏振定标，建立成像光谱偏振探测系统每个探测单元的输出信号与该单元对应的实际地物偏振信息之间的定量关系，这是遥感信息定量化关键的一步。

定标的最终目的是为了根据成像光谱偏振探测系统的输出数据准确得到目标反射光的光谱偏振特性。遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于定标精度。定标手段是测定成像光谱偏振探测系统对一个已知辐射特性目标的响应，以它为定标源进行定标。

光谱偏振信息探测过程中，由于进入探测器的入射光本身包含了背景反射光和其它杂散光，在探测器成像过程中受暗电流、定位误差以及元器件在各波段的透过率不同等因素的影响，最后成像中包含了很多噪声，降低了成像数据的准确性。因此，需要通过实验和计算的方法尽量减小或消除这些影响，使之反演所得曲线能与光谱仪所得曲线尽量一致，得到更精确的光谱偏振信息。在实际测量时，入射光的偏振态会受到各种噪声影响，探测系统的性能和响应关系也随场景不同而发生变化，需对整个遥感器进行详细和准确的偏振定标，即建立每一个像元的辐射响应度公式和Stokes偏振响应度的仪器矩阵。

偏振定标要求有一个偏振定标源，它能产生定标或测试时所需要的偏振态，用以测定仪器的偏振灵敏度并监视仪器性能的改变。因此，偏振定标源必须具有高于仪器灵敏度的偏振准确度。偏振定标源可以由线偏振器和波片组成，调整线偏振器和波片的方位角就可以产生任意的完全偏振态光源，利用多组完全偏振态光源可以对偏振系统的仪器矩阵进行定标。

高性能的偏振器和高准确度的消色差波片不仅是偏振仪器本身需要的关键部件，也是偏振定标设备的关键部件。为了适用于大口径偏振光谱仪的定标，定标系统需要有由高精度、大口径的偏振片和波片组成的PSG，但根据对国内外产品的调研，目前还没有研制出这样的产品。传统的偏振定标系统在对偏振光谱仪进行定标时，通过分步旋转偏振光谱仪使得平行光以各视场角入射到被定标系统中，从而实现各视场角下的偏振定标，这种定标方式不能对偏振光谱仪进行精确的全视场偏振定标。

综上所述，目前国内外研制的偏振定标系统不能对大口径的偏振光谱仪进行偏振定标，而且不能对偏振光谱仪进行精确的全视场偏振定标。

发明内容

本发明的目的是：提供一种新型的偏振精度定标系统，该定标系统可以对大口径成像偏振光谱系统进行全视场偏振定标，定标过程中采用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，大大提高了成像偏振光谱仪的偏振定标精度。

本发明一种偏振光谱仪的偏振精度定标系统，其技术解决方案：该系统包括下列部件：

积分球，位于整个定标系统的最前端，用于提供波段为350nm-2500nm范围内均匀稳定的光源；

平行光管，位于积分球的后面，将积分球发出的光源准直，产生平行面光源；

光阑，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔径，使得平行面光源以一定的孔径入射到后续的待定标系统；

干涉滤光片，位于光阑后面，对入射光进行滤光，其中心波长和波段的选择与待定标的偏振系统有关；

偏振态发生器(PSG)，位于干涉滤光片后面，入射光经过PSG后，能够产生标准偏振光源；

保偏扩散器，位于PSG之后，将入射光以一定角度均匀发散出去，并保持出射光与入射光的偏振态；

准直透镜，位于保偏扩散器之后，其焦距和直径的选取与待定标偏振系统的通光孔径、视场角以及保偏扩散器上的光斑孔径有关；

偏振态检测器，位于准直透镜之后，检测出射光的偏振态；

参考光强探测器，位于准直透镜之后，与偏振态检测器分列待定标系统两侧，其探测到的光强作为定标时的参考光强，将定标过程中每个步骤中探测到的光强除以相应的参考光强，得到归一化后的光强，再进行数据处理；

计算机，采集定标过程中的图像数据，利用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，得到偏振系统的定标结果。  其中，所述的偏振态发生器，是由二向色材料制成的精确线偏振片和精密聚合体材料制成的精确波片两部分组成，通过旋转线偏振片和波片，能够产生6种标准偏振光源，即0度、45度、90度、135度线偏振光源和左、右旋圆偏振或椭圆偏振光源。其旋转机构的机械精度为1′，产生的标准偏振光源的Stokes参数精度为0.001。

