CN104180904A - 一种基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统偏振定标方法。首先对红外偏振探测系统在不同偏振检测通道下进行辐射定标，得到系统在不同偏振检测通道下的辐射定标系数。在辐射定标的基础上，完成对红外偏振探测系统仪器米勒矩阵的标定。通过对系统的偏振定标，可以实现对为目标红外偏振探测由定性层面提升到定量的层面，并提高了偏振探测精度，为后续偏振探测定量化研究打下基础。

Description

一种基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统定标方法

技术领域：

本发明涉及基于旋转偏振片的红外分时偏振探测系统的定标方法，提升红外偏振探测技术的探测精度，为后续偏振探测定量化研究打下基础。

背景技术：

偏振探测作为强度探测的有益补充,偏振探测把可用信息从光强、光谱和空间扩展到光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转方向,从而可以获取更多的介质物理和光学参数,这对提高目标探测能力具有重要意义。随着光学偏振遥感技术的发展，红外偏振探测逐步得到应用，为了保证目标红外偏振辐射特性的测量精度，开展目标表面红外偏振特性定量化研究，更好的应用偏振探测技术，需要对偏振探测系统进行偏振标定。

本专利提出一种精密的定标方案，经过实验我们发现不同的偏振检测通道具有不同的偏振敏感性，我们提出了一种在系统多偏振检测通道下进行辐射定标，解决系统存在的偏振敏感性问题，建立每一偏振检测通道下偏振探测系统测量结果与标准偏振辐射源之间的定量关系。在此基础上，我们对探测系统仪器米勒矩阵进行了标定，从而能够进一步修正偏振探测数据的准确性，从而提升偏振探测的精度。

发明内容：

本发明提供了一种基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统的标定方法，旨在解决如何提高红外偏振探测系统探测精度，从而开展目标红外偏振探测的定量化研究。

本发明的基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统的标定方法的技术方案如下：

所述实验方法包含有两部分，探测系统四偏振探测通道辐射定标和仪器米勒矩阵的标定。

其主要组成部分有，黑体、平行光管、起偏器、偏振探测系统，各组成部分功能说明如下：

黑体，红外辐射源；

平行光管，产生平行光；

起偏器，产生不同偏振角度的完全线偏振光；

偏振探测系统，为一分时红外偏振探测系统，探测波段为3～5um，图像像元数为256×256，完成红外偏振数据的采集。

所述实验方法包含以下步骤：

(1)四偏振探测通道辐射定标

分别在红外偏振探测系统的四个偏振探测通道(0°、45°、90°135°)完成对探测器的辐射定标，得到四组定标系数；

具体实施步骤如下：

(1.1)将黑体辐射源放置于偏振探测系统前端，保证辐射充满整个视场；

(1.2)设置黑体在不同温度下，进行数据采集。通过计算机发送指令旋转检偏器偏振检测方向为0°，依次设置黑体温度25℃到90℃，温度间隔为5℃进行偏振辐射量数据的采集。

(1.3)不同偏振检测方向数据的采集。通过计算机发送指令旋转偏振片偏振检测方向依次为45°、90°、135°，重复步骤(1.2)；

(1.4)数据处理，采用最小二乘法进行线性拟合，得出在不同偏振检测通道下辐亮度与探测响应值的拟合曲线，从而求出每个通道下的辐射定标系数。

辐亮度与探测器响应值近似具有一下线性关系，不同偏振探测通道下，可近似表示为：

偏振检测角度为0°时，L_b0＝a₀+b₀DN₀

偏振检测角度为45°时，L_b45＝a₄₅+b₄₅DN₄₅

偏振检测角度为90°时，L_b90＝a₉₀+b₉₀DN₉₀

偏振检测角度为135°时，L_b135＝a₁₃₅+b₁₃₅DN₁₃₅

其中L_b0、L_b45、L_b90、L_b135为辐亮度，DN₀，DN₄₅，DN₉₀，DN₁₃₅为探测器响应值，这样我们求出四组数据(a₀、b₀)，(a₄₅、b₄₅)，(a₉₀、b₉₀)，(a₁₃₅，b₁₃₅)。

(2)探测系统仪器米勒矩阵的标定

通过起偏器，产生四组已知偏振状态的光源，计算出偏振探测系统的仪器米勒矩阵；

(2.1)放置好实验装置，黑体、平行光管、起偏器以及红外偏振探测系统；

(2.2)旋转起偏器，使的起偏角度为0°，产生偏振角度为0°的完全线偏振光，利用红外偏振探测系统完成对数据的采集；

(2.3)旋转起偏器，使的偏振片偏振角度依次为45°、90°、135°时，重复步骤(2.2)。

(2.4)根据四组实验数据，计算出仪器米勒矩阵。

黑体辐射源通过起偏器产生已知偏振态光作为输入：

$S_{\mathrm{input}}=\left(\begin{array}{c}I\\ Q\\ U\\ V\end{array}\right)$

测量仪器响应作为输出：

$S_{\mathrm{output}}=\left(\begin{array}{c}I\\ Q\\ U\\ V\end{array}\right)$

则由关系式：S_output＝M_instr·S_input

求出仪器米勒矩阵为：

$M_{\mathrm{instr}}=\left(\begin{array}{cccc}1& Q\→I& U\→I& V\→I\\ I\→Q& Q\→Q& U\→Q& V\→Q\\ I\→U& Q\→U& U\→U& V\→U\\ I\→V& Q\→V& U\→V& V\→V\end{array}\right)$

