CN106768341A - 一种广域多角度偏振光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

一种广域多角度偏振光谱成像系统，由广角近远心成像镜组、准直扩束镜组、偏振光谱调制模块、中继成像镜组、狭缝阵列、传像模块、光栅成像光谱仪、面阵探测器组件和数据处理单元组成；入射光经过近远心成像镜组后实现第一次成像，再经过准直扩束镜组后，形成具有一定视场角的平行光束，平行光束入射到偏振光谱调制模块，实现对光束偏振态的调制，经过中继成像镜组实现第二次成像，狭缝阵列摆放在第二次成像的像面处，狭缝阵列的作用是实现多角度观测，利用传像模块将多个狭缝对应的像面重新排列，作为光栅成像光谱仪的输入，光栅成像光谱仪获取经过偏振调制的多种观测角度的光谱色散数据，经数据处理单元，解调出多种观测角度的偏振光谱成像数据。

Description

一种广域多角度偏振光谱成像系统

技术领域

本发明属于光学遥感技术领域，涉及一种广域多角度偏振光谱成像系统。

背景技术

广域多角度偏振光谱成像系统是指采用广角成像、多角度观测、光谱成像、偏振成像模式，多用于大气探测，也可应用在地质资源探测、农林植被监测、水体海岸带环境监测、自然灾害监测、城市规划等多种其它领域。成像系统能够对目标的偏振光谱信息进行测量，由于不同目标具有各自一定的偏振光谱特性，对偏振光谱参数进行测量就能很好地表征被探测目标的性质特征，从而使其成为光学遥感的有效手段。

目前国内外现有的可实现广域多角度偏振光谱成像的系统不多，成功应用的典型代表为法国POLDER航天卫星载荷和中国的DPC航空载荷，二者采用近似的技术方案和指标，主要采用旋转偏振片、滤光片配合面阵探测器的传统技术方案，对于传统技术方案，实现广域成像、多角度观测、多光谱或高光谱成像、偏振成像的方式为：

广域成像方式：采用广角镜头配合面阵探测器实现；

多角度观测：在航空航天平台运动过程中，利用光学镜头的不同视场，实现多角度观测；

光谱获取方式：采用多组滤光片进行几个典型应用谱段的选取，谱段范围为可见光和近红外谱段，具备偏振探测能力的谱段数量为3个。

偏振获取方式：利用多个偏振片获取目标的3种线偏振信息。

传统技术方案因为采用旋转机构，因此不能进行同时偏振探测，各个偏振态是非同时获取，存在时间间隔。目前国内外采用传统技术方案，存在机械转动、非同时探测、偏振探测谱段数量少等缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服传统技术方案的不足，提出一种广域多角度偏振光谱成像系统，克服传统技术存在机械转动的缺点，无运动部件能够保证系统在稳定状态下长期连续探测，大大延长使用寿命。

本发明的技术方案是：一种广域多角度偏振光谱成像系统，包括广角近远心成像镜组、准直扩束镜组、偏振光谱调制模块、中继成像镜组、狭缝阵列、传像模块、光栅成像光谱仪和数据处理单元；入射光经过广角近远心成像镜组后实现第一次成像，经过准直扩束镜组后形成具有一定视场角的平行光束，平行光束入射到偏振光谱调制模块实现对光束偏振态的调制，再经过中继成像镜组实现第二次成像；狭缝阵列摆放在第二次成像的像面处，实现多角度观测；传像模块将从狭缝阵列出射的多个狭缝对应的像面重新排列成一列，作为后端光栅成像光谱仪的输入，光栅成像光谱仪获取经过偏振光谱调制的多种观测角度的光谱色散数据，送至数据处理单元解调出多种观测角度的偏振光谱成像数据。

所述的偏振光谱调制模块包括从左向右依次排列的2个相位延迟器和1个检偏器，其中第一相位延迟器的快轴方向与第二相位延迟器的快轴方向成45°角，检偏器的透光轴方向与第一相位延迟器的快轴方向平行。

所述的广角近远心成像系统的系统视场≥100°×100°。

所述的传像模块为光纤板或光锥组件。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明具备传统技术方案的所有功能，包括广角成像、多角度观测、光谱成像、偏振成像等，同时能够解决传统技术方案的不足，包括存在机械转动、非同时探测、只能进行线偏振探测、偏振探测谱段数量少等缺点。具体优点表现在：

