CN113932922B - 一种偏振光谱成像系统及方法 - Google Patents

一种偏振光谱成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振光谱成像系统及方法，该偏振光谱成像系统包括：偏振调制模块、望远模块与光谱成像模块；偏振调制模块包括消色差1/4波片、多级相位延迟器、偏振分束器；光谱成像模块包括狭缝光栅色散组件、面阵探测器组件；狭缝光栅色散组件包含狭缝、光栅以及反射镜组；目标光束依次经过所述偏振调试模块的消色差1/4波片、多级相位延迟器、偏振分束器后，由望远模块接收并成像在光谱成像模块的狭缝上，狭缝光束经过光栅色散后，由面阵探测器组件接收形成目标像。本发明能够以较高光谱分辨率、较高的系统可靠性与抗环境干扰能力、较低的数据处理难度、较小的系统体积重量，同时获取目标空间、光谱、偏振信息。

Description

一种偏振光谱成像系统及方法
技术领域
本发明涉及偏振光谱成像领域，具体涉及一种偏振光谱成像系统及方法。
背景技术
偏振光谱探测技术在现有光谱成像技术上增加偏振信息探测维度，可以同时获取目标空间、光谱和偏振信息，在气溶胶、臭氧等气体成分探测和目标特性识别等领域具有重要的应用价值。随着数据应用需求的不断提升，高光谱分辨率、高空间分辨率、高数据时效性、产品小型化和可靠性是偏振光谱探测技术的发展趋势。
偏振光谱探测技术目前主要技术方案有以下几种：1)分时探测方式，设置多个偏振状态，各偏振状态依次观测，直到偏振信息完整。缺点是各偏振状态非同时探测，容易产生假偏振现象，不适用于目标信息快速变化的环境，且包含运动部件，系统可靠性受限；2)分孔径探测、分振幅探测方式，前者设置若干光学通道，各通道为独立的辐射、偏振信息探测单元，用以完成不同波段或者相同波段不同偏振状态信息的测量，后者在通道内设置偏振分束器将一束入射光分为偏振方向不同的两束光，一对通道可完成一个波段偏振信息的测量。缺点是不同通道存在的差异会引入假信号，系统庞大复杂，光谱分辨率低，波段数有限；3)光谱调制方式，通过偏振调制模块将目标的偏振信息调制在光谱维，获取光谱并对光谱进行解调，进而得到目标偏振光谱信息。该方式仅需一次测量就可以得到对应目标范围的空间、光谱、偏振信息，但传统的光谱调制方法是对光谱进行干涉调制，再通过傅里叶变换的方式解调出物理信息，其缺点是算法复杂，除存在频谱混叠问题外，其对噪声敏感，且干涉谱易受温度、震动等环境因素干扰。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种偏振光谱成像系统及其方法，以期能够以较高光谱分辨率、较高的系统可靠性与抗环境干扰能力、较低的数据处理难度、较小的系统体积重量，同时获取目标空间、光谱、偏振信息。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
本发明一种偏振光谱成像系统，其特征包括：偏振调制模块、望远模块与光谱成像模块；
所述偏振调制模块包括：消色差1/4波片、多级相位延迟器、偏振分束器；
所述光谱成像模块包括：狭缝光栅色散组件、面阵探测器组件；
所述狭缝光栅色散组件包含：狭缝、光栅以及反射镜组；
目标光束依次经过所述偏振调试模块的消色差1/4波片、多级相位延迟器、偏振分束器后，由所述望远模块接收并成像在所述光谱成像模块的狭缝上，透过狭缝后的光束经过所述光栅的色散后，由面阵探测器组件接收并形成目标像。
本发明所述的一种偏振光谱成像系统的特点也在于，所述消色差1/4波片为一种菲涅耳棱体，所述多级相位延迟器为一种消热差相位延迟器，所述偏振分束器为一种渥拉斯顿棱镜；
所述消色差1/4波片的快轴方向与偏振分束器的两个检偏方向之间为平行或垂直关系，所述多级相位延迟器的快轴方向与消色差1/4波片的快轴方向的夹角为45°，所述狭缝的长度方向与偏振分束器的两个出射光线所形成的平面平行。
系统的推扫方向与狭缝的长度方向垂直。
基于本发明所述的一种偏振光谱成像系统的偏振光谱成像方法的特点包括以下步骤：
步骤1)偏振调制；
消色差1/4波片接收到目标光束后，将所述目标光束的线偏振光转变为圆偏振光，并经过多级相位延迟器的处理，使得不同波长的入射光产生不同相位的延迟，再由偏振分束器产生具有一定离散角的两个光束；所述光束包含偏振信息，且振动方向相互垂直；
步骤2)由望远模块接收两个光束并分别成像在光谱成像模块的狭缝的两个指定位置上；
步骤3)光谱成像；
所述光谱成像模块的光栅对进入狭缝的两个光束分别进行色散处理，并在面阵探测器组件的两个区域上各形成对应部分的目标像；
步骤4)空间、偏振、光谱信息解算；
将面阵探测器组件所接收的目标像在两个区域中具有相同入射角、相同波长的像素进行一一联立计算，得到目标的光谱、偏振及一维空间信息；
步骤5)推扫；
按照垂直于狭缝的长度方向推扫后获取二维空间的偏振光谱信息。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明系统采用光谱调制的方式，可以一次性获取目标空间、光谱、偏振信息，实时性强，解决了传统偏振光谱探测系统非同时探测、多通道探测差异带来的问题，且不含运动部件，系统可靠性强，解决了传统偏振光谱探测系统含有运动部件所带来的问题。
