DE112015005265T5

DE112015005265T5 - System und Verfahren zur Objektfernerkundung

Info

Publication number: DE112015005265T5
Application number: DE112015005265.8T
Authority: DE
Inventors: Giovane Milione; Ting Wang; Neda CVIJETIC
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: NEC Laboratories America Inc
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-09-07
Also published as: JP6864617B2; WO2016081805A1; US20160146937A1; JP2017535779A; US9720075B2

Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Objekt-Fernerkundung, welches aufweist einen räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl (104) der gerichtet wird auf das entfernte Objekt (106). Ein Polarimetrie-Empfänger (116) empfängt den Lichtstrahl, nachdem er das entfernte Objekt kontaktiert. Die Veränderungen in dem räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl durch das Kontaktieren des entfernten Objektes sind ein Ergebnis von räumlichen Merkmalen des entfernten Objekts. Der Polarimetrie-Empfänger ist konfiguriert zum Messen des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes des Lichtstrahls, nachdem er das entfernte Objekt kontaktiert hat und zum Berechnen der Veränderungen in dem räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl zum Detektieren von räumlichen Merkmalen des entfernten Objekts. Das System erhält hochauflösende Echtzeit Informationen betreffend wichtige räumliche Merkmale entfernten Objekts.

Description

INFORMATIONEN BETREFFEND VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Provisional Application mit der Anmeldenummer 62/082,716 eingereicht am 21. November 2014, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Objektfernerkundung und genauer Systeme und Verfahren zur Objektfernerkundung durch Messen der Veränderung in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation eines räumlich inhomogen polarisierten Lichtstrahls.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt verschiedene bekannte Verarbeitungssysteme und Verfahren für Objektfernerkundung. Beispielsweise kann Light Detection and Ranging (LIDAR) verwendet werden, um topographische Informationen über ein Objekt zu erlangen. LIDAR umfasst das Messen der Laufzeit eines Lichtstrahls zu und von einem Objekt. LIDAR reduziert jedoch die Merkmalsauflösung auf die Größe des Flex des Lichtstrahls, was in reduzierter Auflösung resultiert, wenn sich die Entfernung zu dem Objekt vergrößert.
Optical Angular Momentum (OAM) Spektroskopie wurde auch zur Objektfernerkundung verwendet. Bei der OAM Spektroskopie wird ein Lichtstrahl auf das interessierende Objekt gerichtet und das OAM Spektrum, das aus der nachfolgenden Licht-Materie-Interaktion resultiert, wird gemessen. Während OAM-Spektroskopie verglichen mit LIDAR eine höhere Auflösung erzielt, erfordert die OAM-Spektroskopie eine sehr feine und komplexe Steuerung von Flüssigkristallen-auf-Silizium-räumliche-Licht Modulatoren auf der Sender und/oder Empfängerseite, um das optische OAM-Spektrum zu erzeugen und zu messen. Daneben sind OAM-Spektren schwierig genau zu messen basierend auf einer hohen Sensitivität bezüglich Fehlausrichtung und Übersprechen. Aus diesem Grund wäre ein System und Verfahren für Objektfernerkundung hochgradig vorteilhaft, das genaue Hochauflösung und Echtzeit-Merkmalsdetektion liefert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren für Objektfernerkundung, welches die Schritte des Erzeugung eines räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahls erfasst sowie das Ausrichten des Strahls auf ein entferntes Objekt. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Empfangens eines Ausgangs-Lichtstrahls aufweisend den räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl nachdem der Lichtstrahl das entfernte Objekt kontaktiert hat, durch einen Polarimetrie-Empfänger. Das elektrische Feld des Ausgangs-Lichtstrahls wird gemessen und die Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls werden ermittelt. Die räumlichen Merkmale des entfernten Objekts können bestimmt werden durch die Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls.
Ein System zur Objekt-Fernerkundung, welches eine Erzeugungseinheit für einen räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl einschließt, die konfiguriert ist, zur Erzeugung eines räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahls und zum Richten des Lichtstrahls auf ein entferntes Objekt. Das System beinhaltet ferner einen Polarimetrie-Empfänger, der konfiguriert ist zum empfangen eines Ausgangs-Lichtstrahls, der den räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl umfasst, nachdem der Lichtstrahl das entfernte Objekt kontaktiert hat. Der Polarimetrie-Empfänger beinhaltet einen Prozessor, Speicher und ein Interface. Der Speicher ist konfiguriert zum Speichern eines Berechnungsmoduls, welches ein elektrisches Feld des Ausgangs-Lichtstrahls berechnet und Veränderungen ermittelt in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls.