其中，所述的保偏扩散器，通过采用微透镜阵列实现保偏作用，其保偏性能优于99％；其微透镜焦距的选取由保偏扩散器所需实现的扩散角的大小决定。

本发明的工作原理为：积分球产生均匀的入射光，经平行光管准直，通过光阑、滤光片、PSG后转换为零视场、小口径的相应光谱范围内的平行偏振光，经扩散器以一定角度发散出去，再经准直透镜准直，扩展为相同偏振态的全视场、大口径平行光束，即可对大口径偏振光谱仪进行全视场定标。定标的基本方法：旋转PSG使得入射光分别转换为6种偏振态的偏振光，利用线偏振光定标仪器矩阵的前三列，利用圆偏振光(或椭圆偏振光)定标仪器矩阵第四列。定标过程中采用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，大大提高了成像偏振光谱仪的偏振定标精度。定标出仪器矩阵之后，将若干组偏振态的光源(不同于定标时采用的偏振态)入射到定标后的偏振探测系统上，将系统探测结果与入射光偏振态相比，即可求得偏振定标精度。

本发明与现有定标技术相比较具有如下优点：

(1)利用扩散器和准直透镜将零视场、小口径平行偏振光扩展为相同偏振态的全视场、大口径平行光束，解决了大口径偏振光谱仪全视场定标的问题。

(2)通过分析重复测量和非重复测量时方差的不同，利用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，提高了偏振定标精度。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理框图；

图2为本发明的准直透镜焦距、直径与系统视场角、通光孔径关系图；

图3为本发明的扩散器经准直透镜成像的示意图；

图4为本发明的偏振定标流程图。

图中具体标号如下：

1、积分球        2、平行光管        3、光阑

4、干涉滤光片    5、偏振态发生器    6、保偏扩散器

7、准直透镜      8、偏振态检测器    9、参考光强探测器

10、待定标系统

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括：积分球1、平行光管2、光阑3、干涉滤光片4、偏振态发生器(PSG)5、保偏扩散器6、准直透镜7、参考光强探测器8和偏振态检测器9。积分球产生均匀的入射光，经平行光管准直，通过光阑、滤光片、PSG后转换为零视场、小口径的相应光谱范围内的平行偏振光，经扩散器以一定角度发散出去，再经准直透镜准直，扩展为相同偏振态的全视场、大口径平行光束，即可对大口径偏振光谱仪进行全视场定标。

PSG可以将入射光转换为线偏振光、圆偏振光(或椭圆偏振光)，定标仪器矩阵前三列时采用线线偏振光，定标仪器矩阵第四列时采用圆偏振光(或椭圆偏振光)。利用最小二乘法原理将两部分定标过程的数据组成一个矩阵进行数据处理。PSG产生的偏振态分别为0度、45度、90度、135度、左、右旋圆偏振(或椭圆偏振态)。不同波长时，PSG中的波片产生的相位延迟是不同的，利用公式计算出不同波长时相位延迟量以及PSG出射光的偏振态。PSG中使用的波片是真零级波片，假设在中心波长λ₀时波片的相位延迟量为δ₀，则在波长为λ时，波片的相位延迟量为δ＝δ₀(λ₀/λ)，波片的快轴角度为45度，中心波长λ₀所对应的δ₀为π/2，PSG中偏振片角度分别为0度和90度，这样能够产生两种椭圆偏振光。图1共产生6种偏振光，定标时每种偏振态都重复利用5次，得到最小二乘法中的STOKES系数矩阵：

相应的探测光强组成的数据矩阵L为：

$L=I={\left(\begin{array}{cccc}{I}_{\mathrm{0,1}}& I_{\mathrm{1,1}}& I_{\mathrm{2,1}}& I_{\mathrm{3,1}}\\ I_{\mathrm{0,2}}& I_{\mathrm{1,2}}& I_{\mathrm{2,2}}& I_{\mathrm{3,2}}\\ I_{\mathrm{0,3}}& I_{\mathrm{1,3}}& I_{\mathrm{2,3}}& I_{\mathrm{3,3}}\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ I_{\mathrm{0,30}}& I_{\mathrm{1,30}}& I_{\mathrm{2,30}}& I_{\mathrm{3,30}}\end{array}\right)}_{30\×4}---\left(2\right)$

