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     

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     

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.     

差分偏振干涉成像光谱仪Ⅰ.概念原理与操作

本文介绍了一种基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态、紧凑型、高通量差分偏振干涉成像光谱技术.其显著特点是无运动部件,可同时获取目标正交偏振组分的干涉图和二维空间图像.干涉图经傅里叶变换和图像融合算法可得到正交偏振组分的偏振光谱图像,正交偏振光谱图像之和等效于传统强度光谱图像,正交偏振光谱图像之差称为差分偏振光谱图像.高对比度的差分偏振光谱不仅能刻画目标详细的表面形貌、纹理和结构信息,还可反演弹性散射粒子的尺度、浓度和折射率等信息.文中描述了差分偏振干涉成像光谱仪的原理结构,给出了干涉强度分布规律表达式,分析了完整干涉图和二维空间图像的数据获取模式.利用杨氏干涉模型对光通过Savart偏光镜后形成干涉直条纹的近轴关系进行了深入分析.利用光场衍射理论确定了光谱仪中准直透镜和成像透镜实现紧凑化的结构关系.计算机仿真模拟验证了方案的可行性.为偏振成像光谱仪的发展提供了一种新思路.     

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     

外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪的全视场偏振信息探测研究

基于Savart板的新型时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪(TSMPIIS)是一种静态、小型化、高稳定性的遥感偏振探测器件, 可以用来实现对目标的光谱信息以及偏振信息的探测. 目前, 已经确立了通过旋转TSMPIIS偏振片法来实现测量的方案, 然而该方案破坏了TSMPIIS系统原有的稳定结构, 降低了仪器的测量精度和可靠性. 为克服旋转偏振片法的不足, 本文从TSMPIIS的探测原理出发, 通过分析和计算TSMPIIS的Mueller矩阵, 推导出了全视场角度的TSMPIIS旋转偏振探测法的基本公式, 论证了TSMPIIS全视场偏振信息探测的可行性和准确性, 为TSMPIIS的遥感探测以及Stokes参数的反演提供了理论依据, 进一步拓展了TSMPIIS遥感探测的优越性.     

差分偏振干涉成像光谱仪Ⅱ.光学设计与分析

基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态差分偏振干涉成像光谱仪可同时获取二维目标的正交偏振组分的高光谱图像信息.依据干涉光谱学原理和实际探测器提出了该仪器的光学技术指标,并论证各关键偏光元件的光学设计方案.主要是利用波法线追迹法论证Savart偏光镜、Wollaston棱镜和Glan-Taylor棱镜等元件的参数选择依据.着重分析双折射元件色散特性对入射角、厚度及结构角的影响,并提出解决方案.为差分偏振干涉成像光谱仪的工程化提供理论指导.     

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.     

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪系统的理论研究

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪是一种新型的探测大气温度和风场速度的干涉仪.基于偏振干涉的原理,四个偏振方向分别相差45°的偏振片组成的偏振阵列紧贴于探测器前,由四面角锥棱镜出射的四束线偏振光分别经四个不同偏振方向的偏振片后,四个不同强度干涉图同时成像于探测器上,经过数据提取获得四个干涉强度值,进一步反演出大气温度和风场速度值.对以上干涉成像过程进行了模拟仿真,得到干涉图,经风速反演得到了与实际值一致的结果.具有结构简单稳定,测试精度高,利于快速变化的目标测试的优点.     

通道调制型偏振成像系统的偏振参量重建

通道调制型偏振成像系统中,焦平面上获取的信息需要通过目标偏振参量的重建才能有效提取,因而重建是目标识别、材料分析、生物医疗等技术进一步应用的前提.为了实现在非理想情况下通道调制型偏振成像系统的偏振参量精确重建,需要解决成像系统中电荷耦合器件(CCD)采样频率与频谱位置偏移对重建的影响.本文首先详细分析了频谱不发生混叠的条件:CCD采样频率应至少为4倍基频;在偏振干涉频谱位置偏移时,使用最大频谱法确定各个偏振态的载波频率,通过频移、滤波和傅里叶变换获得目标的偏振重建二维图像;最后通过计算机模拟仿真与实验分析结合的方法验证该重建方案的可行性与有效性.模拟与实验结果表明:改进后的偏振重建法得到的偏振图像与原始输入图像的均方差在0.001以下,峰值信噪比有明显的提高,且结构相似度可达到0.9以上,表明该方法获得的二维偏振态重建图像精度高,与理论偏振解调法相比具有很大的优越性.该工作希望为后续偏振探测与分析进一步的研究提供参考.     

用Stokes参量法实现数字同轴偏振全息的研究

提出了一种基于Stokes参量的数字同轴偏振全息方法.在实验中用一束线偏振光和一束椭圆偏振光作为参考光, 分别与物光进行干涉,通过拍摄在两个相互垂直方向上的全息图,计算出物光在这两个方向的振幅和相位信息, 从而得到物光的Stokes参量和物体的全偏振信息,实现对各向异性物体偏振态空间分布的图像重建. 实验结果表明,该方法可用于物体的全偏振特性的测量.这种方法在求出物光Stokes参量的同时, 也可消除零级像和共轭像的干扰,因此也可用于同轴或离轴全息.     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

Polarization detection with polarization interference imaging spectrometer

A new method of measuring the intensity and state of polarization of optical radiation by means of the high resolution polarization interference imaging spectrometer (PIIS) is introduced and theoretically investigated in this paper. The error accuracy analysis is proposed, and it is proved that the system is very stable and precise in theory. In this new way, the polarized characteristics of light could be taken good use to analyze and distinguish objects in passive remote sensing with the PIIS, which means that the polarization interference imaging spectrometer now can be used not only as cameras and interferometers but also as polaristrobometers.