Relative calibration for a polarization interference imaging spectrometer

A polarization interference imaging spectrometer (PIIS) for remote sensing is developed. Its operation principle and typical configuration are introduced. A polarization beam-splitter is its key component. The principle of calibration for the PIIS is introduced. The results of relative calibration for the PIIS are given. After the calibration, the responding uniformity of the detector of the PIIS to an expanded uniform light source is largely improved and the quality of the pictures obtained by the PIIS is obviously clear and accurate to the aims. Some applications and expectations of a PIIS are put forward.     

A polarization interference imaging spectrometer and its calibration

A polarization interference imaging spectrometer for remote sensing is developed. Its operation principle and typical configuration are introduced. A polarization beam-splitter is its key component of the spectrometer. The advantages and disadvantages of the instrument are discussed compared with those of other instruments, which are based on the principle of active exploration for remote targets. The principles, strategies, methods, contents, aspects, and steps of calibration for the instrument are introduced. The experimental result of relative calibration for the CCD detector of a PIIS is given. Some applications and expectations of polarization interference imaging spectroscopy are put forward.     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的最佳角度分析

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测,这一方法将偏振测量与干涉成像光谱技术相结合,一方面能提供辐射测量所不能提供的物体偏振信息,另一方面又可获取目标的空间图像和光谱,具有比辐射测量更高的准确度.在简要分析了利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的理论基础上,深入研究了偏振检测的方法,分析比较了目前常用的偏振探测角度（45°,60°）对偏振度探测的影响.进一步计算推导出偏振测量的最优探测角度,将之与以往常用的探测角度进行了分析比较,证明了此最佳探测角度可以有效地减小偏振误差、提高偏振探测的精度.这将极大地提高偏振干涉成像光谱仪的应用范围,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供重要的理论依据. 关键词： 偏振检测 偏振干涉成像光谱仪 探测角 Savart偏光镜     

偏振干涉成像光谱仪中偏振化方向对调制度的影响

论述了自行研制的偏振干涉臧像光谱仪的原理,分析了其分光机理和成像原理;实在 重就起偏器、分析器的偏振化方向对干涉图调制度的影响进行了分析和计算,推导了偏振化方向偏离理想方向时调制度偏角的变化关系,给出和讨论了调制度随偏 角变化的空间曲面以及最大调制离（Ｖ＝１）和最小调制度（Ｖ＝０）时偏振器偏振化方向的空间取向。     

偏振干涉成像光谱仪通量的分析与计算

论述了自行研制的偏振干涉成像光谱仪的剪切分光机理和干涉成像原理。对偏振干涉成像光谱仪的通量进行了分析和计算,推导了偏振器偏振化方向偏离理想方向时通量随偏角的变化关系。给出了最大调制度情形下的通量数值。这种偏振干涉成像光谱仪结构简单,无运动部件,能量通过率高,充分显示了超小,稳态,、大视场高通量,高调制度的优点,更加适合于航空航天遥感,野外环境操作和微弱信号探测。     

偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜全视场角透过率的分析与计算

论述了自行设计研制的偏振干涉成像光谱仪的工作原理,分析了其核心部件格兰-泰勒棱镜的分光机理;运用光线追迹方法,推导出了格兰-泰勒棱镜全视场角透过率计算公式;通过计算机模拟分析了入射面、入射角和空气隙厚度对该棱镜透过率的影响,并利用方解石Sellmeier色散方程,给出了该棱镜在仪器系统要求的光谱范围内透过率与波长的关系曲线;实验测试结果与理论计算公式相符,验证了理论公式的正确性.     

一种可调横向剪切量的新型偏振干涉成像光谱仪

为了克服传统成像光谱仪稳定性差,干涉条纹杂乱复杂等缺点,提出了一种基于可调横向剪切量萨伐尔(Savart)偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪。具体分析推导了光线入射角变化对这种新型的可调横向剪切量萨伐尔偏光镜的光程差、偏振度以及对系统干涉条纹的影响;简要论述了这种新型偏振干涉成像光谱仪的工作机理和运行方式,从原理上论证了它具有重量轻、体积小、抗震性好、适用范围广、分束光线平行均匀分布、干涉图样清晰、处理简便等诸多优点,为新型可调横向剪切量的偏振干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供理论依据和实践指导。     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测的新方法

