CN107356334A - 一种红外光谱偏振成像仪在线定标***及定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，基于望远镜头，偏振调制***、光谱分光***和成像探测***构成的待定标红外光谱偏振成像仪，所述的成像探测***，包括沿光路依次设置的面源黑体、光栅单色仪、准直***、固定偏振片以及安装在中空伺服电机上的可旋转消色差波片，所述的望远镜头、偏振调制***、光谱分光***和成像探测***依次设置在消色差波片后方；还公开了其定标方法，针对红外光谱偏振成像仪特点，分别提出基于高斯函数拟合法的光谱定标方法与基于辅助偏振定标样品的多点求解法的偏振定标方法，以实现红外光谱偏振成像***原位在线定标和高精度光谱与偏振同时定标。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱偏振成像技术领域，尤其涉及一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，以及其定标方法。
背景技术
红光光谱偏振成像***在测量中可以获得目标七维信息（光谱、光强、空间、偏振度、偏振角、偏振椭率和旋转方向），具有强度信息所无法比拟的优势，为全面、深入地研究目标的偏振光谱特性提供了有效的途径。
通过对目标偏振光谱特性的分析，可准确、有效地获取目标的化学成分、性状等信息，应用于各个领域的应用研究。然而，如何准确、有效的获得目标的光谱信息与偏振信息是开展红外光谱偏振成像技术研究的前提。其中，光谱信息的准确度直接影响目标光学特性建模的准确度，而偏振测量的精度决定了后续偏振分析与目标识别的精度。
随着红外偏振成像技术的飞速发展，其应用领域也逐步扩展，为了满足实际使用中高精度测量的要求，红外光谱偏振成像设备的定标***需具有定标速度快、精度高、在线原位等特点。
目前，红外光谱偏振成像仪的光谱定标与偏振定标往往采用两种光路***分别独立定标，进而带来多余的定标误差，同时分离的定标结构，无法满足红外光谱偏振成像***在原位在线定标的需求。
发明内容
本发明针对背景所述问题，提出了一种红外光谱偏振成像仪在线定标***及其定标方法，可以实现红外光谱偏振成像***原位在线、高精度光谱与偏振同时定标的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，基于望远镜头，偏振调制***、光谱分光***和成像探测***构成的待定标红外光谱偏振成像仪，所述的成像探测***包括红外焦平面探测器及其成像电路，包括沿光路依次设置的面源黑体、光栅单色仪、准直***、固定偏振片以及安装在中空伺服电机上的可旋转消色差波片，所述的望远镜头、偏振调制***、光谱分光***和成像探测***依次设置在消色差波片后方。
进一步，所述的消色差波片和望远镜头之间设置有辅助偏振定标样品。
所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其辅助偏振定标样品为穆勒矩阵已知的具有二向色性样品。
所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其面源黑体为温度可调节面源黑体。
所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其光栅单色仪为基于色散原理的光栅单色仪，且单色仪的光谱分辨率可调。
所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其准直***具有准直与匀光功能。
所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其固定偏振片为标准红外线栅偏振片，全波段内消光谱优于1000：1，其方位角以设定角度放置。
本发明的目的之二在于提供一种红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，步骤为：
第一步，完成光谱定标，获得待定标光谱参数，具体包括如下步骤
a1，将面源黑体设定到定标温度，调节光栅单色仪至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b1，以360°/N的步距依次调整消色差波片的位置θ i ，偏振***保持不变，在每个消色差波片调制位，光谱分光***以实际使用波长间隔依次调整，红外焦平面探测器获取全波段辐射强度；
