CN105758625B - 一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置及方法。该测量装置包括光源、准直透镜组、第一起偏器、第二起偏器、光电探测器、保偏扩束镜和遥感仪器。光束经由两个起偏器进行线偏振光调制，从而检测遥感仪器的线偏振灵敏度。所述测量方法为：1)精确校准两个起偏器的起偏角度；2)旋转第二起偏器，并利用遥感仪器进行光强探测，计算遥感仪器的相对光学效率曲线；3)变更第一起偏器的起偏角度，重复2)获得多条光学效率曲线，整合数据计算线偏振灵敏度。本发明的优点在于传输光的偏振状态明确，可用公式精确描述，无需退偏处理，克服了退偏效果差带来的线偏振灵敏度测量误差大的缺点，适用于精确测量遥感仪器的线偏振灵敏度。

Description

一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振光谱技术领域，具体涉及一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置及方法。

背景技术

偏振灵敏度描述的是仪器的光学系统对入射光的偏振态的敏感程度，它反映的是：在入射光的偏振态发生变化时，从系统中出射光强的变化。在实际描述光学系统偏振敏感特性时，常采用线偏振灵敏度(LPS)来进行表征系统的偏振灵敏度，其定义为：当一束完全线偏振光入射到一个光学系统中时，在入射线偏振光的偏振方向旋转180度的过程中，设出射光强度的最大值和最小值分别为I_max和I_min，则线偏振灵敏度的数学表达式为：LPS＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)。

地物目标的辐射光的偏振状态本身包含丰富的信息，但对于某些遥感仪器来讲却是一个重要的干扰信息，如大气层反射光的偏振状态变化对于水色遥感仪器的水色信息反演来讲是很大的干扰项，因此需控制好线偏振灵敏度。在先进的遥感仪器研制中，往往将线偏振灵敏度作为一个重要的技术指标，一般来讲希望其值越小越好。在传统的遥感仪器的偏振灵敏度测量方案中，往往需要将光源先退偏成自然光或伪自然光，使其在各个偏振方向上的光强一致，然后经由起偏器起偏获得各个偏振方向光强一样的线偏振光，对于起偏器转动过程中遥感仪器检测到的光强变化就可以反映了仪器本身的线偏振灵敏度特性。然而，这种方案中，光源的偏振度影响很大，一般很难获得完美的零偏振度的光，这对仪器线偏振灵敏度的测量带来很大的不确定性，一般有1％左右的绝对测量误差。另外，对于采用双折射率晶体退偏器的测量方案，还存在光束分离的问题，不适用于远程测量光路。

发明内容

本发明目的在于提出了一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置及方法，可以实现更高的线偏振灵敏度测量精度，减小测量的不确定性。

本发明提出的一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其特征在于包括：光源1、准直透镜组2、第一起偏器3、第二起偏器4、光电探测器5、保偏扩束镜6和遥感仪器7；光源1发出的光经准直透镜组2进行准直，以准直光出射，经由第一起偏器3和第二起偏器4进行线偏振光的调制，并由光电探测器5完成校准，然后经由保偏扩束镜6进行扩束，最后进入遥感仪器7，检测遥感仪器7的线偏振灵敏度。光束在测量装置中传输过程的偏振状态变化如图2所示。

所述光源1为白光、单色光或光谱调制光。

所述准直透镜组2为消色差透镜组，并经由光阑控制杂散光。

所述第一起偏器3、第二起偏器4为格兰-汤普森棱镜或格兰-泰勒棱镜，安装在中空电动转台的轴心上进行起偏角度α和β的控制；

所述光电探测器5探测面积大于光束截面，完全接收光束，为可拆卸式安装；

所述保偏扩束镜6的光线分布在0～15°入射角范围，反射镜表面镀制银膜加介质保护膜的保偏膜系；

本发明提出的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置的测量方法的特征在于包含以下测量步骤：

1)将光电探测器5放入光路中的位置，记录所述第一起偏器3的转台角度，设为α＝0位置，转动所述第二起偏器4并记录下随着转动而变化的光强曲线，该曲线为关于第二起偏器4起偏角度的三角函数曲线，利用三角函数拟合或偏振消光原理精确校准两个起偏器的起偏角度，记消光角度为β＝90°或270°位置；