(1)采用Fourier变换静态偏振光谱调制测量方法，配合广角镜头、准直扩束镜组、中继成像镜组、狭缝阵列、光纤板/光锥传像以及光谱成像系统，整个系统没有运动机构，克服传统技术方案存在机械转动的缺点，无运动部件能够保证系统在稳定状态下长期连续探测，大大延长使用寿命。

(2)成像系统能够同时进行偏振和光谱探测，克服了传统技术方案非同时探测的缺点，同时探测能够保证获取更高精度的数据。

(3)成像系统能够对4个Stokes参量探测，即具备全偏振探测能力，而传统技术方案只能对3个Stokes参量探测，只能探测线偏振，不能探测圆偏振，即不具备全偏振探测能力。

(4)成像系统能够获取几十个偏振谱段的探测数据，而传统技术方案仅获取三个偏振谱段的探测数据，偏振光谱探测数据量得到极大提升。

附图说明

图1为本发明系统的原理图；

图2为本发明系统中的偏振光谱调制模块；

图3为本发明系统中的利用传像模块将狭缝阵列像面重新排列示意图；

图4为本发明系统在推扫成像模式下实现多角度和连续覆盖观测示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统组成包括：广角近远心成像镜组1、准直扩束镜组2、偏振光谱调制模块3、中继成像镜组4、狭缝阵列5、传像模块6、光栅成像光谱仪7和数据处理单元8。前端采用广域近远心成像系统，系统视场≥100°×100°，入射光经过广角近远心成像镜组后实现第一次成像，经过准直扩束镜组后，形成具有一定视场角的平行光束，平行光束入射到偏振光谱调制模块，实现对光束偏振态的调制，经过中继成像镜组实现第二次成像，狭缝阵列摆放在第二次成像的像面处，狭缝阵列的作用是实现多角度观测，利用光纤板/光锥将多个狭缝对应的像面重新排列成一列，作为后端光栅成像光谱仪的输入，后端光谱仪成像光谱仪，采用光栅成像光谱仪技术方案。光栅成像光谱仪可获取经过偏振调制的多种观测角度的光谱色散数据，经过数据处理单元，可解调出多种观测角度的偏振光谱成像数据；所述传像模块6为光纤板或光锥组件

如图2所示，偏振光谱调制模块由2个相位延迟器和1个检偏器组成，其中第一相位延迟器的快轴方向与第二相位延迟器的快轴方向成一定角度，以45°角为例说明调制解调原理，检偏器的透光轴方向与第一相位延迟器的快轴方向平行。偏振测量采用Fourier变换静态偏振光谱调制测量方法，利用一次测量获得目标的4个完整Stokes矢量。

假设入射光的Stokes矢量为：

S_in＝(S₀(σ) S₁(σ) S₂(σ) S₃(σ))^T

检偏器的穆勒矩阵为：

假设单个延迟器(两个延迟器都遵循此规则)的相位延迟为φ(σ)，快轴方向角度θ，σ为波数，σ＝1/λ，λ为光波波长，则单个延迟器的穆勒矩阵为：

第一相位延迟器的快轴角度设为0°，则第二相位延迟器的快轴角度为45°，则出射光的Stokes矢量为：

上式中，等号左边为静态调制模块出射光的Stokes矢量元素谱矩阵，等号右边从左至右分别为检偏器的穆勒矩阵、第二相位延迟器的穆勒矩阵、第一相位延迟器的穆勒矩阵和入射光的Stokes矢量元素谱矩阵。

用P(σ)表示S₀′(σ)，即出射光的输出功率谱：

其中，φ₁(σ)和φ₂(σ)分别为第一相位延迟器的相位延迟、第二相位延迟器的相位延迟，与波数间的关系为φ₁(σ)＝2πΔn₁D₁σ，φ₂(σ)＝2πΔn₂D₂σ，其中Δn₁表示第一相位延迟器中O光和E光的折射率差，D₁表示第一相位延迟器的厚度，Δn₂表示第二相位延迟器中O光和E光的折射率差，D₂表示第二相位延迟器的厚度。当延迟器的厚度一定时，延迟量与波数是线性关系。P(σ)可看作入射光Stokes矢量元素谱经不同频率载波调制后的线性迭加(频域干涉)，从而实现对入射光偏振、光谱信息的强度调制功能。