c1，比较消色差波片不同位置下红外焦平面探测器获取的全波段辐射强度大小，将消色差波片调整到辐射强度最强位置；
d1，设定光栅单色仪波长扫描范围与步进波长，其中波长扫描范围大于待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应范围，步进波长小于待定标红外光谱偏振成像仪光谱分辨率；在每个定标波段下调整成像***积分时间，保证成像***输出光强为最大值的2/3，保证光谱定标信噪比；
e1，光栅单色仪以设定步进波长进行波长扫描，待定标红外光谱偏振成像仪接收单色光DN i ；
f1，通过对待定标红外光谱偏振成像仪在第i波段实际光谱响应的多特征点DN i 进行高斯拟合，即可得到待定标红外光谱偏振成像仪实际光谱响应的中心波长及光谱分辨率；
g1，重复上步至全段波定标完成，得到红外光谱偏振成像设备完成光谱定标参数；
第二步，完成偏振定标，获得待定标偏振参数，具体包括如下步骤
a2，将面源黑体设定到定标温度，调节光栅单色仪至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b2，调整的光谱分光***至起始波长位置λ 1；
c2，旋转消色差波片至四个不同角度，与固定偏振片一起，作为起偏端，产生四组独立偏振态W i (i=1，2，3，4)；将偏振调制***作为检偏端，调整其偏振调制***，旋转消色差波片每个角度下，产生四组独立的检偏态A j (j=1，2，3，4)，即通过起偏端与检偏端的偏振调制共产生16组线性无关偏振方程；
d2，红外焦平面探测器在波长λ 1下获取16组不同偏振态下的光强信息并表示为矩阵点乘形式：，其中M为起偏端与检偏端样品的穆勒矩阵，W为起偏端***矩阵，其偏振参数已知，A为检偏端***矩阵，其偏振参数即为待定标偏振参数；
e2，调整光谱分光***以设定波长间隔Δλ调整波长，在每个设定波长下重复步骤c2和d2，即可得到全波范围待定标偏振参数。
所述的一种红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，其步骤f1中对任意波段待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应函数S i (λ)通过如下公式表示
，其中，K为常数，λ为波长，λi为待定标***第i波段的中心波长，σi为待定标***第i波段出射光斑的半径；
待定标红外光谱偏振成像仪光谱分辨率Δλ为高斯函数的半高宽，光谱分辨率可通过如下公式表示
。
所述的一种红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，其步骤d2中当在线定标***中未加入辅助偏振定标样品时，M为理想空气穆勒矩阵，；当加入辅助偏振定标样品后，M为样品穆勒矩阵，，联立两个公式构建超定方程组，可求得矩阵A中偏振参数，即为待定标红外光谱偏振成像仪中偏振***参数。
本发明的有益效果是：可以在测量中完成待定标设备完整偏振参数与光谱参数定标，具有速度快、鲁棒性高的特点；同时，定标过程中无需改变红外光谱偏振成像仪内部偏振、光谱器件位置，可以实现原位在线定标，避免了定标过程中光谱器件与偏振器件的交叉影响。
附图说明
图1是本发明的统原理图；
图2是本发明成像仪的光谱定标流程图；
图3是本发明成像仪的偏振定标流程图。
各附图标记为：1—面源黑体，2—光栅单色仪，3—准直***，4—固定偏振片，5—旋转消色差波片，6—中空伺服电机，7—辅助偏振定标样品，8—望远镜头，9—偏振调制***，10—光谱分光***，11—成像探测***。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，基于望远镜头8，偏振调制***9、光谱分光***10和成像探测***11构成的待定标红外光谱偏振成像仪，成像探测***11包括红外焦平面探测器及其成像电路，其中内置的偏振调制***9中偏振元件***参数即为待定标偏振参数，包括补偿器相位延迟量、补偿器初始方位角、偏振片初始方位角，光谱分光***10波长偏移量与半带宽即为待定标光谱参数，包括沿光路依次设置的面源黑体1、光栅单色仪2、准直***3、固定偏振片4以及安装在中空伺服电机6上的可旋转消色差波片5，消色差波片5由中空伺服电6机负载，根据定标需要中空伺服电机6转动不同定标角度，消色差波片5在定标全波段内中心相位延迟量优化设计为132°、相位延迟偏差小于5°，所述的望远镜头8、偏振调制***9、光谱分光***10和成像探测***11依次设置在消色差波片5后方。
