CN103528688A - 一种全偏振高光谱干涉成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全偏振高光谱干涉成像装置及方法，利用电控双折射器件进行偏振相位调制，并通过偏振分光器获得的双光路进行像素配准图像的采集，并进行高光谱和全偏振信息的解算。目标地物的散射光由前置光学系统收集并由偏振相位调制器进行偏振相位调制后，在偏振分光棱镜对光进行分路，分为O光和E光两路，在保证图像配准的条件下进行干涉成像与同步测量，并将得到的一系列图像信息送入系统处理；本发明不仅保留了高的光通量和高光谱获取的技术特征，还实现的全偏振遥感测量；获得的全偏振高光谱遥感成像信息能够进一步的提高目标地物的空间分辨能力，增强对遥感目标的分析能力，增加遥感测量结果的信息量。

Description

一种全偏振高光谱干涉成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器和遥感技术领域，尤其涉及一种全偏振测量与高光谱成像结合的装置及方法。

背景技术

近些年，随着对遥感探测研究的不断深入，利用偏振遥感技术能比普通遥感提供更为丰富的信息资源已成为世界上各个国家研究人员的共识。大量报导表明，相对以往的普通遥感成像技术，偏振成像遥感技术尤其在“水体”“气体”“植被”等的变化及趋势分析上有着明显的优势，能够进行更为精准的探测和分析。目前，国内外都十分重视偏振成像遥感技术及其应用的研究。由于对全球自然状态变化进行精准监测的迫切需求，偏振测量技术自身的日益提高，在空间对地遥感中能否在偏振探测中获取完整准确的信息已成为关键科学问题之一。

普通遥感探测仪（包括国内开发的多数仪器）设计的原理基于认定所探测地物偏振信息的Stokes矢量[I,Q,U,V]中V分量可以忽略这一假设的基础上实现了对Q、U分量的遥感测量。实际上V分量不仅不能忽略，而且还包含重要的信息。根据偏振光学理论，入射光经介质反射时，由于不同介质及其表面的作用各有差异，出射光的偏振相位及其它偏振参数都将发生改变，仅测量Q、U分量无法获取偏振相位参数，不能反映完整的地物本质特性。因此，必须通过V分量中的偏振相位才能获取更可靠更完整的地物信息。目前大多数偏振遥感测算过程忽略的V分量（也即认为相位参量为0）是人为舍弃了一维地物的重要信息，极易造成偏振遥感信息的误差及缺失。忽略该分量甚至是导致“同质异谱”现象的重要原因。要解决这些问题，V分量测量研究是首先需要突破的难题。

大量研究结果表明，偏振信息与光谱信息有着密不可分的内在关联。三者结合后形成的遥感测量技术，不但能够获取丰富的目标空间信息、光谱信息和偏振信息，而且将成为一种更为有利的获取目标信息的手段和方法。一种全偏振高光谱干涉成像技术为现有干涉成像光谱技术提供了进一步发展的空间，是多维遥感信息获取的研究和应用的重要解决方案。通过全偏振成像技术和低相干光谱技术的结合，设备同时兼有照相机、偏振仪和光谱仪的三重功能，在资源普查、环境检测、军事侦察等许多光学遥感技术领域都将发挥重要作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种全偏振高光谱干涉成像装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全偏振高光谱干涉成像装置，它包括：前置光学系统、偏振可控相位调制器、偏振分光棱镜、第一偏振型横向剪切干涉仪、第一收集光学系统、第一探测器、信号获取与处理系统、第二偏振型横向剪切干涉仪、第二收集光学系统和第二探测器；其中，目标发出的辐射光由前置光学系统收集准直并由偏振可控相位调制器进行偏振相位调制后，在偏振分光棱镜中分为两束光强相等的光，一束为水平偏振光，另一束为竖直偏振光，其中，第一偏振型横向剪切干涉仪将水平偏振光横向剪切成两束光强相等的光并进行检偏，检偏后的两束光强相等的光由第一收集光学系统汇聚后在第一探测器上干涉成像；第二偏振型横向剪切干涉仪将竖直偏振光在横向剪切成两束光强相等的光并进行检偏，检偏后的两束光强相等的光由第二收集光学系统汇聚后在第二探测器上干涉成像；第一探测器和第二探测器均与信号获取与处理系统相连；第一探测器和第二探测器得到的图像信息送入信号获取与处理系统处理。