2)将光电探测器5卸载，固定所述第一起偏器3的起偏角度α，旋转所述第二起偏器4，利用遥感仪器7测量获得各遥感通道光强随着β角变化的曲线I_out(β)，根据马吕斯定律，可以知道待测遥感仪器7的光学效率σ正比于I_out(β)/cos²(β-α)，即σ＝A·I_out(β)/cos²(β-α)，A为权重，可以获得遥感仪器7的相对光学效率曲线；

3)变换α值进行多次测量，对于相同的β角度，σ不变并设为基准光学效率，可建立关系式获得不同α角度的权重A的相对关系，进而获得β变化180°过程中的样品光传递效率曲线相对值，设最大值为σ_max，最小值为σ_min，则遥感仪器7的线偏振灵敏度为LPS＝(σ_max-σ_min)/(σ_max+σ_min)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)不需进行退偏处理，没有退偏不完全导致的测量不确定性，测量精度高；

2)完全偏振光传递，可以实现明确的公式表达，有利于分析测量误差来源；

3)不存在测量光束分离现象，可用于远程光路测量。

附图说明

图1为测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置结构示意图，图中1为光源，2为准直透镜组、3为第一起偏器、4为第二起偏器、5为光电探测器、6为保偏扩束镜、7为遥感仪器。

图2为光束在测量装置中传输过程的偏振状态变化，图中8为经过准直透镜组2后的部分偏振光，9为经过第一起偏器3后偏振角度为α的线偏振光，10为经过第二起偏器4后偏振角度为β的线偏振光。

具体实施方式

下面根据实例，来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，测量装置包括光源1、准直透镜组2、第一起偏器3、第二起偏器4、光电探测器5、保偏扩束镜6和遥感仪器7。光源1采用欧司朗12v75w卤素灯，对应电源为稳流电源，光源短时间不稳定性小于0.1％，信噪比大于1000:1；准直透镜组2为熔石英与氟化钙透镜组成的消色差透镜组，消色差范围400-900nm；第一起偏器3和第二起偏器4采用方解石制作的格兰-泰勒棱镜，分别安装在步进马达控制的转台中空轴上，转台的转动角度重复精度优于1′；准直后的光束通光口径小于等于10mm；光电探测器5采用单元的硅探测器，探测面元尺寸为10mm口径；保偏扩束镜6为卡塞格林结构，光线为准直进出，扩束后的光束口径最大可达300mm，反射镜上镀Ag、Al₂O₃和SiO₂的保偏反射膜系，保证任意光线的工作入射角度的偏振灵敏度小于0.1％。将待测遥感仪器7安装在图1所示位置，使光束进入遥感仪器7的视场范围内，从而可以获得各个探测波段的光强值。

开始测量遥感仪器7的线偏振灵敏度前，需要进行两个起偏器的起偏角度的校准，步骤如下：安装光电探测器5，设定第一起偏器3转台的当前角度为α＝0°位置，转动所述第二起偏器4并记录下随着第二起偏器4转动而变化的光强曲线，该曲线为关于第二起偏器4起偏角度β的三角函数曲线，将该曲线进行归一化处理，则曲线变成了为cos²β函数曲线，利用三角函数曲线拟合可以精确校β角的位置，记消光角度为β＝90°或270°位置，从而确定了β的基准角度位置；固定第一起偏器3到α_n角度，然后转动β角，记录光电探测器5随着β角的光强变化曲线，并进行归一化处理，则归一化后的曲线为函数cos²(β-α_n)函数曲线，同时可获得归一化权重为C_n，从而完成了第一起偏器3和第二起偏器4的校准。