其中，所述的面源黑体1为温度可调节面源黑体，可以根据定标需要调节黑体温度；所述的光栅单色仪2为基于色散原理的光栅单色仪，且单色仪的光谱分辨率可调；所述的准直***3具有准直与匀光功能；所述的固定偏振片4为标准红外线栅偏振片，全波段内消光谱优于1000：1，其方位角以设定角度放置。
进一步，可在消色差波片5和望远镜头8之间设置辅助偏振定标样品7，所述的辅助偏振定标样品7为穆勒矩阵已知的具有二向色性样品。
红外光谱偏振成像仪的光谱定标与偏振定标均可采用上述在线定标***完成，具体分两步执行。
第一步，完成光谱定标，获得待定标光谱参数(中心波长与光谱分辨率)。
如图2所示，所述第一步包括：
a1，将面源黑体1设定到定标温度，调节光栅单色仪2至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b1，以360°/N的步距依次调整消色差波片5的位置θ i ，待定标红外光谱偏振成像仪的偏振***9保持不变。
在每个消色差波片5调制位，待定标红外光谱偏振成像仪的光谱分光***10以实际使用波长间隔依次调整，红外焦平面探测器获取全波段辐射强度。
c1，比较消色差波片5不同位置下红外焦平面探测器获取的全波段辐射强度大小，将消色差波片5调整到辐射强度最强位置，避免偏振元件消光产生光谱定标误差。
d1，设定光栅单色仪2波长扫描范围与步进波长，其中波长扫描范围大于待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应范围，步进波长小于红外光谱偏振成像仪光谱分辨率。
在每个定标波段下调整成像***积分时间，保证成像***输出光强为最大值的2/3，保证光谱定标信噪比。
e1，光栅单色仪2以设定步进波长进行波长扫描，待定标红外光谱偏振成像仪接收单色光DN i 。
f1，通过对待定标红外光谱偏振成像仪在第i波段实际光谱响应的多特征点DN i 进行高斯拟合，即可得到待定标红外光谱偏振成像仪实际光谱响应的中心波长及光谱分辨率。
其中，对任意波段待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应函数S i (λ)可通过如下公式表示：
其中，K为常数，λ为波长，λi为待定标***第i波段的中心波长，σi为待定标***第i波段出射光斑的半径。
待定标红外光谱偏振成像仪光谱分辨率Δλ为高斯函数的半高宽，光谱分辨率可通过如下公式表示：
。
g1，重复上步至全段波定标完成，得到红外光谱偏振成像设备完成光谱定标参数。
第二步，完成偏振定标，获得待定标偏振参数(偏振器件相位延迟两、偏振器件初始方位角等)。
如图3所示，所述第二步包括：
a2，将面源黑体1设定到定标温度，调节光栅单色仪2至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b2，调整待定标红外光谱偏振仪的光谱分光***10至起始波长位置λ 1；
c2，旋转消色差波片5至四个不同角度，与固定偏振片4一起，作为起偏端，产生四组独立偏振态W i (i=1，2，3，4)；待定标红外光谱偏振成像仪内置的偏振调制***9作为检偏端，调整偏振调制***，旋转消色差波片5每个角度下，产生四组独立的检偏态A j (j=1，2，3，4)。
即通过起偏端与检偏端的偏振调制共产生16组线性无关偏振方程。
d2，红外焦平面探测器在波长λ 1下获取16组不同偏振态下的光强信息并可表示为矩阵点乘形式：
其中M为起偏端与检偏端样品的穆勒矩阵，W为起偏端***矩阵，其偏振参数已知，A为检偏端***矩阵，其偏振参数即为待定标偏振参数；
此步骤中当红外光谱偏振成像仪在线定标***中未加入辅助偏振定标样品7时，M即为理想空气穆勒矩阵，；当加入辅助偏振定标样品后，M为样品穆勒矩阵，，联立两个公式构建超定方程组，可求得矩阵A中偏振参数，即为待定标红外光谱偏振成像仪中偏振***参数。