以往对干涉成像光谱仪的研究通常仅限于对光的干涉特性的利用,即由目标干涉图得到其光谱图,而忽略了其丰富的偏振信息.为了在利用光的干涉特性的同时还充分利用光的偏振特性,在原有偏振干涉成像光谱仪的基础上,结合现有的干涉成像光谱技术与偏振探测原理,提出了一种利用现有偏振干涉成像光谱仪获取探测目标的偏振参数(偏振度、偏振方位角等)的新方法,并对其精度误差进行了理论分析,证明了其不但具有较高的稳定性而且具有极高的测量精度.因此,若把以往的偏振干涉成像光谱仪看作是照相机与光谱仪功能的结合,则现在可以将之理解为成像仪、光 关键词： 偏振探测 偏振干涉成像光谱仪 Stokes参量 Savart偏光镜     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪数据处理研究

研究了基于Savart偏光镜的偏振干涉成像光谱仪在时空混合调制模式下图像形成、数据分布的特点,论证了视场补偿型偏振干涉成像光谱仪更适用于单色光条件下的时空混合调制工作模式,并提出了时空混合调制模式下数据采集与处理的基本原理及其需要注意的问题与解决方法.最后,应用这种方法对实验获取的干涉图进行了数据处理,并成功复原出了光谱.     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

Optical path difference evaluation of the polarization interference imaging spectrometer

The optical path difference (OPD) of the static polarization interference imaging spectrometer and wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer are calculated and analyzed, simultaneously. The analysis results show that the actual total OPD contains two parts, the Savart polariscope introduces the first part, and the second part is introduced when imaging lens reunites two beams in its focal plane. Since the first part OPD accounts for about half of the actual total OPD, it has influences on the resulting spectrum and thus cannot be neglected. The influences of the uniaxial crystal dispersion on the OPD and resulting spectrum are analyzed, and the results show that the OPD decreased with the wavelength, the spectral resolution increased with the wavelength. There are no fixed spectral resolution over the entire detection spectral region, and the spectral resolution would become worse with the increase of the wavelength.     

基于偏振干涉成像光谱仪的视场增强和相位热漂移补偿关键技术的研究

偏振干涉成像光谱技术以傅里叶变换光谱学为理论基础,以一系列起偏/检骗器、剪切分束器和延时晶体等双折射晶体材料为主要结构,较之传统光栅式色散型光谱仪具有多通道、图谱合一、大光通量、高信噪比和抗环境振动干扰等一系列优点,并且结合多普勒光谱学相关原理和技术,已被广泛应用在各种天文学和天体物理学测试与计量领域如空间遥感、视向速度、宇航飞行、月球探测等。但是许多前人研究工作中仍然存在两个尚未妥善解决的问题：(1) 视场受限。普通型偏振干涉成像光谱仪存在远场条纹的弯曲而使系统视场角限制在±2°以内,严重影响傅里叶变换后的光谱重构精度;(2) 相位热漂移。晶体的热胀冷缩和双折射率之差随温度变化的特性导致像面干涉条纹发生随机抖动误差,将严重影响以多普勒频移为原理的视向速度等测量精度。因此,首先引入一块半波片构成增强型的Savart剪切分束器实现主动的视场展宽,可以使增强后的观察视场角达到±10°左右。这一改进不仅提高了傅里叶光谱变换的算法精度,同时也大幅增加光通量从而实现对微光光谱进行高信噪比的探测与标定。另外,为了消除环境温度造成的相位热漂移误差,选用偏硼酸钡(α-BBO)和铌酸锂(LiNbO₃)两种晶体进行精密组合匹配。该关键技术利用这两种晶体的双折射率之差随温度变化的相反特性,从而实现相位热漂移误差补偿。实验证明,在实验室环境温度下热相位漂移误差不超过0.02 rad。通过这些方案改善偏振干涉成像光谱仪的测试精度,拟实现对天文光梳以及其他大型天文光谱仪器快速而精确的标定与测试。     

Analysis of the lateral displacement and optical path difference in wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer

The mechanism of beam splitting and principle of wide-field-of-view compensation of modified Savart polariscope in the wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer (WPIIS) are analyzed and discussed. Formulas for the lateral displacement and optical path difference (OPD) produced by the modified Savart polariscope are derived by ray-tracing method. The theoretical and practical guidance is thereby provided for the study, design, modulation, experiment and engineering of the polarization interference imaging spectrometers and other birefringent Fourier-transform spectrometers based on Savart polariscopes.     

