空间调制型全偏振成像系统的图像解调算法修正

空间调制型全偏振成像系统可实现目标全偏振参量的同步探测。现有解调算法仅适用于单色光的探测系统,不适用于复色光的探测系统。通过寻找中心频谱位置获得实际载波频率的方式对偏振解调算法进行了修正。复色光偏振成像实验结果表明:宽波段空间调制型全偏振成像系统通过修正的图像解调算法可以得到中心波长的偏振信息,偏振探测误差小于5%。研究结果为复色光全偏振成像系统的解调算法研究提供了参考。     

基于斯托克斯参量测量的偏振共焦显微成像技术的研究

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量,通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统,通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面,而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量,把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测,实现斯托克斯参量的共焦探测,同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描,获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量,利用计算机软件进行图像重建,从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。     

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     

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.     

通道调制型偏振成像系统的波段宽度限制判据

通道调制型偏振成像技术是一种体积紧凑、空间分辨率高且能够实时获取全偏振信息的新型偏振成像探测技术. 但该技术目前只能实现准单色光的全偏振探测, 严重制约了其实用化. 本文首先对宽带光通道调制型偏振成像出现混叠现象的原因进行了分析, 得出载波频率是限制波段宽度的主要因素. 据此在空间频谱域上分析并推导了通道调制型偏振成像系统的光谱宽度限制判据公式, 同时通过模型仿真得到了系统的极限有效光谱范围, 与理论推导公式结果进行了对比分析, 验证了判据的准确性. 基于该判据可预测给定通道调制型偏振成像系统的有效工作波段, 同时还可为扩展系统波段宽度提供理论支撑.     

高光谱偏振成像全Stokes参量获取新方法

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、测量精度低、系统结构复杂等特点,提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。从AOTF和LCVR的工作原理出发,介绍了系统的基本探测原理;根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法--该方法选取四个固定的LCVR控制电压,同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制,得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。此外,设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器,并对其进行定标,实现了不同波长下光波的精确调制。搭建实验样机,以偏振方向分别为0°,90°和45°的三个偏振片P₁,P₂,P₃作为偏振测量目标,测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图;以画有夹角为30°的红色、绿色、蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标,对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像,得到了与红色、绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。结果表明,该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量,而且系统结构简单、成像质量良好。     

一种减少空间调制快拍成像测偏仪伪信息的方法

空间调制快拍成像测偏技术能将偏振信息编码到一幅干涉图中,通过一次测量同时获取目标全部斯托克斯参量.针对空间调制快拍成像测偏技术中,目标像的高频部分对偏振信息通道产生串扰,导致重构的偏振信息包含有伪信息和频域重构目标像的空间分辨率低等问题,提出一种消除伪信息和获取全分辨率目标像的方法.该方法通过对两次快拍测量获得的干涉图进行简单加减运算,便可获得探测目标清晰的纯图像和高信噪比的偏振分量干涉图.本文对该方法进行了详细的理论分析,并通过计算机仿真和搭建实验平台,验证了该方法的可行性.这为空间调制快拍成像测偏技术获取全分辨率目标像和高质量重构偏振信息提供了新思路.     

高光谱偏振成像全Stokes参量获取新方法（英文）

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、测量精度低、系统结构复杂等特点,提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。从AOTF和LCVR的工作原理出发,介绍了系统的基本探测原理;根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法——该方法选取四个固定的LCVR控制电压,同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制,得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。此外,设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72V连续可调方波的LCVR控制器,并对其进行定标,实现了不同波长下光波的精确调制。搭建实验样机,以偏振方向分别为0°,90°和45°的三个偏振片P_1,P_2,P_3作为偏振测量目标,测得了波长为632nm时的全Stokes参量图;以画有夹角为30°的红色、绿色、蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标,对400~750nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5nm)进行光谱成像,得到了与红色、绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。结果表明,该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量,而且系统结构简单、成像质量良好。     

基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术

为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.     

半波片角度失配对通道调制型偏振成像效果的影响及补偿

通道调制型偏振成像系统能够实时地对目标进行全偏振成像,是当前偏振成像领域的研究热点之一.基于萨瓦板的通道调制型偏振仪中半波片的光轴方向对成像结果的准确性有较大的影响.本文分析了半波片失配角的大小对探测器采集到的光强分布的影响,得到了二者之间的表达式,根据该表达式提出通过测量半波片失配角对系统进行定标并利用测得的半波片失配角对偏振成像的解调结果进行修正和补偿的方法.计算机仿真结果显示失配角为0.5?时,S1,S2和S3的解调结果准确度在经过修正补偿后分别提高了0.06%,3.49%和3.49%.表明该方法能够较好地对解调出的偏振斯托克斯参数图像进行补偿,得到更精确的成像结果,对提高通道调制型偏振成像的质量具有重要的意义.     