Diese und andere Merkmale und Vorteile werden ersichtlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibungen und illustrativen Ausführungsbeispielen hiervon, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen sind
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Offenbarung wird Details in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele liefern unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren, wobei:
1 ist ein Block/Flussdiagramm, das illustrativ ein System für Objektfernerkundung darstellt;
2 ist ein weiteres Block/Flussdiagramm, das illustrativ ein weiteres System für Objektfernerkundung in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien darstellt;
3 ist ein illustratives Beispiel von Bildgebung erzeugt durch den Polarimetrie-Empfänger in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien;
4 ist ein illustratives Beispiel von Stokes-Parametern berechnet durch den Polarimetrie-Empfänger in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien;
5 ist ein illustratives Beispiel einer vollen elektrischen Feldrekonstruktion erzeugt durch den Polarimetrie-Empfänger in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien;
6 ist ein Vektor-Moden-Spektrum ermittelt durch den Polarimetrie-Empfänger in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien;
7 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zur Objektfernerkundung in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien darstellt;
8 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zum Erzeugen eines räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahls in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel darstellt; und
9 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zum empfangen des Ausgangs-Lichtstrahls durch einen Polarimetrie-Empfänger in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien werden Systeme und Verfahren bereitgestellt zur Objektfernerkundung durch Detektieren von Merkmalen des entfernten Objekts basierend auf den Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation eines räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahls, welcher auf das entfernte Objekt gerichtet wird und danach empfangen wird durch einen Polarimetrie-Empfänger. Der Polarimetrie-Empfänger ist konfiguriert zum Messen des räumlich inhomogenen Zustands der Polarisation des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes des Lichtstrahls, der ausgegeben wird von dem entfernten Objekt, und zum Berechnen der Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation zum Ermitteln der räumlichen Merkmale des entfernten Objekts. Das System erhält hochauflösende Echtzeit-Informationen betreffend wichtige räumliche Merkmale des entfernten Objekts.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele können ganz aus Hardware bestehen, ganz aus Software bestehen oder sowohl Hardware als auch Softwareelemente enthalten, welche Firmware, Präsidentin Software, Microcode, etc. einschließen können, aber nicht auf diese beschränkt sind.
Ausführungsbeispiele können ein Computerprogramm-Produkt einschließen, das zugreifbar ist von einem durch einen Computer verwendbaren oder Computer lesbaren Medium, welches Programmcode bereitstellt zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Computer oder einem Befehlsausführungssystem. Ein durch einen Computer verwendbares oder durch einen Computer lesbares Medium kann einen beliebigen Apparat einschließen, der das Programm speichert, kommuniziert, verbreitet oder transportiert zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, der Befehlsausführungsvorrichtung oder dem Befehlsausführungsgerät. Das Medium kann magnetisch, optisch, elektronisch, elektromagnetisch, Infrarot oder ein Halbleitersystem (oder eine Vorrichtung oder ein Gerät zu oder ein Ausbreitungsmedium sein. Das Medium kann ein computerlesbares Speichermedium einschließen wie etwa einen Halbleiter oder einen Solid-State-Speicher ein Magnetband, eine entfernbare Computerdiskette, einen wahlfreien Zugriff Speicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (RPM), eine feste magnetische Platte und eine optische Platte, etc.
Ein Datenverarbeitungssystem, das geeignet ist zum Speichern und/oder von Programmcode kann einschließen zumindest einen Prozessor, der direkt oder indirekt zu Speicherelementen über einen Systembus gekoppelt ist. Die Speicherelemente können einschließen lokalen Speicher, der verwendet wird während der tatsächlichen Ausführung des Programmcodes, Massenspeicher, und Cache Speicher, welcher temporäre Speicherung von zumindest einigem Programmcode bereitstellt, um die Anzahl von Malen, Kot während der Ausführung von dem Massenspeicher abgerufen werden muss, zu reduzieren. Input/Output oder I/O-Vorrichtungen (einschließen aber nicht beschränkt auf Tastaturen, anzeigen, Zeigeeinrichtungen, etc.) können mit dem System entweder direkt oder über zwischengeschaltete I/O-Controller verbunden sein.