进一步地，所述第一偏振型横向剪切干涉仪和第二偏振型横向剪切干涉仪均由第一双折射棱镜、第二双折射棱镜和检偏器组成，所述第一双折射棱镜和第二双折射棱镜的光轴方向垂直并保证剪切方向在XZ平面且关于Z轴对称，其中，X方向为垂直于纸面朝外方向，Y方向为纸面朝上方向，Z方向为纸面朝右方向；检偏器为偏振片，其偏振方向与Y轴平行，这样可以得到最大剪切量和最大调制度。

一种基于上述装置的全偏振高光谱干涉成像方法，它包括以下步骤：

（1）调节偏振可控相位调制器的电压，使其相位延迟量为0，第一探测器采集得到一幅图像信息I_x1，第二探测器采集得到一幅图像信息I_y1，I_x1和I_y1均为光强矩阵，矩阵中的各元素对应各像素点；

（2）依次调节偏振可控相位调制器的相位延迟量为π/2,π和3π/2，并得到各自相位延迟下第一和第二探测器上的图像I_xj和I_yj（i=2,3,4分别对应相位延迟量π/2,π和3π/2），

（3）对于不同相位延迟量调制下的8幅图像I_ij进行数值计算得到图像中各像元点的全偏振信息，用Stokes适量表示为：

[S1S2S3S4]’

其中i=x,y；x和y代表的是第一收集系统得到的光强和第二收集系统出来的光强；

j=1，2，3，4表示第几次调解相位延迟，分别对应于相位延迟量为0、π/2,π和3π/2；

$\left\{\begin{array}{c}S1=I_{x1}+I_{y1}\\ S2=I_{x1}-I_{y1}\\ S3=I_{y3}-I_{x3}\\ S4=\sqrt{2}(I_{x2}-I_{x4})\end{array}\right..$

（4）得到的S1,S2,S3,S4为带有干涉信息的四幅全偏振图像的光强矩阵，对于矩阵中不同的点有着不同的光程差，可利用傅立叶变换获得对应偏振参数下图像的光谱信息：

$B\left(\mathrm{\σ}\right)=\underset{-L}{\overset{L}{\∫}}I\left(\mathrm{\Δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\Δ\σ}\right)\mathrm{d\Δ},$

其中，Δ为光程差，I(Δ)为测得干涉强度信息，σ为波数，L是全偏振高光谱干涉成像装置的最大光程差。

本发明的有益效果是，本发明在干涉成像的高光谱遥感技术基础上，结合目标地物的光偏振属性的测量，使“二维”信息进一步的扩展为“三维”信息，同时还保留了高通量和多光谱通道同时获取的技术特征。由“光偏振相位”、“灰度图像”和“光谱成分”组成的全偏振高光谱遥感成像信息能够进一步的提高目标影像的清晰度及其空间分辨能力，能够进一步提高对遥感目标状况的分析能力，提高遥感测量结果的信息量。

附图说明

图1是本发明全偏振高光谱干涉成像装置的整体结构示意图；

图2是图1中偏振型横向剪切干涉仪的结构示意图；

图3是相位延迟与电压的关系图；

图中，前置光学系统1、偏振可控相位调制器2、偏振分光棱镜3、第一偏振型横向剪切干涉仪4、第一收集光学系统5、第一探测器6、信号获取与处理系统7、第二偏振型横向剪切干涉仪8、第二收集光学系统9、第二探测器10、第一双折射棱镜11、第二双折射棱镜12、偏振片13。

具体实施方式

参照图1，本发明的全偏振高光谱干涉成像装置包括：前置光学系统1、偏振可控相位调制器2、偏振分光棱镜3、第一偏振型横向剪切干涉仪4、第一收集光学系统5、第一探测器6、信号获取与处理系统7、第二偏振型横向剪切干涉仪8、第二收集光学系统9、第二探测器10。

目标发出的辐射光由前置光学系统1收集准直并由偏振可控相位调制器2进行偏振相位调制后，在偏振分光棱镜3中分为两束光强相等的光，一束为水平偏振光，另一束为竖直偏振光，其中，第一偏振型横向剪切干涉仪4将水平偏振光横向剪切成两束光强相等的光并进行检偏，检偏后的两束光强相等的光由第一收集光学系统5汇聚后在第一探测器6上干涉成像；第二偏振型横向剪切干涉仪8将竖直偏振光在横向剪切成两束光强相等的光并进行检偏，检偏后的两束光强相等的光由第二收集光学系统9汇聚后在第二探测器10上干涉成像；第一探测器6和第二探测器10均与信号获取与处理系统7相连；第一探测器6和第二探测器10得到的图像信息送入信号获取与处理系统7处理。

