一種全偏振高光譜干涉成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全偏振高光譜干涉成像裝置及方法，利用電控雙折射器件進行偏振相位調(diào)制，并通過偏振分光器獲得的雙光路進行像素配準(zhǔn)圖像的采集，并進行高光譜和全偏振信息的解算。目標(biāo)地物的散射光由前置光學(xué)系統(tǒng)收集并由偏振相位調(diào)制器進行偏振相位調(diào)制后，在偏振分光棱鏡對光進行分路，分為O光和E光兩路，在保證圖像配準(zhǔn)的條件下進行干涉成像與同步測量，并將得到的一系列圖像信息送入系統(tǒng)處理；本發(fā)明不僅保留了高的光通量和高光譜獲取的技術(shù)特征，還實現(xiàn)的全偏振遙感測量；獲得的全偏振高光譜遙感成像信息能夠進一步的提高目標(biāo)地物的空間分辨能力，增強對遙感目標(biāo)的分析能力，增加遙感測量結(jié)果的信息量。
【專利說明】一種全偏振高光譜干涉成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)儀器和遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種全偏振測量與高光譜成像結(jié)合的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，隨著對遙感探測研究的不斷深入，利用偏振遙感技術(shù)能比普通遙感提供更為豐富的信息資源已成為世界上各個國家研究人員的共識。大量報導(dǎo)表明，相對以往的普通遙感成像技術(shù)，偏振成像遙感技術(shù)尤其在“水體” “氣體” “植被”等的變化及趨勢分析上有著明顯的優(yōu)勢，能夠進行更為精準(zhǔn)的探測和分析。目前，國內(nèi)外都十分重視偏振成像遙感技術(shù)及其應(yīng)用的研究。由于對全球自然狀態(tài)變化進行精準(zhǔn)監(jiān)測的迫切需求，偏振測量技術(shù)自身的日益提高，在空間對地遙感中能否在偏振探測中獲取完整準(zhǔn)確的信息已成為關(guān)鍵科學(xué)問題之一。
[0003]普通遙感探測儀(包括國內(nèi)開發(fā)的多數(shù)儀器)設(shè)計的原理基于認(rèn)定所探測地物偏振信息的Stokes矢量[I，Q, U，V]中V分量可以忽略這一假設(shè)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對Q、U分量的遙感測量。實際上V分量不僅不能忽略，而且還包含重要的信息。根據(jù)偏振光學(xué)理論，入射光經(jīng)介質(zhì)反射時，由于不同介質(zhì)及其表面的作用各有差異，出射光的偏振相位及其它偏振參數(shù)都將發(fā)生改變，僅測量Q、U分量無法獲取偏振相位參數(shù)，不能反映完整的地物本質(zhì)特性。因此，必須通過V分量中的偏振相位才能獲取更可靠更完整的地物信息。目前大多數(shù)偏振遙感測算過程忽略的V分量(也即認(rèn)為相位參量為O)是人為舍棄了一維地物的重要信息，極易造成偏振遙感信息的誤差及缺失。忽略該分量甚至是導(dǎo)致“同質(zhì)異譜”現(xiàn)象的重要原因。要解決這些問題，V分量測量研究是首先需要突破的難題。
[0004]大量研究結(jié)果表明，偏振信息與光譜信息有著密不可分的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。三者結(jié)合后形成的遙感測量技術(shù)，不但能夠獲取豐富的目標(biāo)空間信息、光譜信息和偏振信息，而且將成為一種更為有利的獲取目標(biāo)信息的手段和方法。一種全偏振高光譜干涉成像技術(shù)為現(xiàn)有干涉成像光譜技術(shù)提供了進一步發(fā)展的空間，是多維遙感信息獲取的研究和應(yīng)用的重要解決方案。