Netzwerkadapter können auch an das System gekoppelt sein, um dem Datenverarbeitungssystem zu ermöglichen, an andere Datenverarbeitungssysteme oder entfernte Drucker oder Speichervorrichtungen durch zwischengeschaltete private oder öffentliche Netzwerke angeschlossen zu sein. Modems, Kabelmodems und Ethernet-Karten sind lediglich einige der momentan verfügbaren Typen von Netzwerkadaptern.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche o. ä. Elemente bezeichnen, und zunächst auf 1, ein Block/Flussdiagramm, dass ein System 100 darstellt zur optischen Detektion eines entfernten Objekts 106 darstellt, das beispielhaft gezeigt wird in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Prinzipien. Das System 100 kann einschließen eine Erzeugungseinheit 102 für einen räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl, die konfiguriert ist zur Erzeugung eines räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahls und zum Richten des Lichtstrahls auf ein entferntes Objekt 106. Ein „räumlich polarisations-inhomogener Strahl”, auch bezeichnet als „Vektor”-Strahl, ist ein Lichtstrahl mit einem Polarisationszustand, der einen jedem räumlichen Punkt transversal zum Strahl, d. h. nicht entlang seiner Ausbreitungsrichtung, unterschiedlich ist.
Wie in 2 gezeigt kann in einem Ausführungsbeispiel die Erzeugungseinheit für einen inhomogenen Lichtstrahl ein Laserstrahl-Generator 108 sein. Der Laserstrahl-Generator 108 kann aus unterschiedlichen bekannten Vorrichtungen bestehen, die konfiguriert sind, zum Erzeugen von Lichtstrahlen mit räumlich polarisations-homogenem Licht. Die Erzeugungseinheit 102 für einen inhomogenen Lichtstrahl kann ferner einschließen eine optische Faser 110, wie beispielsweise eine Single-Mode-optische Faser, die konfiguriert ist zum Führen des räumlich polarisationshomogenen Lichtstrahls von dem Laserstrahl-Generator 108. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugungseinheit 102 für einen inhomogenen Lichtstrahl eine Linse 112 einschließen, die konfiguriert ist, den Lichtstrahl von der optischen Faser 110 zu empfangen und den Lichtstrahl kollimieren.
Die Erzeugungseinheit 102 kann ferner einschließen eine Q-Plate (Q-Platte) 114. Eine Q-Plate ist eine doppelbrechende Flüssigkristallplatte mit einer gemusterten transversalen optischen Achse. Die Q-Plate 114 ist konfiguriert zum Transformieren des Lichtstrahls, der von der Linse 112 empfangen wird, in räumlich polarisationsinhomogenes Licht. Die Q-Plate ist konfiguriert zum Erzeugen eines spezifischen inhomogenen Zustands von Polarisation für den Lichtstrahl, welcher abhängt von dem Muster der Q-Plate.
Wie in 2 gezeigt richtet die Erzeugungseinheit 102 für den inhomogenen Lichtstrahl das räumlich polarisationsinhomogene Licht so, dass es von der Q-Plate 114 durch einen ersten Freiraum-Kanal 111 läuft und das entfernte Objekt 106 kontaktiert. Die Licht-Materie-Interaktion zwischen dem räumlich polarisations-inhomogenen Lichtstrahl 104 und dem entfernten Objekt 106 verändert den räumlichen Polarisationsinhalt des Lichtstrahls 107, der von dem entfernten Objekt ausgegeben wird. Diese Veränderungen in räumlicher Polarisation des Lichtstrahls sind charakteristisch für die Merkmale des entfernten Objekts 106 und können verwendet werden zum Ermitteln der Merkmale des entfernten Objekts.