前置光学系统1由光学镜头组成，根据不同的需要选用不同的焦距，其作用是将目标发出的辐射光进行收集、准直和减小杂散光等，对于遥感等远距离探测，由于进入仪器的目标辐射光已经近似于平行，所以将目标的辐射光进行收集和减小杂散光是前置光学系统1的主要目的。

偏振可控相位调制器2是基于液晶材料特殊的电光特性而制成的，具有与光学相位延迟片不同的工作模式。该材料的快轴方向，即极化方向受所加载电场的方向决定。因此，根据应用中需要的快轴方向来设计电极在材料上的分布与电极的形状。相位延迟的改变量则由电压控制，可以在0～2π的范围内。在实际测量中，采用1KHz方波作为调制信号，峰峰值由0V连续变化到10V，液晶快轴方向与起偏器方向成45°角，在相应的工作电压下，检测到的相位延迟量分别为0，π/2,π和3π/2.其中相位延迟与电压的关系如附图3。

在整个系统构架中，偏振可控相位调制器2固定于偏振分光棱镜之前，其快轴方向，即液晶定向方向与水平X轴成-22.5°（-π/8）

偏振分光棱镜3，将入射光分为两束，其光强比为1:1；与此同时，偏振分光棱镜也作为检偏器件将入射光变成一束水平偏振和一束竖直偏振光。

如图2所示，第一偏振型横向剪切干涉仪4和第二偏振型横向剪切干涉仪8均由第一双折射棱镜11、第二双折射棱镜12以及检偏器13组成，第一双折射棱镜11和第二双折射棱镜12的光轴方向垂直并保证剪切方向在XZ平面且关于Z轴对称，其中，X方向为垂直于纸面朝外方向，Y方向为纸面朝上方向，Z方向为纸面朝右方向；检偏器13为偏振片，其偏振方向与Y轴平行，这样可以得到最大剪切量和最大调制度。

第一收集光学系统5和第二收集光学系统9均为能单独成像的透镜组件。

第一探测器6和第二探测器10分别放置于收集光学系统5和9的焦平面处，可以采用面阵探测器（CCD），能够得到目标的两维空间信息和干涉信息。

信号获取与处理系统7可以由普通计算机实现。信号获取与处理系统7的工作过程如下：首先利用偏振可控相位调制器2得到不同的相位延迟量，从而改变偏振相位调制器2的Mueller矩阵，即改变入射光的偏振状态，但不改变光谱成分。然后利用第一偏振型横向剪切干涉仪4和第二偏振型横向剪切干涉仪8将辐射光沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，并由第一光学收集系统5和第二光学收集系统9将剪切后的目标辐射光进行干涉，最后由第一探测器6和第二探测器10采集上述信号后送入计算机进行偏振计算和光谱重构，最终得到高通量目标的全偏振信息，图像信息和光谱信息。

本发明全偏振高光谱干涉成像方法，该方法在上述全偏振高光谱干涉成像装置上实现，包括以下步骤：

（1）调节偏振可控相位调制器的电压2，使其相位延迟量为0，第一探测器采集得到一幅图像信息I_x1，第二探测器采集得到一幅图像信息I_y1，I_x1和I_y1均为光强矩阵，矩阵中的各元素对应各像素点；

（2）依次调节偏振可控相位调制器2的相位延迟量为π/2,π和3π/2，并得到各自相位延迟下第一和第二探测器上的图像I_xj和I_yj（i=2,3,4分别对应相位延迟量π/2,π和3π/2），

（3）对于不同相位延迟量调制下的8幅图像I_ij进行数值计算得到图像中各像元点的全偏振信息，用Stokes适量表示为：

[S1S2S3S4]’

其中i=x,y；x和y代表的是第一收集系统得到的光强和第二收集系统出来的光强；

j=1，2，3，4表示第几次调解相位延迟，分别对应于相位延迟量为0、π/2,π和3π/2

$\left\{\begin{array}{c}S1=I_{x1}+I_{y1}\\ S2=I_{x1}-I_{y1}\\ S3=I_{y3}-I_{x3}\\ S4=\sqrt{2}(I_{x2}-I_{x4})\end{array}\right..$

（4）得到的S1,S2,S3,S4为带有干涉信息的四幅全偏振图像的光强矩阵，对于矩阵中不同的点有着不同的光程差，可利用傅立叶变换获得对应偏振参数下图像的光谱信息：

$B\left(\mathrm{\σ}\right)=\underset{-L}{\overset{L}{\∫}}I\left(\mathrm{\Δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\Δ\σ}\right)\mathrm{d\Δ},$