通過全偏振成像技術(shù)和低相干光譜技術(shù)的結(jié)合，設(shè)備同時兼有照相機、偏振儀和光譜儀的三重功能，在資源普查、環(huán)境檢測、軍事偵察等許多光學(xué)遙感【技術(shù)領(lǐng)域】都將發(fā)揮重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種全偏振高光譜干涉成像裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種全偏振高光譜干涉成像裝置，它包括:前置光學(xué)系統(tǒng)、偏振可控相位調(diào)制器、偏振分光棱鏡、第一偏振型橫向剪切干涉儀、第一收集光學(xué)系統(tǒng)、第一探測器、信號獲取與處理系統(tǒng)、第二偏振型橫向剪切干涉儀、第二收集光學(xué)系統(tǒng)和第二探測器；其中，目標(biāo)發(fā)出的輻射光由前置光學(xué)系統(tǒng)收集準(zhǔn)直并由偏振可控相位調(diào)制器進行偏振相位調(diào)制后，在偏振分光棱鏡中分為兩束光強相等的光，一束為水平偏振光，另一束為豎直偏振光，其中，第一偏振型橫向剪切干涉儀將水平偏振光橫向剪切成兩束光強相等的光并進行檢偏，檢偏后的兩束光強相等的光由第一收集光學(xué)系統(tǒng)匯聚后在第一探測器上干涉成像；第二偏振型橫向剪切干涉儀將豎直偏振光在橫向剪切成兩束光強相等的光并進行檢偏，檢偏后的兩束光強相等的光由第二收集光學(xué)系統(tǒng)匯聚后在第二探測器上干涉成像；第一探測器和第二探測器均與信號獲取與處理系統(tǒng)相連；第一探測器和第二探測器得到的圖像信息送入信號獲取與處理系統(tǒng)處理。
[0007]進一步地，所述第一偏振型橫向剪切干涉儀和第二偏振型橫向剪切干涉儀均由第一雙折射棱鏡、第二雙折射棱鏡和檢偏器組成，所述第一雙折射棱鏡和第二雙折射棱鏡的光軸方向垂直并保證剪切方向在XZ平面且關(guān)于Z軸對稱，其中，X方向為垂直于紙面朝外方向，Y方向為紙面朝上方向，Z方向為紙面朝右方向；檢偏器為偏振片，其偏振方向與Y軸平行，這樣可以得到最大剪切量和最大調(diào)制度。
[0008]一種基于上述裝置的全偏振高光譜干涉成像方法，它包括以下步驟:
[0009](I)調(diào)節(jié)偏振可控相位調(diào)制器的電壓，使其相位延遲量為0，第一探測器采集得到一幅圖像信息Ixl，第二探測器采集得到一幅圖像信息Iyl，Ixl和Iyl均為光強矩陣，矩陣中的各元素對應(yīng)各像素點；
[0010](2)依次調(diào)節(jié)偏振可控相位調(diào)制器的相位延遲量為π /2，π和3 π /2，并得到各自相位延遲下第一和第二探測器上的圖像Ixj和Iyj (1=2, 3，4分別對應(yīng)相位延遲量/2，π和 3 π /2),
[0011](3)對于不同相位延遲量調(diào)制下的8幅圖像Iij進行數(shù)值計算得到圖像中各像元點的全偏振信息，用Stokes適量表不為:
[0012][S1S2S3S4]’
[0013]其中i=X，y ;X和y代表的是第一收集系統(tǒng)得到的光強和第二收集系統(tǒng)出來的光強；
[0014]j=l，2，3，4表示第幾次調(diào)解相位延遲，分別對應(yīng)于相位延遲量為O、/2, π和3 31 /2 ；
【權(quán)利要求】
1.一種全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，它包括:前置光學(xué)成像系統(tǒng)(I)、偏振可控相位調(diào)制器(2 )、偏振分光棱鏡(3 )、O光偏振型橫向剪切干涉模塊(4 )、O光成像光學(xué)系統(tǒng)(5)、O光成像探測器(6)、信號處理、控制與存儲系統(tǒng)(7)、E光偏振型橫向剪切干涉模塊(8)、E光成像光學(xué)系統(tǒng)(9)和E光成像探測器(10)等；其中，目標(biāo)的散射光由前置光學(xué)成像系統(tǒng)(I)收集，并通過受信號處理、控制與存儲系統(tǒng)(7)控制的偏振可控相位調(diào)制器(2)進行偏振相位調(diào)制后，在偏振分光棱鏡(3)中分為兩束光強相等的線偏振光,一束為O光，另一束為E光，其中，O光偏振型橫向剪切干涉模塊(4)將透射的O光橫向剪切成兩束光強相等的偏振光并進行檢偏，檢偏后的兩束光由O光成像光學(xué)系統(tǒng)(5)匯聚后在O光成像探測器(6)上干涉成像；E光偏振型橫向剪切干涉模塊(8)將E光橫向剪切成兩束光強相等的偏振光并進行檢偏，檢偏后的兩束光由E光成像光學(xué)系統(tǒng)(9)匯聚后在E光成像探測器(10)上干涉成像；O光成像探測器(6)和E光成像探測器(10)與信號處理、控制與存儲系統(tǒng)(7)相連；0光成像探測器(6)和E光成像探測器(10)采集的圖像信息同步送入信號處理、控制與存儲系統(tǒng)(7)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述O光偏振型橫向剪切干涉模塊(4)和E光偏振型橫向剪切干涉模塊(8)必須保證對偏振分光棱鏡(3)的兩個出光面上完全配準(zhǔn)的O光和E光圖像進行光學(xué)剪切分束與檢偏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述O光成像探測器(6)和E光成像探測器(10)必須保證對O光和E光圖像的采集實現(xiàn)高于像素級的圖像配準(zhǔn)及同步采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述信號處理、控制與存儲系統(tǒng)(7)通過對偏振可控相位調(diào)制器(2)發(fā)出調(diào)制信號，以獲得必要的偏振相位調(diào)制結(jié)果，并對O光和E光圖像進行同步采集。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述偏振可控相位調(diào)制器(2)可由電光調(diào)制型器件或機械型偏振相位調(diào)制器件來實現(xiàn)，但不限于此兩種偏振調(diào)制方式。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述偏振分光棱鏡(3)為寬光譜偏振分光棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述全偏振高光譜干涉成像裝置，其特征在于，所述前置光學(xué)成像系統(tǒng)(I)由一系列廣角及長焦功能的透鏡組組成，同時實現(xiàn)成像光路的準(zhǔn)直。
8.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的全偏振高光譜干涉成像方法，其特征在于，它包括以下步驟: (1)、設(shè)定偏振可控相位調(diào)制器(2)的工作狀態(tài)，使其偏振相位延遲量為某一數(shù)值，O光成像探測器(6)采集得到一幅偏振圖像信息IM，E光成像探測器(10)采集得到另一幅偏振圖像信息Iei ;Ιω和IeiS強度圖像的像素矩陣，矩陣中的各元素對應(yīng)各像素點的圖像強度； (2)、改變偏振可控相位調(diào)制器(2)的工作狀態(tài)，使其偏振相位延遲量為一系列其他數(shù)值，即可得到若干個Im和IEi的強度圖像像素矩陣； (3)、利用上述像素矩陣、偏振可控相位調(diào)制器(2)的Mueller矩陣、偏振分光棱鏡(3)的Mueller矩陣可以獲得表征全偏振信息的Stokes矢量集:[S1S2S3S4]1 ； (4)、基于上述獲得的Stokes成像結(jié)果，并根據(jù)高光譜測量的需求，設(shè)定波數(shù)。的取值個數(shù)，然后對每個以波數(shù)σ為中心的對應(yīng)波段圖像所有像元進行反演，利用傅立葉變換獲得該目標(biāo)地物的高光譜信息:
【文檔編號】G01J3/45GK103528688SQ201310283149
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月7日
【發(fā)明者】李宇波, 鐘滕慧, 李鑫, 周強, 楊建義, 江曉清, 王明華 申請人:浙江大學(xué)