Das System 100 kann ferner einen Polarimetrie-Empfänger 116 enthalten. Der Polarimetrie-Empfänger kann einschließen eine oder mehrere Prozessoren 130 und Speicher 132 zum Speichern von Programmen und Anwendungen. Der Polarimetrie-Empfänger 116 kann ferner enthalten ein Display 114, welches einem Benutzer erlaubt, Bilder zu sehen und mit dem System 100 zu interagieren. Der Polarimetrie-Empfänger kann ferner ein Interface 146 einschließen, welches aufweisen kann eine Tastatur, eine Maus, einen Joystick, eine optische Vorrichtung, oder irgend ein anderes Peripheriegerät oder Steuergerät, um Benutzerfeedback von und Interaktion mit dem System 100 zu ermöglichen. Während der Prozessor 130, Speicher 132, Display 144 und Interface 146 spezifisch gezeigt sind als Komponenten des Polarimetrie-Empfängers 116 können in anderen Ausführungsbeispiel eine oder mehrere dieser Komponenten angeordnet sein in anderen Teilen des Systems 100 und Verbindungen wie in dem Stand der Technik bekannt aufweisen, beispielsweise einen Kommunikationsbus zum Verbinden mit dem Polarimetrie-Empfänger.
Der Polarimetrie-Empfänger 116 ist konfiguriert zum Empfangen des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls 107, der ausgegeben wird von dem entfernten Objekt 116 und zum Erhalten von Messungen betreffend das räumlich inhomogene elektrische Feld des Ausgangs-Lichtstrahls. Der Polarimetrie-Empfänger 116 ist ferner konfiguriert zum Ermitteln der Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls.
Wie in 2 gezeigt läuft der Ausgangs-Lichtstrahl 107 von dem entfernten Objekt 16 durch einen zweiten Freiraum-Kanal 115. Während der zweite Freiraum-Kanal 115 illustrativ in dem Ausführungsbeispiel von 2 als ein Kanal unterschiedlich von dem ersten Freiraum-Kanal 111 gezeigt ist, kann in einigen Ausführungsbeispielen der Ausgangs-Lichtstrahl 107 von dem entfernten Objekt 106 reflektiert werden durch den ersten Freiraum-Kanal zu dem Polarimetrie-Empfänger 116.
In dem Ausführungsbeispiel aus 2 kann der Polarimetrie-Empfänger einen Polarisierer 118 einschließen, wie beispielsweise einen linearen Polarisierer. Der Polarimetrie-Empfänger 116 kann ferner ein Lambda-viertel-Plättchen 120 einschließen, welches konfiguriert ist zum Ändern des Polarisationszustands des Lichtstrahls, der durch es hindurch tritt, durch Konvertieren des linear polarisierten Lichts in zirkular polarisiertes Licht.
Der Polarimetrie-Empfänger 115 kann ferner bildgebende Optik 122 und eine Charge-Coupled-Device(CCD)-Kamera 124 einschließen. Die bildgebende Optik ist konfiguriert zum Empfangen des Lichtstrahls von den Lambda-viertel-Plättchen 120 und zum Ausgeben des Strahls an die Charge-Coupled-Device-Kamera 124 zum Abbilden. Beispielsweise ist in einem Ausführungsbeispiel die bildgebende Optik 122 ausgebildet, um ein 4f-System auf eine CCD-Kamera 124 abzubilden.
3 liefert illustrative Beispiele von Bildern 126, die erzeugt wurden durch die CCD-Kamera 124. In 3 repräsentieren, I₀, I₄₅, I₉₀, und I₁₃₅ die Intensitäten eines beliebigen Vector-Lichtfeldes, E(r, ϕ), das erhalten wird, wenn der Polarisierer 118 gedreht wird um 0, 45, 90, und 135 Grad bezüglich eines cartesischen Referenzkoordinatensystems.
Der Polarimetrie-Empfänger 115 ist konfiguriert zum Messen des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes, um eine messungsbasierte Rekonstruktion des vollen elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls 107 zu erhalten. In einem Ausführungsbeispiel kann der Polarimetrie-Empfänger 115 konfiguriert sein zum Messen des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes unter Verwendung von Stokes-Polarimetrie. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Polarimetrie-Empfänger das räumlich inhomogene elektrische Feld ermitteln durch Rotieren des Polarisierers 118 bezüglich eines cartesischen Referenzkoordinatens zum erhalten von vier Intensitätswerten.
Wie in 3 gezeigt werden die resultierenden Intensitäten erhalten, wenn der Polarisierer 118 rotiert um 0, 45, 90 und 135 Grad abgebildet werden unter Verwendung der bildgebenden Optik 122 auf die CCD-Kamera 124 mit stärkerer Intensität proportional zu leichteren Pixelausgaben. Während nicht in 3 gezeigt kann der rechte und linke zirkulare Polarisations-Content des elektrischen Feldes auch gemessen werden unter Verwendung des Lambda-viertel-Plättchens 120, bildgebender Optik 122 und CCD-Kamera 124. Während die in 2–3 gezeigten Ausführungsbeispiele Stokes-Polarimetrie verwenden, um das räumlich inhomogene elektrische Feld zu messen, kann in anderen Ausführungsbeispielen das System 100 konfiguriert sein, um andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Messung des elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls 107 zu verwenden.