自适应多波段偏振图像融合研究

为综合利用不同波段的偏振信息，以便有效地去除背景杂波的影响，提高目标检测的效果，提出一种基于伪彩色映射和窗口线偏振度熵为系数的自适应加权多波段偏振参量图像融合方法.该方法是根据目标和杂乱背景的特性及多波段成像偏振探测的基本原理，利用目标偏振特征的波长依赖性，不同波段偏振图像所反映场景信息的差异，同一波段Stokes参量图像之间的关系，以及线偏振度图像所反映的有关人造物与自然背景之间的关系.将其应用于不同真实场景下多波段偏振图像，仿真结果和评价指标表明，该方法在背景抑制方面取得了良好的效果.     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

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.     

双强度调制静态傅里叶变换偏振成像光谱系统测量原理及仿真

为了抑制背景噪声,获得高信噪比的纯干涉条纹并实现图像、光谱和全偏振信息的同时测量,提出了一种基于双强度调制的静态傅里叶变换偏振成像光谱技术新方案.系统由前置望远系统、两个相位延迟器构成的偏振来谱调制模块、Wollaston棱镜构成的偏振.分束器、Savart偏光镜和线偏振器构成的干涉糢块以及CCD面阵探测器组成,可在单一探测器上同时获取两幅经过不同强度调制的全偏振干涉图,通过对两幅全偏振干涉图的简单加减运算,便可获得探测目标清晰的纯图像和高信噪比的纯干涉条纹.对该系统的图像和光谱偏振复原过程进行了理论分析和数值摸拟,结果表明该系统可有效分离探测目标的背景图像和干涉图像,实现高精度的光谱复原和全偏振信息的有效提取,具有髙稳定性、高光谱、高灵敏度、高信噪比、信息复原精度高及数据处理复杂度低等优点,为偏振干涉成像光谱技术的发展提供了新思路.     

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.     

分束型同时偏振成像系统定标及预处理方法

同时偏振成像系统可获取动态物体的瞬态偏振特性,具有广泛的应用前景。然而各偏振探测通道存在空间和辐射响应差异,对准确建立仪器穆勒矩阵造成干扰。针对分束型同时偏振成像系统,分析了误差来源,提出了定标及预处理方法。通过成像非均匀性、辐射响应不一致性、检偏角度误差、瞬时视场像差的标定和校正,消除了偏振成像探测的系统误差。结果显示:经过定标和校准处理,各通道图像非均匀度平均降低了2.24%,辐射响应差异率绝对值平均降低了17.22%,偏振相对快轴方向平均纠正了1.71°,成像几何偏差平均纠正了1.87个像元。校正后,系统偏振度和偏振角测量误差分别降低0.47和32.84°。对室外场景进行测量实验,经过预处理正确解算斯托克斯参量,并通过偏振图像融合处理,突出了不同材质的物性差异。     

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     

大气湍流对空间目标偏振成像探测的影响

为研究大气湍流对空间目标偏振成像探测准确度的影响,构建了大气湍流影响下的偏振成像探测模型,并对大气湍流导致的空间目标偏振度探测偏差进行仿真分析.通过对分时和同时偏振成像方式进行仿真,发现大气湍流会对空间目标偏振成像探测准确度造成明显影响,且对分时偏振成像探测准确度的影响明显大于同时偏振成像方式.通过自适应系统校正部分低阶像差,能明显减小大气湍流对偏振成像探测准确度的影响.为了兼顾图像信噪比和大气湍流影响下的偏振成像探测准确度,给出了一种结合分时和同时成像方式的改进偏振成像探测方式,大气湍流对其的影响略大于同时偏振成像方式,但该方式图像信噪比明显优于同时偏振成像方法.另外仿真分析发现,采用多帧图像叠加能效减小大气湍流带来的空间目标偏振成像探测偏差,在使用分时偏振成像方式时效果尤为明显.     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.     

空间调制稳态微型快拍成像测偏技术研究

空间调制快拍成像测偏技术能通过空间调制将目标全部的斯托克斯参量编码到一幅干涉图像中, 实现一次拍摄获取全部偏振信息和二维空间图像, 在生物医学、空间遥感和军事监测等方面具有重要的科学意义和广阔的应用前景. 在之前的研究中, 理论分析了基于改进型萨瓦偏光镜的空间调制稳态微型快拍成像测偏技术(MSPSIP)方案与基于传统萨瓦偏光镜的空间调制稳态微型快拍成像测偏技术方案相比:前者在空间载频和通道宽度上提高了2倍, 反演目标同一斯托克斯参量的数据面积提高了4倍, 这使得它在空间分辨率和信噪比等方面具有明显优势. 本文采用计算机仿真从定量和定性两方面论证该理论分析的正确性; 采用几何光线模型分析阐明目标的偏振态被MSPSIP调制的详细过程, 并给出了像面干涉图表达式. 搭建了实验装置, 实验验证了该方案的正确性. 讨论了调整分析器偏振化方向对干涉强度的影响, 为MSPSIP的实际应用和优化提供了理论指导. 该技术具有微型轻量、稳态、快拍, 结构简洁、直光路和易配准,可同时获取多维偏振信息和目标图像的显著特点.