我们的偏振探测系统为线偏振探测系统，无法获取圆偏振分量，因此只需选取三组数据，求出系统米勒矩阵为3×3。

(3)将步骤(1)和(2)计算出的四组辐射定标系数与仪器米勒矩阵并代入偏振度计算公式，求出目标定标后偏振度。

附图说明：

图1为本发明实施例的仪器米勒矩阵标定结构框图。

图2为本发明实施例的四通道辐射定标结构框图。

具体实施方式：

下面结合图1-图2对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明，本发明主要分两部分进行实施，系统四偏振探测通道辐射定标和仪器米勒矩阵的标定。黑体是一面源黑体，数控调节温度，能够充满整个探测器视场；起偏器采用Thorlabs公司的ZnSe金属线栅偏振片；偏振探测系统为一分时红外偏振探测系统。

首先，对系统四偏振探测通道辐射定标进行说明，图2是四通道辐射定标结构框图。

本发明标定的是一分时探测的红外偏振系统，对目标进行偏振探测时需要四次探测。由于不同偏振探测通道的偏振敏感性，本发明对四探测通道0°、45°、90°135°分别进行了辐射定标，得到四组定标系数。

具体实施步骤为：

(1.1)将黑体辐射源放置于偏振探测系统前端，保证辐射充满整个视场；

(1.2)设置黑体在不同温度下，进行数据采集。通过计算机发送指令旋转检偏器偏振检测方向为0°，依次设置黑体温度25℃到90℃，温度间隔为5℃进行偏振辐射量数据的采集。

(1.3)不同偏振检测方向数据的采集。通过计算机发送指令旋转偏振片偏振检测方向依次为45°、90°、135°，重复步骤(1.2)；表1为在不同偏振检测通道下，辐射定标数据列表。

(1.4)数据处理，采用最小二乘法进行线性拟合，得出在不同偏振检测通道下辐亮度与探测响应值的拟合曲线，从而求出每个通道下的辐射定标系数。

运用表一中数据，采用最小线性二乘法进行线性拟合，我们求出的四组数据为：

a₀＝-142.2879 b₀＝0.0161，a₄₅＝-141.5976 b₄₅＝0.0160；

a₉₀＝-140.9762 b₉₀＝0.0159，a₁₃₅＝-140.1059 b₁₃₅＝0.0158。

表1辐射定标数据列表

其次，对探测系统米勒矩阵的标定进行说明，图1是仪器米勒矩阵标定结构框图。具体实施步骤为：

(2.1)放置好实验装置，黑体、平行光管、起偏器以及红外偏振探测系统；

(2.2)旋转起偏器，使的起偏角度为0°，产生偏振角度为0°的完全线偏振光，利用红外偏振探测系统完成对数据的采集；

(2.3)旋转起偏器，使的偏振片偏振角度依次为0°、45°、90°、135°时，重复步骤(2.2)，表2为仪器米勒定标数据。

表2

(2.4)根据表2四组实验数据，计算出仪器米勒矩阵。

黑体辐射源通过起偏器产生已知偏振态光作为输入：

偏振角度为0°时，斯托克斯矢量为：{1 1 0}^T；

偏振角度为45°时，斯托克斯矢量为：{1 0 1}^T；

偏振角度为90°时，斯托克斯矢量为：{1 -1 0}^T；

偏振角度为135°时，斯托克斯矢量为：{1 0 -1}^T；

计算得出的测量值为：

偏振角度为0°时，斯托克斯矢量为：{1 0.6973 -0.0388}^T；

偏振角度为45°时，斯托克斯矢为：{1 0.0218 0.5255}^T；

偏振角度为90°时，斯托克斯矢量为：{1 -0.4577 0.0006}^T；

偏振角度为135°时，斯托克斯矢量为：{1 0.0023 0.3557}^T；

从上我们取前三组数据进行求解得出系统仪器米勒矩阵为：

$M_{\mathrm{instr}}=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0.1198& 0.5755& -0.098\\ -0.0191& -0.0197& 0.5446\end{array}\right)$

(3)计算出的四组辐射定标系数与仪器米勒矩阵并代入偏振度计算公式，求出目标定标后偏振度。

Claims (1)

1.一种基于旋转偏振片的分时红外偏振探测系统定标方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)四偏振检测通道的辐射定标

分别在红外偏振探测系统的0°、45°、90°135°四个偏振探测通道完成对探测器的辐射定标，从而得到四组辐射定标系数；

(2)探测系统仪器米勒矩阵的标定

黑体辐射源辐射经平行光管通过起偏器，产生四组已知偏振状态的光源，计算出偏振探测系统仪器米勒矩阵；

(3)将步骤(1)和(2)计算出的四组辐射定标系数与仪器米勒矩阵代入偏振度计算公式，即可求出目标定标后的偏振度。