Der Polarimetrie-Empfänger kann einschließen ein Berechnungsmodul 128, dass konfiguriert ist, zum Berechnen von Messungen des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem das räumlich inhomogene elektrische Feld gemessen wird durch Verwendung von Stokes-Polarimetrie, das Berechnungsmodul 128 konfiguriert sein zur Berechnung von Stokes-Parametern 129 aus den CCD-Kamerabildern 126.
4 zeigt Beispiele von Stokes-Parametern 129, die berechnet wurden aus den Bildern in 3. In einem Ausführungsbeispiel kann das Berechnungsmodul 128 Gleichungen 1–4 wie unten gezeigt verwenden, um die Stokes-Parameter zu ermitteln. S₀(r, ϕ) = I₀(r, ϕ) + I₉₀(r, ϕ) Gleichung 1 S₁(r, ϕ) = I₀(r, ϕ) – I₉₀(r, ϕ) Gleichung 2 S₂(r, ϕ) = I₄₅(r, ϕ) – I₁₃₅(r, ϕ) Gleichung 3 S₃(r, ϕ) = I_RCP(r, ϕ) – I_LCP(r, ϕ) Gleichung 4 wobei I₀(r, ϕ), I₄₅(r, ϕ), I₉₀(r, ϕ), I₁₃₅(r, ϕ) die Intensitäten eines beliebigen Vektor-Lichtfeldes, E(r, ϕ), sind, die erhalten werden, wenn analysiert unter Verwendung des Polarisierers 118 rotiert um 0, 45, 90, und 135 Grad bezüglich eines cartesischen Referenzkoordinatensystems, und I_RCP(r, ϕ), I_LCP(r, ϕ) sind die Intensitäten von E(r, ϕ) die erhalten werden, wenn sein rechter und linker zirkular Polarisation-Content jeweils analysiert werden unter Verwendung eines Lambda-viertel-Plättchens.
Das Berechnungsmodul 128 kann auch konfiguriert sein zum Ermitteln des Winkels der Orientierung und der Ellipsität des Zustands der Polarisation des elektrischen Feldes. In einem Ausführungsbeispiel kann das Berechnungsmodul 128 Gleichungen 5–6 verwenden zum Ermitteln dieser Werte. Gleichung 5
Gleichung 6
wobei ψ(r, ϕ) und χ(r, ϕ) jeweils die Winkel der Orientierung und die Ellipsität des Zustands der Polarisation an jedem räumlichen Punkt (r, ϕ) sind.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Polarimetrie-Empfänger konfiguriert zur Erzeugung einer Rekonstruktion 134 des vollen elektrischen Feldes unter Verwendung der Polarimetrie-Ergebnisse. 5 zeigt eine volle elektrische Feldrekonstruktion 134, die erzeugt wurde durch den Polarimetrie-Empfänger unter Verwendung der Polarimetrie-Ergebnisse.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Berechnungsmodul 128 auch konfiguriert sein zum Ermitteln der Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand von Polarisation des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls. Beispielsweise ist in einem Ausführungsbeispiel der Polarimetrie-Empfänger 116 konfiguriert zum Ermitteln der Veränderungen in dem Zustand der Polarisation des räumlich inhomogenen Lichtstrahls durch Messen des Vektor-Moden-Spektrums eines beliebigen Lichtfeldes. Vektormoden sind räumliche Moden von Licht, die einen räumlich inhomogenen Zustand von Polarisation tragen. Das Vektor-Moden-Spektrum ist Überlagerung der Vektormoden. Der Polarimetrie-Empfänger 116 kann konfiguriert sein zum Ermitteln des Vektor-Moden-Spektrums durch Messen der optischen Leistung in jeder Vektormode des Spektrums.