其中，Δ为光程差，I(Δ)为测得干涉强度信息，σ为波数，L是全偏振高光谱干涉成像装置的最大光程差；

本发明提出的全偏振高光谱干涉成像光谱仪比偏振干涉成像光谱仪多了“一维”目标辐射的偏振信息，同时还具有高通量和多光谱通道同时获取的技术特征，有较高的能量利用率，能够进一步的提高目标影像的清晰度及其空间分辨能力，能够进一步提高对遥感目标状况的分析能力，提高遥感测量结果的信息量。

Claims (8)

1.一种全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，它包括：前置光学成像系统（1）、偏振可控相位调制器（2）、偏振分光棱镜（3）、O光偏振型横向剪切干涉模块（4）、O光成像光学系统（5）、O光成像探测器（6）、信号处理、控制与存储系统（7）、E光偏振型横向剪切干涉模块（8）、E光成像光学系统（9）和E光成像探测器（10）等；其中，目标的散射光由前置光学成像系统（1）收集，并通过受信号处理、控制与存储系统（7）控制的偏振可控相位调制器（2）进行偏振相位调制后，在偏振分光棱镜（3）中分为两束光强相等的线偏振光，一束为O光，另一束为E光，其中，O光偏振型横向剪切干涉模块（4）将透射的O光横向剪切成两束光强相等的偏振光并进行检偏，检偏后的两束光由O光成像光学系统（5）汇聚后在O光成像探测器（6）上干涉成像；E光偏振型横向剪切干涉模块（8）将E光横向剪切成两束光强相等的偏振光并进行检偏，检偏后的两束光由E光成像光学系统（9）汇聚后在E光成像探测器（10）上干涉成像；O光成像探测器（6）和E光成像探测器（10）与信号处理、控制与存储系统（7）相连；O光成像探测器（6）和E光成像探测器（10）采集的图像信息同步送入信号处理、控制与存储系统（7）处理。 

2.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述O光偏振型横向剪切干涉模块（4）和E光偏振型横向剪切干涉模块（8）必须保证对偏振分光棱镜（3）的两个出光面上完全配准的O光和E光图像进行光学剪切分束与检偏。 

3.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述O光成像探测器（6）和E光成像探测器（10）必须保证对O光和E光图像的采集实现高于像素级的图像配准及同步采集。 

4.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述信号处理、控制与存储系统（7）通过对偏振可控相位调制器（2）发出调制信号，以获得必要的偏振相位调制结果，并对O光和E光图像进行同步采集。 

5.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述偏振可控相位调制器（2）可由电光调制型器件或机械型偏振相位调制器件来实现，但不限于此两种偏振调制方式。 

6.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜（3）为宽光谱偏振分光棱镜。 

7.根据权利要求1所述全偏振高光谱干涉成像装置，其特征在于，所述前置光学成像系统（1）由一系列广角及长焦功能的透镜组组成，同时实现成像光路的准直。 

8.一种基于权利要求1所述装置的全偏振高光谱干涉成像方法，其特征在于，它包括以下步骤： 

（1）、设定偏振可控相位调制器（2）的工作状态，使其偏振相位延迟量为某一数值，O光成像探测器（6）采集得到一幅偏振图像信息I_O1，E光成像探测器（10）采集得到另一幅偏振图像信息I_E1；I_O1和I_E1为强度图像的像素矩阵，矩阵中的各元素对应各像素点的图像强度； 

（2）、改变偏振可控相位调制器（2）的工作状态，使其偏振相位延迟量为一系列其他数值，即可得到若干个I_Oi和I_Ei的强度图像像素矩阵； 

（3）、利用上述像素矩阵、偏振可控相位调制器（2）的Mueller矩阵、偏振分光棱镜（3）的Mueller矩阵可以获得表征全偏振信息的Stokes矢量集：[S₁S₂S₃S₄]^T； 

（4）、基于上述获得的Stokes成像结果，并根据高光谱测量的需求，设定波数σ的取值个数，然后对每个以波数σ为中心的对应波段图像所有像元进行反演，利用傅立叶变换获得该目标地物的高光谱信息： 

其中，Δ为O光偏振型横向剪切干涉模块（4）和E光偏振型横向剪切干涉模块（8）在剪切光分量时对应到各像素点上的光程差，S_i(Δ)为Stokes矢量的图像像素强度矩阵（i=1,2,3,4），σ为波数，L是全偏振高光谱干涉成像装置的最大光程差； 

（5）、计算获得的

可根据进一步需求，计算偏振相位角、椭圆率角、倾斜角、方位角、偏振度等图像结果。 

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