2、本发明相比于传统分孔径、分振幅探测系统的体积明显减小，系统的体积和重量主要集中在光谱成像模块，合理的优化设计可令其重量控制在数公斤内，解决了系统庞大复杂带来的问题。
3、本发明光谱成像模块采用狭缝、光栅进行色散，传统分孔径探测方式通常使用滤光片进行光谱范围的选择，因此本发明系统光谱分辨率显著优于传统的分孔径探测方式所能达到的水平，解决了系统庞大复杂解决了传统偏振光谱探测系统光谱分辨率低、波段数有限带来的问题。
4、本发明将目标偏振信息调制在偏振方向相互垂直的两条光谱上，使得这种差分探测方式相比于传统的干涉式光谱调制的数据处理复杂程度明显降低，不存在频域混叠问题，且差分探测方式配合偏振调制模块的消热差多级相位延迟器，使探测系统稳定，不易受环境温度、震动、噪声影响，解决了传统偏振光谱探测系统算法复杂、频谱混叠、噪声敏感、受温度和震动等环境因素干扰带来的问题。
附图说明
图1是本发明偏振光谱成像系统示意图；
图2是本发明偏振光谱成像方法示意图；
图中标号，1.调制模块，2.望远模块，3.光谱成像模块，1.1.消色差1/4波片，1.2.多级相位延迟器，1.3.偏振分束器，3.1.狭缝光栅色散组件，3.2.面阵探测器组件，3.1.1.狭缝，3.1.2.光栅，3.1.3～3.1.5.反射镜组。
具体实施方式
本实施例中，一种偏振光谱成像系统，如图1所示，包括：偏振调制模块1、望远模块2与光谱成像模块3。
偏振调制模块包括：消色差1/4波片1.1、多级相位延迟器1.2、偏振分束器1.3；
光谱成像模块包括：狭缝光栅色散组件3.1、面阵探测器组件3.2；
狭缝光栅色散组件3.1包含：狭缝3.1.1、光栅3.1.2以及反射镜组；
如图1所示，本实施例中，反射镜组包括了四个反射镜，即3.1.3～3.1.5；各个反射镜的类型、数量、空间位置由狭缝光栅色散组件3.1光路的具体设计决定。优选的，狭缝光栅色散组件设计为offner型，利于组件小型化，图中反射镜3.1.3、3.1.4为球面反射镜，反射镜3.1.5为平面反射镜。
具体实施中，消色差1/4波片1.1为一种菲涅耳棱体，多级相位延迟器1.2为一种消热差多级相位延迟器，偏振分束器1.3为一种渥拉斯顿棱镜；
消色差1/4波片1.1的快轴方向与偏振分束器1.3的两个检偏方向为平行或垂直关系，多级相位延迟器1.2快轴方向与消色差1/4波片1.1的快轴方向夹角为45°，狭缝3.1.1长度方向与偏振分束器1.3两出射光线形成的平面平行。设置系统的推扫方向与狭缝3.1.1长度方向垂直。
目标光束依次经过偏振调试模块的消色差1/4波片1.1、多级相位延迟器1.2、偏振分束器1.3后，由望远模块2接收并成像在光谱成像模块3的狭缝3.1.1上，狭缝3.1.1光束经过光栅3.1.2色散后，由面阵探测器组件3.2接收形成目标像。
本实施例中，一种偏振光谱成像系统的偏振光谱成像方法包括以下步骤：
1)偏振调制，即偏振调制模块1将目标偏振信息调制到光谱维度的过程。
目标光束经过消色差1/4波片1.1，线偏振光转变为圆偏振光，经过多级相位延迟器1.2使不同波长入射光产生不同相位延迟，再由偏振分束器1.3产生两个有一定离散角的包含偏振信息的振动方向相互垂直的光束，其中，振动方向与消色差1/4波片1.1的快轴方向平行的称作P光，另一光束称作S光；
2)偏振分束器1.3输出的有一定离散角的两个光束，由望远模块2进行接收，并分别成像在光谱成像模块3狭缝3.1.1的两个指定位置上；
3)光谱成像；
光谱成像模块3的光栅3.1.2对进入狭缝3.1.1的两个光束(S、P光)分别进行色散，在面阵探测器组件3.2的两个区域，如图2所示，形成目标像；
4)空间、偏振、光谱信息解算；
如图2所示，将面阵探测器组件3.2所接收目标像的两个区域中相同入射角θ、相同波长λ对应的像素一一联立计算，使得目标的光谱、偏振及一维空间信息即可同时获得，形成一维信息阵列，各个信息单元包含对应空间单元(即入射角θ)的光谱、偏振信息。
计算过程主要为：
4.1)首先找出在同一视场角下S光和P光调制光谱，并利用辐射定标结果计算调制光谱辐亮度值Is(λ)和Ip(λ)。
4.2)对调制光谱进行归一化处理得到纯调制信息，如式(1)：
式(1)中,P(λ)为入射光偏振度，φ(λ)为入射光偏振方位角，δ(λ)为多级波片相位延迟量。
4.3)通过分调制周期进行最小二乘拟合求得在该中心波长处入射光的偏振度及偏振方位角，计算方法如下：
式(2)中,Mi为实测值，N为拟合点数。调制周期与中心波长关系为：
式(3)中，λ0为中心波长值，δ(λ0)为该中心波长处多级波片延迟量。
4.4)最后通过移动调制周期的光谱窗口获得整个工作谱段内的偏振信息。
5)推扫；
通过垂直于狭缝3.1.1长度方向的推扫，即可获取二维空间的偏振光谱信息，即由推扫过程中的N幅观测图像所解出的(1N个一维信息阵列，按时间顺序(T1、T2…)沿推扫方向排列所形成的二维信息阵列，如图2所示。