Der Polarimetrie-Empfänger 116 kann konfiguriert sein zum Berechnen der Vektor-Moden-Leistungskoeffizienten in jeder Mode, was in einer vollständigen Vektor-Moden-Dekomposition resultiert. Beispielsweise kann die Leistung jeder Vektormode berechnet werden durch Gleichung 7 wie unten gezeigt. Gleichung 7
Der Satz von Vektor-Moden-Leistungskoeffizienten |c_l,γ(r)|² die dem Vektorfeld E(r, ϕ) entsprechen, ist das Vektor-Moden-Spektrum. Das Vektor-Moden-Spektrum kann gemessen werden durch Ermitteln der Leistung jeder Vektormode in den Spektrum.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Polarimetrie-Empfänger 116 konfiguriert zur Verwendung des Überlappungs-Integrals 7 zum Berechnen der Leistungskoeffizienten in jeder Mode und zum Ermitteln des Vektor-Moden-Spektrums. Die Vektor-Moden-Dekomposition liefert eine vollständige Messung des Vektor-Moden-Spektrums entsprechend dem entfernten Objekt 106.
6 zeigt ein Vektor-Moden-Spektrum für einen vollständig radial-polarisierten Strahl, der erhalten wird durch die Polarimetrie-Ergebnisse.
Basierend auf den ermittelten Vektor-Moden-Spektrum 136 ist das System 100 konfiguriert zum Messen der Veränderungen in dem Zustand der Polarisation des räumlich polarisationsinhomogenen polarisationsinhomogenen Lichtstrahls. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel das Vektor-Moden-Spektrum eines Lichtstrahls vorbestimmt werden, wie etwa basierend auf der spezifischen Charakteristik des Q-Plates, durch das der Lichtstrahl hindurch tritt. Das Vektor-Moden-Spektrum des Lichtstrahls, der durch das Q-Plate durchgetreten ist aber noch nicht das entfernte Objekt kontaktiert hat, kann auch ermittelt werden durch einen Polarimetrie-Empfänger, variieren der Parameter der Erzeugungseinheit 102 für den Lichtstrahl oder durch andere Mittel, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das Vektor-Moden-Spektrum des Lichtstrahls, das das Q-Plate passiert.
Der Polarimetrie-Empfänger 116 ist konfiguriert zum Ermitteln der Unterschiede zwischen den berechneten Messungen des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls 107 und des Vektor-Moden-Spektrums des Lichtstrahls, der durch das Q-Plate durchgetreten ist (aber noch nicht das entfernte Objekt 106 kontaktiert hat) und die Unterschiede sind repräsentativ für Merkmale des entfernten Objekts 106 wie strukturelle Kanten und Ecken des entfernten Objekts 106. Dies resultiert in der Detektion von Merkmalen des entfernten Objekts 106 durch das System 100 in Echtzeit.
Während die Detektion des räumlich inhomogenen Zustands der Polarisation eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls beispielhaft beschrieben wird unter spezifischer Bezugnahme auf die Ermittlung des Vektor-Moden-Spektrums können der räumlich inhomogene Zustand der Polarisation des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls und die Veränderungen in dem Zustand der Polarisation ermittelt werden durch Messung von anderen Charakteristiken oder Merkmalen des Lichtstrahls oder Mittel, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Wie in 7 gezeigt ist die vorliegende Erfindung auch gerichtet auf Verfahren für die Objekt-Fernerkundung wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren kann durchgeführt werden durch eine beliebige Kombination von Hardware und/oder Software.
Bezugnehmend auf 7 wird ein Verfahren 150 zur Objekt-Fernerkundung beispielhaft gezeigt in Übereinstimmung mit den vorliegenden Prinzipien. In Block 160 wird ein räumlich polarisationsinhomogener Lichtstrahl erzeugt und auf das entfernte Objekt gerichtet.
Wie in 8 gezeigt kann die Erzeugung des räumlich polarisationsinhomogenen Strahls den Schritt des erzeugen 162 eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls einschließen. Der räumlich polarisationsinhomogene Lichtstrahl kann dann geführt 164 werden durch eine optische Faser. Der Lichtstrahl kann dann empfangen 166 werden durch eine Linse, welche den Lichtstrahl kollimiert. Der kollimierte Lichtstrahl kann dann empfangen 168 werden durch eine Q-Plate, welche den Lichtstrahl in räumlich polarisationsinhomogenes Licht transformiert.