卸载掉探测器5，可以直接从遥感仪器获得各个遥感通道的光强探测值，首先将第一起偏器3转到α＝45°位置，转动β角，可以获得任意β角的光强探测值I_out(β)，根据马吕斯定律，可以知道待测遥感仪器的光学效率σ正比于I_out(β)/cos²(β-α)，即σ＝A·I_out(β)/cos²(β-α)，A为权重；设定β＝90°的光学效率σ为1，则可以获得α＝45°时的权重A₄₅相对光学效率曲线。将第一起偏器3转到α＝135°位置，重复以上测量，同样将β＝90°的光学效率σ设为1，可以获得获得α＝135°时的权重A₁₃₅及相对光学效率曲线。此时，α＝45°和α＝135°状态下测量得到的相对光学效率曲线为同一曲线，根据曲线的信噪比分布进行取舍，对于0°≤β≤90°，取α＝45°的相对光学效率曲线，对于90°≤β≤180°，取α＝135°的相对光学效率曲线，从而获得0°≤β≤180°的遥感仪器的光学效率曲线。设最大值为σ_max，最小值为σ_min，则遥感仪器7的线偏振灵敏度为LPS＝(σ_max-σ_min)/(σ_max+σ_min)。

Claims (6)

1.一种测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，包括光源(1)、准直透镜组(2)、第一起偏器(3)、第二起偏器(4)、光电探测器(5)、保偏扩束镜(6)和遥感仪器(7)；其特征在于:

光源(1)发出的光经准直透镜组(2)进行准直，以准直光出射，经由第一起偏器(3)和第二起偏器(4)进行线偏振光的调制，并由光电探测器(5)完成校准，然后经由保偏扩束镜(6)进行扩束，最后进入遥感仪器(7)，检测遥感仪器(7)的线偏振灵敏度；

其线偏振灵敏度的检测步骤如下：1)将光电探测器(5)放入光路中的位置，记录所述第一起偏器(3)的转台角度，设为α＝0位置，转动所述第二起偏器(4)并记录下随着转动而变化的光强曲线，该曲线为关于第二起偏器(4)起偏角度的三角函数曲线，利用三角函数拟合或偏振消光原理精确校准两个起偏器的起偏角度，记消光角度为β＝90°或270°位置；2)将光电探测器(5)卸载，固定所述第一起偏器(3)的起偏角度α，旋转所述第二起偏器(4)，利用遥感仪器(7)测量获得各遥感通道光强随着β角变化的曲线I_out(β)，根据马吕斯定律，可以知道待测遥感仪器(7)的光学效率σ正比于I_out(β)/cos²(β-α)，即σ＝A·I_out(β)/cos²(β-α)，A为权重，可以获得遥感仪器(7)的相对光学效率曲线；3)变换α值进行多次测量，对于相同的β角度，σ不变并设为基准光学效率，可建立关系式获得不同α角度的权重A的相对关系，进而获得β变化180°过程中的样品光传递效率曲线相对值，设最大值为σ_max，最小值为σ_min，则遥感仪器(7)的线偏振灵敏度为LPS＝(σ_max-σ_min)/(σ_max+σ_min)。

2.根据权利要求1所述的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其中该光源(1)为白光、单色光或光谱调制光。

3.根据权利要求1所述的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其中该准直透镜组(2)为消色差透镜组，并经由光阑控制杂散光。

4.根据权利要求1所述的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其中该第一起偏器(3)、第二起偏器(4)为格兰-汤普森棱镜或格兰-泰勒棱镜，安装在中空电动转台的轴心上进行起偏角度α和β的控制。

5.根据权利要求1所述的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其中该光电探测器(5)探测面积大于光束截面，完全接收光束，为可拆卸式安装。

6.根据权利要求1所述的测量遥感仪器的线偏振灵敏度的装置，其中该保偏扩束镜(6)的光线分布在0～15°入射角范围，反射镜表面镀制银膜加介质保护膜的保偏膜系。