若入射光的偏振态不同，即进行不等精度的测量时，方差是不相同的，即方差分别为p1，p2，p3，p4，p5，p6；若入射光的偏振态相同，即进行等精度的重复测量时，方差是相同的。这样，L所对应的方差矩阵P为：

根据不等精度最小二乘法原理计算仪器矩阵，得

M_INSTRUMENT＝((S^TPS)^-1S^TPI)^T                   (4)

定标出仪器矩阵M_INSTRUMENT之后，将若干组偏振态的光源(不同于定标时采用的偏振态)入射到定标后的偏振探测系统上，将系统探测结果与入射光偏振态相比，即可求得偏振定标精度。

准直透镜的焦距和直径的选取要与偏振探测系统的通光孔径、视场角以及成像物(扩散器上被照亮部分)的大小来决定。设准直透镜焦距为f，直径D，成像物直径为2y，偏振探测系统的视场角为2ω，通光孔径d，如图2所示。透镜的选取要保证光线进入偏振探测系统的视场角足够大，并且光线能够充满视场。扩散器采用微透镜阵列，可以将入射光以一定角度均匀发散出去，见图3，并且能够保持光的偏振态不变，保偏性能优于99％。

本发明的偏振定标流程图如图4所示。首先按照图1所示的原理框图搭建出定标系统，旋转偏振片使得PSG产生4种线偏振光和两种圆偏振光(或椭圆偏振光)，每种偏振态重复利用5次，采集图像，记录CCD上探测到的光强；根据数据记录结果得到STOKES系数矩阵、光强矩阵和方差矩阵；利用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，计算得到仪器矩阵；最后利用若干组不同于定标时采用的偏振态来验证偏振定标精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.偏振光谱仪的偏振精度定标系统，其特征在于：包括下列部分：

积分球，位于整个定标系统的最前端，用于提供波段为350nm-2500nm范围内均匀稳定的光源；

平行光管，位于积分球的后面，将积分球发出的光源准直，产生平行面光源；

光阑，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔径，使得平行面光源以一定的孔径入射到后续定标系统；

干涉滤光片，位于光阑后面，对入射光进行滤光，其中心波长和波段的选择与待定标的偏振系统有关；

偏振态发生器，位于干涉滤光片后面，入射光经过偏振态发生器后，能够产生标准偏振光源；

保偏扩散器，将入射光以一定角度均匀发散出去，并保持出射光与入射光的偏振态，位于偏振态发生器之后；

准直透镜，位于保偏扩散器之后，其焦距和直径的选取与待定标偏振系统的通光孔径、视场角以及保偏扩散器上的光斑孔径有关；

偏振态检测器，位于准直透镜之后，检测出射光的偏振态；

参考光强探测器，位于准直透镜之后，与偏振态检测器分列待定标系统两侧，其探测到的光强作为定标时的参考光强，将定标过程中每个步骤中探测到的光强除以相应的参考光强，得到归一化后的光强，再进行数据处理；

计算机，采集定标过程中的图像数据，利用不等精度最小二乘法原理进行数据处理，得到偏振系统的定标结果。

2.根据权利要求1所述的偏振光谱仪的偏振精度定标系统，其特征在于：所述的偏振态发生器，是由二向色材料制成的精确线偏振片和精密聚合体材料制成的精确波片两部分组成，通过旋转线偏振片和波片，能够产生6种标准偏振光源，即0度、45度、90度、135度线偏振光源和左、右旋圆偏振或椭圆偏振光源；其旋转机构的机械精度为1′，产生的标准偏振光源的Stokes参数精度为0.001，可以对偏振光谱仪进行精确的全偏振定标。

3.根据权利要求1所述的偏振光谱仪的偏振精度定标系统，其特征在于：所述的保偏扩散器，通过采用微透镜阵列实现保偏作用，其保偏性能优于99％；其微透镜焦距的选取由保偏扩散器所需实现的扩散角的大小决定；入射的零视场平行偏振光经过保偏扩散器扩展为全视场内偏振态相同的平行光束，可对偏振光谱仪进行全视场偏振定标。

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