Der räumlich polarisations-inhomogene Lichtstrahl interagiert dann mit dem entfernten Objekt und der Ausgangs-Lichtstrahl wird empfangen 10 durch den Polarimetrie-Empfänger wie im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf das System 100 der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 gezeigt kann der Schritt des Empfangens des Ausgangs-Lichtstrahls durch einen Polarimetrie-Empfänger enthalten das Empfangen 172 des Ausgangs-Lichtstrahls von dem entfernten Objekt durch einen Polarisierer. Der Lichtstrahl von dem Polarisierer kann dann empfangen 174 werden durch ein Lambda-viertel-Plättchen. Der Lichtstrahl kann dann passieren 176 durch bildgebende Optik. Nach dem Empfang durch bildgebende Optik wird der Lichtstrahl abgebildet 178 auf eine Charge-Coupled-Device-Kamera.
Der Ausgangs-Lichtstrahl wird dann gemessen 180 zum erhalten einer Rekonstruktion des vollen elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls. Wie im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf das System 100 kann dies erreicht werden durch Stocks-Polarimetrie oder durch andere aus dem Stand der Technik bekannte Mittel.
In Block 190 werden die Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls ermittelt. Zum Beispiel können die Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls ermittelt werden durch Messung der Vektor-Moden-Leistungskoeffizienten in jeder Mode, um das Vektor-Moden-Spektrum zu ermitteln und zum Vergleichen des gemessenen Vektor-Moden-Spektrums mit dem Vektor-Moden-Spektrum des Lichts, nachdem es das Q-Plate passiert hat. In einem Ausführungsbeispiel wird das Überlappungsintegral aus Gleichung 7 verwendet zum Ermitteln der berechneten Leistungskoeffizienten. Basierend auf den ermittelten Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls werden Merkmale betreffend das entfernte Objekt detektiert.
Während die obige Konfiguration und Schritte illustrativ dargestellt wurden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Prinzipien wird es erwogen, dass andere Arten von Konfigurationen und Schritten auch verwendet werden können gemäß den vorliegenden Prinzipien. Während unterschiedliche Komponenten illustrativ beschrieben wurden als separate Komponenten, können die Komponenten gebildet werden in einer Unterschiedlichkeit von integrierten Hardware oder Software-Konfigurationen. Das vorstehende soll verstanden werden als in jeder Hinsicht illustrativ und beispielhaft aber nicht einschränkend, und der Umfang der Erfindung wie hierin beschrieben ist nicht zu ermitteln auf Grundlage der detaillierten Beschreibung sondern vielmehr aus den Ansprüchen wenn interpretiert gemäß der vollen Breite, die von den Patentgesetzen erlaubt wird. Es ist zu verstehen, dass die Ausführungsbeispiele wie gezeigt und beschrieben hier in lediglich illustrativ für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind und dass die Fachleute verschiedene Modifikationen implementieren können ohne Abweichung von dem Umfang und Geist der Erfindung. Die Fachleute könnten verschiedene andere Merkmalskombinationen ohne Abweichung von dem Umfang und dem Geisterfindung implementieren. Nachdem daher Aspekte der Erfindung beschrieben wurden mit den Details und Besonderheiten wie erfordert durch die Patentgesetze, wird nachfolgend was beansprucht und geschützt werden soll durch das Patent in den nachfolgenden Ansprüchen ausgeführt.

Claims

Ein Verfahren zur Objekt-Fernerkundung aufweisend die Schritte: Erzeugen eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls und richten des Strahls auf ein entferntes Objekt; Empfangen eines Ausgangs-Lichtstrahls aufweisend den räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl nachdem der Lichtstrahl das entfernte Objekt kontaktiert hat durch einen Polarimetrie-Empfänger; Messen eines elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls; und Ermitteln von Veränderungen in einem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls zum Ermitteln von räumlichen Merkmalen des entfernten Objekts.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Stocks-Polarimetrie verwendet wird zur Messung des elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erzeugen eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls die Schritte aufweist: Erzeugen eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls: Führen des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls durch eine optische Faser; Empfangen des räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls durch eine Linse zum Kollimieren des Lichtstrahls; und Empfangen eines koordinierten Lichtstrahls durch eine Q-Plate, welche den Lichtstrahl in einen räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl transformiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Empfangen eines Ausgangs-Lichtstrahls die Schritte einschließt: Empfangen des Ausgangs-Lichtstrahls durch einen Polarisierer; Empfangen des Ausgangs-Lichtstrahls durch Lambda-viertel-Plättchen; Passieren des Ausgangs Lichtstrahls durch bildgebende Optik; und Abbilden des Lichtstrahls auf eine Charge-Coupled-Device-Kamera.
Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend den Schritt des Berechnen von Stokes-Parametern aus der Abbildung, die erzeugt wurde durch die Charge-Coupled-Device-Kamera.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt des Messens des Winkels der Orientierung und der Elliptizität des Zustands der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Veränderungen in dem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls ermittelt werden durch Ermitteln eines Vektor-Moden-Spektrums des Ausgangs-Lichtstrahls und durch Vergleichen des Vektor-Moden-Spektrums des Ausgangs-Lichtstrahls mit einem Vektor-Moden-Spektrum eines Lichtstrahls vor dem kontaktieren des entfernten Objekts.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt des erzeugen einer Rekonstruktion eines vollen elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei Vektor-Moden-Leistungskoeffizienten berechnet werden zum Ermitteln des Vektor-Moden-Spektrums des Ausgangs-Lichtstrahls
Ein System für Objekt-Fernerkundung, aufweisend: eine Erzeugungseinheit für einen räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl, die konfiguriert ist zum Erzeugen eines räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahls und zum Richten des Lichtstrahls auf ein entferntes Objekt; und ein Polarimetrie-Empfänger, der konfiguriert ist, zum Empfangen eines Ausgangs-Lichtstrahls aufweisend den räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl nachdem der Lichtstrahl das entfernte Objekt kontaktiert, wobei der Polarimetrie-Empfänger einschließt: einen Prozessor, Speicher und ein Interface, wobei der Speicher konfiguriert ist zum Speichern eines Berechnungsmoduls, welches ein elektrisches Feld des Ausgangs-Lichtstrahls berechnet und Veränderungen in einem räumlich inhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls ermittelt zum Ermitteln von räumlichen Merkmalen entfernten Objekts.
Das System nach Anspruch 10, wobei die Erzeugungseinheit für einen räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl aufweist: einen Laserstrahl-Generator, der konfiguriert ist zum Erzeugen von Lichtstrahlen mit räumlich polarisations-homogenem Licht; eine optische Faser, die den Lichtstrahl von dem Laserstrahl-Generator empfängt; eine Linse, die den Lichtstrahl von der optischen Faser empfängt und kollimiert; ein Q-Plate, welches den Lichtstrahl von der Linse empfängt und den Lichtstrahl in einen räumlich polarisationsinhomogenen Lichtstrahl transformiert.
Das System nach Anspruch 10, wobei der Polarimetrie-Empfänger einschließt: einen Polarisierer; ein Lambda-viertel-Plättchen; abbildende Optik; und eine Charge-Coupled-Device-Kamera.
Das System nach Anspruch 10, wobei der Polarisierer ein linearer Polarisierer ist.
Das System nach Anspruch 10, wobei der Polarimetrie-Empfänger konfiguriert ist, das elektrische Feld des Ausgangs-Lichtstrahls durch Verwendung von Stokes-Polarimetrie zu ermitteln.
Das System nach Anspruch 10, wobei der Polarimetrie-Empfänger konfiguriert ist, den Winkel der Orientierung und die Ellipsität des Zustands der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls zu messen.
Das System nach Anspruch 10, wobei das Berechnungsmodul konfiguriert ist zum Ermitteln von Veränderungen in dem räumlich polarisationsinhomogenen Zustand der Polarisation des Ausgangs-Lichtstrahls durch Ermitteln eines Vektor-Moden-Spektrums des Ausgangs-Lichtstrahls und durch Vergleichen des Vektor-Moden-Spektrum des Ausgangs-Lichtstrahls mit einem Vektor-Modem-Spektrum eines Lichtstrahls vor dem Kontaktieren des entfernten Objekts.
Das System nach Anspruch 10, wobei der Polarimetrie-Empfänger konfiguriert ist, zum Erzeugen einer Rekonstruktion eines vollen elektrischen Feldes des Ausgangs-Lichtstrahls.
Das System nach Anspruch 16, wobei der Polarimetrie-Empfänger konfiguriert ist zum Berechnen von Vektor-Moden-Leistungskoeffizienten zum Ermitteln des Vektor-Moden-Spektrums des Ausgangs-Lichtstrahls.