Claims (2)

1.一种偏振光谱成像系统的偏振光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）偏振调制；
消色差1/4波片(1.1)接收到目标光束后，将所述目标光束的线偏振光转变为圆偏振光，并经过多级相位延迟器(1.2)的处理，使得不同波长的入射光产生不同相位的延迟，再由偏振分束器(1.3)产生具有一定离散角的两个光束；所述光束包含偏振信息，且振动方向相互垂直；
步骤2）由望远模块接收两个光束并分别成像在光谱成像模块(3)的狭缝(3.1.1)的两个指定位置上；
步骤3）光谱成像；
所述光谱成像模块(3)的光栅(3.1.2)对进入狭缝的两个光束分别进行色散处理，并在面阵探测器组件(3.2)的两个区域上各形成对应部分的目标像；
步骤4）空间、偏振、光谱信息解算；
将面阵探测器组件(3.2)所接收的目标像在两个区域中具有相同入射角、相同波长的像素进行一一联立计算，得到目标的光谱、偏振及一维空间信息，并形成一维信息阵列，各个信息单元包含对应空间单元，即入射角θ的光谱、偏振信息；
步骤5）推扫；
按照垂直于狭缝(3.1.1)的长度方向推扫后获取二维空间的偏振光谱信息，即由推扫过程中的N幅观测图像所解出的1N个一维信息阵列，按时间顺序沿推扫方向排列所形成的二维信息阵列。
2.根据权利要求1所述的偏振光谱成像方法的偏振光谱成像系统，其特征在于，包括：偏振调制模块(1)、望远模块(2)与光谱成像模块(3)；
所述偏振调制模块(1)包括：消色差1/4波片(1.1)、多级相位延迟器(1.2)、偏振分束器(1.3)；
所述光谱成像模块(3)包括：狭缝光栅色散组件(3.1)、面阵探测器组件(3.2)；
所述狭缝光栅色散组件(3.1)包含：狭缝(3.1.1)、光栅(3.1.2)以及反射镜组；
目标光束依次经过所述偏振调试模块(1)的消色差1/4波片(1.1)、多级相位延迟器、偏振分束器后，由所述望远模块(2)接收并成像在所述光谱成像模块(3)的狭缝(3.1.1)上，透过狭缝(3.1.1)后的光束经过所述光栅(3.1.2)的色散后，由面阵探测器组件(3.2)接收并形成目标像：
所述消色差1/4波片(1.1)为一种菲涅耳棱体，所述多级相位延迟器(1.2)为一种消热差相位延迟器，所述偏振分束器(1.3)为一种渥拉斯顿棱镜；
所述消色差1/4波片(1.1)的快轴方向与偏振分束器(1.3)的两个检偏方向之间为平行或垂直关系，所述多级相位延迟器(1.2)的快轴方向与消色差1/4波片(1.1)的快轴方向的夹角为45°，所述狭缝(3.1.1)的长度方向与偏振分束器(1.3)的两个出射光线所形成的平面平行；
系统的推扫方向与狭缝(3.1.1)的长度方向垂直。
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