CN103323116A - 一种获取偏振超光谱信息的装置及获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取偏振超光谱信息的装置及获取方法，该方法通过空间外差光谱仪外加前置偏振调制模块，获取偏振超光谱信息。通过旋转偏振调制模块中偏振片并采集0度、60度、120度三个偏振方向上的空间外差调制干涉图，分别经傅里叶变换获取三个偏振方向上的偏振光谱数据，再进行计算获得偏振光谱信息，包括偏振强度光谱、偏振度光谱等信息。本发明充分利用了空间外差光谱技术高通量、超光谱获取的优势，扩展了空间外差光谱技术的遥感信息获取能力，实现了高通量、超分辨的偏振光谱信息获取。

Description

一种获取偏振超光谱信息的装置及获取方法

技术领域

本发明涉及了一种偏振超光谱信息，具体是一种获取偏振超光谱信息的装置及获取方法。

背景技术

在来自目标的光辐射信息中，除了光谱、强度、相位和方向等信息外，还有一个重要的信息——偏振。偏振能为遥感目标的识别提供新的信息，具有极高的利用价值。位于地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和透射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振。偏振光谱信息的获取基于偏振光谱辐射测量，在得到偏振光谱信息的同时，没有摒弃传统的光谱辐射信息，即偏振光谱探测同时提供了目标的光谱、强度、偏振等信息。因此，偏振光谱探测可作为传统光谱技术的有益补充，提高遥感目标的探测识别能力。

当前，高光谱遥感技术正朝着高通量、高光谱分辨、高集成度的方向发展。现有偏振高光谱的获取方法大多基于光栅型光谱仪，其光通量小，不适用于微弱信号目标的遥感探测。基于干涉型光谱仪获取偏振高光谱的方法可以大幅提高光通量，然而，现有的干涉型偏振光谱仪都是基于时间调制型傅里叶变换光谱技术或空间调制型傅里叶变换光谱技术，其光谱分辨率受限于干涉图采样，光谱分辨能力远不及空间外差光谱技术。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种获取偏振超光谱信息的装置及获取方法，该方法可以在某一特定的光谱范围内获取高通量、超光谱分辨的偏振光谱信息。

实现本发明目的的技术方案是：

一种获取偏振超光谱信息的装置，包括空间外差光谱仪，与现有技术不同的是：在空间外差光谱仪外前端设置偏振调制模块，偏振调制模块主要由可旋转偏振片、退偏器顺序连接而成。

所述偏振片的作用是对入射光进行偏振调制，使得某一线偏振方向上的偏振分量透过；退偏器的作用是降低空间外差光谱仪中光学器件（如光栅、分束器、探测器等）的偏振敏感性导致的干涉图误差。

所述空间外差光谱仪的作用是获取偏振调制后的干涉图，经傅里叶变换获取单一偏振方向上的辐射光谱。

一种偏振超光谱信息的获取方法，是利用空间外差光谱仪前端设置偏振调制模块的装置来实现的，具体包括如下步骤：

（1）通过偏振调制模块对目标光信号进行偏振调制，使得进入空间外差光谱仪的光信号为某一线偏振方向上的光辐射信号；

（2）通过旋转偏振调制模块中的偏振片至0度、60度、120度三个偏振辐射方向，获取三个偏振方向上的空间外差调制干涉图数据；

（3）三个偏振方向上的干涉图分别经傅里叶变换获取三个偏振方向上的偏振光谱数据；

（4）通过三个偏振方向上的偏振光谱计算获得标志入射光偏振特性的三个Stokes矢量S₀(σ)、S₁(σ)和S₂(σ)，并计算出偏振度光谱、偏振角光谱等偏振光谱信息。

本发明的优点在于：

（1）获取偏振光谱信息：与传统高光谱技术比较，该方法不仅可以获取超光谱分辨的辐射光谱信息，亦可获取反映偏振特性的偏振超光谱信息。

（2）光通量大幅提高：较光栅型偏振光谱仪光通量能提高4个数量级，较基于傅里叶变换光谱技术的干涉型偏振光谱仪光通量亦可提高2个数量级。

（3）光谱分辨率大幅提高：其光谱分辨率较基于傅里叶变换光谱技术的干涉型偏振光谱仪有大幅提高，尤其在短波波段。

因此，本发明充分利用了空间外差光谱技术高通量、超光谱获取的优势，扩展了空间外差光谱技术的遥感信息获取能力，实现了高通量、超分辨的偏振光谱信息获取。

附图说明

图1为实现本发明方法的光学系统的结构示意图。

图中：1.偏振调制模块  1-1.可旋转偏振片  1-2.退偏器  2.空间外差光谱仪  2-1.光阑  2-2.准直镜  2-3.光栅  2-4.分束器  2-5.成像镜  2-6.CCD图像传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明做进一步详细的描述。