一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法

提出了一种采用基于视场补偿型Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪对二维目标偏振信息进行空间遥感探测的新原理和新方法.在新型偏振干涉成像光谱仪光学系统不变的情况下,通过旋转偏振干涉仪分别测出了三个不同角度下像面上各像点的光强值,反演出了二维面目标的斯托克斯矢量,并给出了各像点偏振度和偏振方向的理论表达式.采用计算机模拟实验对该探测原理和方法进行了验证,所得结果与理论完全符合.从理论和实践上扩展了干涉成像光谱仪的探测功能,与目前国内外所研究的成像光谱仪相比,该成像光谱仪既能同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息,又提供了一种获得目标偏振信息的手段和方法.     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究

论述了基于视场补偿型Savart偏光镜的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的分光机理.依据电磁场边值条件,分析了光在视场补偿型Savart偏光镜中各晶体分界面上的透射情况,得出了透射率的理论计算公式.采用计算机模拟,分析了在半波片为不同材料时,透射率随入射波长、视场角及半波片厚度的变化关系.研究表明,视场补偿型Savart偏光镜具有大视场、高通量、高探测灵敏度的显著特点.此研究可为新型干涉成像光谱技术的研究和新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制提供重要的理论指导. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 视场补偿型Savart偏光镜 透射率 电磁场边值条件     

新型偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜像质分析与评价

阐述了自行研制的新型偏振干涉成像光谱仪中重要偏光器件格兰-泰勒棱镜的分光机理,应用光线追迹法分析计算了光在格兰-泰勒棱镜中的传播规律与光线轨迹;推导出了任意角度入射时光线在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了格兰-泰勒棱镜的像点位移和色差理论计算公式.该研究对晶体器件像质的分析计算及评价具有普遍的指导意义,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及偏振干涉成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 格兰-泰勒棱镜 像点位移 色差     

新型偏振干涉成像光谱仪中Savart偏光镜透射率的研究

Savart偏光镜是自行研制的新型稳态偏振干涉成像光谱仪中的核心部件，阐述了该Savart偏光镜的分光机理.基于电磁场边值条件，分析了入射面与Savart偏光镜左板主截面重合及垂直时，光透过Savart偏光镜各界面的反射和折射，得出了各界面透射系数的表达式以及Savart偏光镜透射率的理论计算公式.采用计算机模拟，给出了Savart偏光镜透射率随视场角和波长的变化曲线，并与研制的Savart偏光镜实验测试结果进行了分析比较，两者变化规律相符. 表明该Savart偏光镜具有大视场、高通量的显著特点，适宜作为静态干涉仪和稳态偏振干涉成像光谱仪的高效横向剪切分束器. 这为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供了重要的理论依据.     

模拟溢油样品激光诱导荧光光谱的偏振特性研究

激光诱导荧光是海洋溢油探测的有效手段之一,但该技术的应用易受自然水体中叶绿素、CDOM等物质荧光信号的干扰。为了寻求排除自然水体荧光干扰的方法,基于532 nm连续激光器搭建了激光诱导偏振荧光实验装置,并针对六种不同密度的模拟溢油样品和自然水体开展了荧光光谱偏振特性研究。实验结果发现,与自然水体的荧光光谱不具有明显的偏振特性不同,所有模拟溢油样品的诱导荧光均具有明显的偏振特性,这一结论说明激光诱导荧光光谱的偏振特性可以作为排除叶绿素、CDOM等物质荧光干扰的依据。实验还发现,溢油样品的荧光偏振性质因样品种类而异。在线偏振光激发下,原油样品荧光偏振度随波长逐渐降低,其中重质原油样品偏振度降低幅度最大,轻质原油样品幅度最小,而柴油样品荧光偏振度没有明显变化;当周期性改变激发光的偏振状态时,所有模拟溢油样品的荧光偏振度随之发生趋势相同的周期性波动,中质样品荧光偏振度波动的幅度低于重质样品,但明显超过轻质样品。这一结果说明,模拟溢油样品诱导荧光偏振度的波长变化特性及对激发光偏振态的响应特性均与样品密度存在一定关联,其偏振特性可以作为辅助油种识别的重要参量。     

新型偏振干涉成像光谱仪信噪比研究

基于辐射度学、电磁与偏振理论和傅里叶变换光谱学理论，从理论和实验上对超小型稳态偏振干涉成像光谱仪的信噪比进行了深入地分析与讨论.推导出了其信噪比的理论计算公式；采用计算机模拟给出了傍轴条件下信噪比随入射角的变化规律；深入分析了偏振干涉成像光谱仪所特有的偏振化方向对信噪比的影响.在调制度等于0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，给出信噪比随偏振器光轴偏角的变化关系，并给出最优化值.在最优化情况下，采用计算机模拟得出了信噪比随探测器像元数的变化规律，与干涉成像光谱实验结果完全相符.理论与实验结果表明，该偏振干涉成像光谱仪在高调制度的情况下具有高通量、高信噪比的显著特点，适合于航空航天、远距离目标和微弱信号的探测.该研究为新型偏振干涉成像光谱技术的研究和新型成像光谱仪的设计、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.