静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善

静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图, 光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键. Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程, 形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述, 推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角; 并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真, 对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、 研制和工程化提供重要理论和实践指导.     

新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究

简要论述了新型偏振风成像干涉仪的原理;分析了偏振风成像干涉仪的各光学部件的偏振化方向对调制度和干涉强度的影响;给出了起偏器的偏振化方向、干涉仪两臂λ/4波片及出射位置处λ/4波片的光轴取向偏离理想方向时干涉仪调制度和干涉强度的理论表达式;采用计算机模拟分别给出了调制度随各偏角变化的曲面图及风速、温度反演误差随各偏角变化的曲线图;给出了温度精度为5K、风速精度为20m/s时偏振化方向的误差容限.该研究对新型偏振风成像干涉仪的研究、研制提供了一定的理论依据和实践指导,对高层大气光学被动探测以及空间探测、对地观测都具有科学意义和应用前景.     

静态偏振风成像干涉仪中光在四面角锥棱镜中的传播规律研究

简述了自行设计的新型静态偏振风成像干涉仪的原理和四面角锥棱镜的分光机理;应用光线追迹法,推导出了主截面内任意光线在棱镜中的传播方向及出射点坐标,建立了平行光束经角锥棱镜后的偏向角和透过率的理论表达式;采用计算机模拟给出了偏向角和透过率随入射角的变化关系曲线;根据静态偏振风成像干涉仪的具体参数确定了四面角锥棱镜的侧面和底面夹角以及底边长度.该研究为静态偏振风成像干涉仪的研制提供了理论依据.     

激光偏振主动探测及成像系统的误差研究以及系统的改进

利用Mueller矩阵,以三种典型目标为模型,全面分析了主动偏振成像系统的误差来源。在实验系统典型参数下,对偏振度误差进行了模拟。提出了利用标准偏振度目标校准系统参数的方法,提高了实验系统的精度。以仿真结果为基础,对实验系统进行了进一步的改进。通过对实验元件参数和位置的合理配置,该实验系统能够提供高精度的目标偏振度探测。误差分析结果为偏振成像实验系统元件参数的选择提供了重要的参考依据,同时也为实验系统的改进提供了理论支持。     

偏振风成像干涉仪多波长探测理论研究

简述了偏振风成像干涉仪(PAMI)探测高层大气风场的基本原理;研究得出了多波长探测时偏振风成像干涉仪干涉强度、仪器调制度与位相延迟片的延迟位相之间的理论表达式;得出了偏振风成像干涉仪的干涉强度和仪器调制度受所探测谱线波长调制的重要结论;采用计算机模拟分析了使用偏振风成像干涉仪(设计谱线为高层大气氧原子跃迁时辐射的630nm的极光谱线)探测高层大气时各目标谱线的干涉强度和仪器调制度,给出了干涉强度和仪器调制度与探测谱线波长之间的关系,得出了732nm的极光谱线不适合用作探测目标的结论. 本文为高层大气风场探 关键词： 高层大气风场探测 偏振风成像干涉仪 调制度 多波长探测     

四分束风成像偏振干涉仪信噪比的研究

新型静态偏振风成像干涉仪采用四面角锥棱镜与偏振阵列的组合结构, 在CCD的四个分区上一次得到四个不同相位的干涉图, 可以实现对目标的实时探测, 克服了动镜扫描探测模式不能对快速变化目标进行精确探测的缺陷. 由于光束被四等分, 强度大幅度下降, 微弱的气辉信号能否被探测到成为研究的关键. 本文从目标气辉光谱的特性出发, 分析了静态偏振风成像干涉仪系统的光学传输特性和响应特性, CCD的噪声水平及系统信噪比, 得出弱信号夜气辉在常规的探测模式下探测不到的结论. 采用延长光积分时间, 像素合并技术和选用探测灵敏度高的电子倍增CCD等措施, 均可以有效改善信噪比, 并计算出几种措施综合运用后系统的信噪比和响应度. 考虑到成本和目标的快速变化, 仅采用像素合并技术, 模拟了信噪比和数字化输出随辐射强度的变化曲线, 结果表明可实现对夜气辉等微弱信号的探测.     

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.     

傅立叶变换型线偏振干涉成像系统分析与设计

为满足中波红外高空间分辨率偏振干涉测量需求,本文提出一种基于微型静态干涉原理的中波红外线偏振干涉成像系统。该系统不含狭缝,具有信息量多,光通量大等优点。介绍了线偏振干涉成像系统的工作原理,采用近轴光学理论计算了初始结构参数,进行了系统优化设计。分析了入射光分别为完全非偏振光和线偏振光时系统的透过率,给出了系统所能探测的最小辐射强度。为了降低探测器强度的随机波动对偏振测量的影响,采用等权重方差优化了系统的偏振测量矩阵,并通过数值仿真验证了方法的正确性。最后,分析了偏振片的旋转误差对偏振测量的影响,给出了偏振探测精度为2%时的偏振片旋转公差容限。设计结果表明:傅立叶变换型线偏振干涉成像系统成像质量良好,在探测器的特征频率17 lp/mm处,各视场的调制传递函数值均大于0. 6,满足系统的使用需求。     

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.     

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.     

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.     

The influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and temperature in the static polarization wind imaging interferometer

The static polarization wind imaging interferometer (SPWII) is a device used to measure wind velocity and temperature of the upper atmosphere. In this paper, the principle of SPWII is expounded. Using the four-side pyramid prism and polarizer array, four intensity interferograms of different phase differences form on the four subareas of the CCD which is located at the focal plane of the imaging lens. The wind velocity and temperature can be derived from the interferograms. Using the approximation and the antitheses, we analyze the influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and atmospheric temperature. According to the design requirements of the SPWII, the errors of the wind velocity and the atmospheric temperature are less than 5 m/s and 5 K when the incident wavelength bandwidth is in the range of [?3.08, 3.08] nm. The range is estimated and verified by simulations. These results are helpful for the realization and data processing of the SPWII.     

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.     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

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.     

静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量