图1为偏振超光谱信息获取方法的光学系统结构示意图，其光学系统主要由偏振调制模块1和空间外差光谱仪2构成。偏振调制模块1采用可旋转偏振片1-1实现。通过旋转偏振片1-1获取三个偏振方向上的偏振辐射光谱，三个方向分别是0度、60度、120度，最终通过三个方向的偏振辐射信息解析出偏振光谱信息。偏振调制模块中1的退偏器1-2能有效降低干涉仪中光学器件（如光阑2-1、准直镜2-2、光栅2-3、分束器2-4、成像镜2-5、CCD图像传感器2-6、探测器等）的偏振敏感性导致的干涉图误差。空间外差光谱仪2的作用是获取偏振调制后的干涉图，经傅里叶变换获取单一偏振方向上的辐射光谱。

本发明的偏振超光谱信息获取方法的详细步骤如下：

（1）偏振调制模块1对目标光信号进行偏振调制，使得进入空间外差光谱仪的光信号为某一线偏振方向上的光辐射信号。通过旋转偏振调制模块1中的偏振片1-1至0度、60度、120度三个偏振辐射方向，获取三个偏振方向上的空间外差调制干涉图I₁(x)、I₂(x)和I₃(x)。

（2）三个偏振方向上的空间外差调制干涉图I₁(x)、I₂(x)和I₃(x)分别经傅里叶变换获取三个偏振方向上的偏振光谱B₁(σ)、B₂(σ)和B₃(σ)。

当入射到空间外差光谱仪2的光信号的光谱曲线为B_i(σ)时，空间外差光谱仪2获取的干涉图为：

$I_i\left(x\right)={\∫}_0^{\∞}{B}_i\left(\mathrm{\σ}\right)(1+\cos [2\mathrm{\π}(4(\mathrm{\σ}-{\mathrm{\σ}}_0)\·x\·\tan \mathrm{\θ})\left]\right)\mathrm{d\σ}---\left(1\right)$

上式中I_i(x)为空间调制干涉图，x为干涉图在探测器x轴方向上的位置，σ为入射光的波数（频率），σ₀为系统基频（亦为光栅的Littrow波数），θ为光栅的Littrow角。通过对干涉图I(x)进行傅里叶变换就可以恢复入射光的光谱B_i(σ)。由（1）式所获得的光谱是(σ-σ₀)的一个函数B_i(σ-σ₀)，确切的说，干涉图经傅里叶变换恢复的光谱应该为σ₀±Δσ，其中Δσ为光谱范围。选择一个适当的光栅参数（Littrow波数σ₀），并选择一个窄的光谱范围，则可以获得超高的光谱分辨率。

（3）通过三个偏振方向上的偏振光谱B₁(σ)、B₂(σ)和B₃(σ)计算获得标志入射光偏振特性的三个Stokes矢量S₀(σ)、S₁(σ)和S₂(σ)，并计算出偏振度光谱P(σ)、偏振角光谱θ(σ)等偏振光谱信息。具体的计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_0\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{2}{3}(B_1\left(\mathrm{\σ}\right)+B_2\left(\mathrm{\σ}\right)+B_3\left(\mathrm{\σ}\right))\\ S_1\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{2}{3}(2B_1\left(\mathrm{\σ}\right)-B_2\left(\mathrm{\σ}\right)-B_3\left(\mathrm{\σ}\right))\\ S_3\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{2}{\sqrt{3}}(B_2\left(\mathrm{\σ}\right)-B_3\left(\mathrm{\σ}\right))\end{array}\right.---\left(2\right)$

再通过（3）式计算对应的偏振度光谱P(σ)和偏振角光谱θ(σ)：

$\left\{\begin{array}{c}P\left(\mathrm{\σ}\right)=\sqrt{{\left(S_2\left(\mathrm{\σ}\right)\right)}^2+{\left(S_3\left(\mathrm{\σ}\right)\right)}^2}/S_0\left(\mathrm{\σ}\right)\\ \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}(S_3\left(\mathrm{\σ}\right)/S_2\left(\mathrm{\σ}\right))\end{array}\right.---\left(3\right)$

偏振度P(σ)的取值范围为0到1，而偏振角θ(σ)的取值为0到π。在获取偏振度光谱、偏振角光谱等偏振信息的同时传统的光谱辐射（即光强）信息S₀(σ)没有丢失。

Claims (2)

1.一种获取偏振超光谱信息的装置，包括空间外差光谱仪，其特征是：在空间外差光谱仪外前端设置偏振调制模块，偏振调制模块主要由可旋转偏振片、退偏器顺序连接而成。

2.一种偏振超光谱信息的获取方法，其特征是：它是利用空间外差光谱仪前端设置偏振调制模块的装置来实现的，具体包括如下步骤：

（1）通过偏振调制模块对目标光信号进行偏振调制，使得进入空间外差光谱仪的光信号为某一线偏振方向上的光辐射信号；

（2）通过旋转偏振调制模块中的偏振片至0度、60度、120度三个偏振辐射方向，获取三个偏振方向上的空间外差调制干涉图数据；

（3）三个偏振方向上的干涉图分别经傅里叶变换获取三个偏振方向上的偏振光谱数据；

（4）通过三个偏振方向上的偏振光谱计算获得标志入射光偏振特性的三个Stokes矢量S₀(σ)、S₁(σ)和S₂(σ)，并计算出偏振度光谱、偏振角光谱等偏振光谱信息。

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