设L₁＝Δn₁D₁，L₂＝Δn₂D₂，则有：

φ₁(σ)＝2πΔn₁D₁σ＝2πL₁σ

φ₂(σ)＝2πΔn₂D₂σ＝2πL₂σ

L₁表示O光和E光在经过第一相位延迟器过程中产生的光程差，L₂表示O光和E光在经过第二相位延迟器过程中产生的光程差。

令S₂₃(σ)＝S₂(σ)+i×S₃(σ)，则有

S₂(σ)＝|S₂₃(σ)|×cos(arg{S₂₃(σ)})

S₃(σ)＝|S₂₃(σ)|×sin(arg{S₂₃(σ)})

符号arg表示复数的辐角，i表示复数的虚数部分。

将φ₁(σ)、φ₂(σ)、S₂(σ)、S₃(σ)的表达式代入功率谱表达式P(σ)，整理得到：

符号*表示共轭复数；

对上式进行逆傅里叶变换，得到自相关函数C(h)，表达式为：

C(h)＝A₀(h)+A₁(h-(L₂-L₁))+A₁ ^*(-h-(L₂-L₁))+A₂(h-L₂)+A₂ ^*(-h-L₂)+A₃(h-(L₂+L₁))+A₃ ^*(-h-(L₂-L₁))

其中，

对自相关函数C(h)进行滤波处理，截取其中的A₀(h)、A₁(h-(L₂-L₁))和A₂(h-L₂)这3项，分别对截取的3项进行傅里叶变换，得到：

根据上面3个表达式，可推出目标的Stokes矢量计算公式为：

S₀(σ)＝2×F{A₀(h)}

偏振光谱调制模块后端是成像模块，在成像模块的像面处，放置多个狭缝，实现多种观测角度的观测。如图3所示，光纤板/光锥一端连接狭缝阵列对应的像面，将狭缝处多阵列像面重新排列，形成单一的长阵列像面，长阵列像面作为后端光谱仪的输入。采用光纤板可实现等大传像，采用光锥可缩小像面，减小后端光谱仪的尺寸。

如图4所示，系统可搭载在航空机载或航天星载平台，利用平台运动实现推扫成像，在推扫成像模式下实现多角度观测和连续覆盖观测。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种广域多角度偏振光谱成像系统，其特征在于：包括广角近远心成像镜组(1)、准直扩束镜组(2)、偏振光谱调制模块(3)、中继成像镜组(4)、狭缝阵列(5)、传像模块(6)、光栅成像光谱仪(7)和数据处理单元(8)；入射光经过广角近远心成像镜组(1)后实现第一次成像，经过准直扩束镜组(2)后形成具有一定视场角的平行光束，平行光束入射到偏振光谱调制模块(3)实现对光束偏振态的调制，再经过中继成像镜组(4)实现第二次成像；狭缝阵列(5)摆放在第二次成像的像面处，实现多角度观测；传像模块(6)将从狭缝阵列(5)出射的多个狭缝对应的像面重新排列成一列，作为后端光栅成像光谱仪(7)的输入，光栅成像光谱仪(7)获取经过偏振光谱调制的多种观测角度的光谱色散数据，送至数据处理单元(8)解调出多种观测角度的偏振光谱成像数据。

2.根据权利要求1所述的一种广域多角度偏振光谱成像系统，其特征在于：所述的偏振光谱调制模块包括从左向右依次排列的2个相位延迟器和1个检偏器，其中第一相位延迟器的快轴方向与第二相位延迟器的快轴方向成45°角，检偏器的透光轴方向与第一相位延迟器的快轴方向平行。

3.根据权利要求1所述的一种广域多角度偏振光谱成像系统，其特征在于：所述的广角近远心成像系统的系统视场≥100°×100°。

4.根据权利要求1所述的一种广域多角度偏振光谱成像系统，其特征在于：所述的传像模块(6)为光纤板或光锥组件。