e2，调整待定标红外光谱偏振仪的光谱分光***以设定波长间隔Δλ调整波长，在每个设定波长下重复步骤c2和d2，即可得到全波范围待定标偏振参数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，基于望远镜头（8），偏振调制***（9）、光谱分光***（10）和成像探测***（11）构成的待定标红外光谱偏振成像仪，所述的成像探测***（11）包括红外焦平面探测器及其成像电路，其特征在于：包括沿光路依次设置的面源黑体（1）、光栅单色仪（2）、准直***（3）、固定偏振片（4）以及安装在中空伺服电机（6）上的可旋转消色差波片（5），所述的望远镜头（8）、偏振调制***（9）、光谱分光***（10）和成像探测***（11）依次设置在消色差波片（5）后方。
2.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的消色差波片（5）和望远镜头（8）之间设置有辅助偏振定标样品（7）。
3.根据权利要求2所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的辅助偏振定标样品（7）为穆勒矩阵已知的具有二向色性样品。
4.根据权利要求1或2所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的面源黑体（1）为温度可调节面源黑体。
5.根据权利要求1或2所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的光栅单色仪（2）为基于色散原理的光栅单色仪，且单色仪的光谱分辨率可调。
6.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的准直***（3）具有准直与匀光功能。
7.根据权利要求1所述的一种红外光谱偏振成像仪在线定标***，其特征在于，所述的固定偏振片（4）为标准红外线栅偏振片，全波段内消光谱优于1000：1，其方位角以设定角度放置。
8.一种如权利要求1所述红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，完成光谱定标，获得待定标光谱参数，具体包括如下步骤
a1，将面源黑体（1）设定到定标温度，调节光栅单色仪（2）至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b1，以360°/N的步距依次调整消色差波片（5）的位置θ i ，偏振***（9）保持不变，在每个消色差波片（5）调制位，光谱分光***（10）以实际使用波长间隔依次调整，红外焦平面探测器获取全波段辐射强度；
c1，比较消色差波片（5）不同位置下红外焦平面探测器获取的全波段辐射强度大小，将消色差波片（5）调整到辐射强度最强位置；
d1，设定光栅单色仪（2）波长扫描范围与步进波长，其中波长扫描范围大于待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应范围，步进波长小于待定标红外光谱偏振成像仪光谱分辨率；在每个定标波段下调整成像***积分时间，保证成像***输出光强为最大值的2/3，保证光谱定标信噪比；
e1，光栅单色仪（2）以设定步进波长进行波长扫描，待定标红外光谱偏振成像仪接收单色光DN i ；
f1，通过对待定标红外光谱偏振成像仪在第i波段实际光谱响应的多特征点DN i 进行高斯拟合，即可得到待定标红外光谱偏振成像仪实际光谱响应的中心波长及光谱分辨率；
g1，重复上步至全段波定标完成，得到红外光谱偏振成像设备完成光谱定标参数；
第二步，完成偏振定标，获得待定标偏振参数，具体包括如下步骤
a2，将面源黑体（1）设定到定标温度，调节光栅单色仪（2）至不分光位置，使出射光束包含完整光谱信息；
b2，调整的光谱分光***（10）至起始波长位置λ 1；
c2，旋转消色差波片（5）至四个不同角度，与固定偏振片（4）一起，作为起偏端，产生四组独立偏振态W i (i=1，2，3，4)；将偏振调制***（9）作为检偏端，调整其偏振调制***（9），旋转消色差波片（5）每个角度下，产生四组独立的检偏态A j (j=1，2，3，4)，即通过起偏端与检偏端的偏振调制共产生16组线性无关偏振方程；
d2，红外焦平面探测器在波长λ 1下获取16组不同偏振态下的光强信息并表示为矩阵点乘形式：，其中M为起偏端与检偏端样品的穆勒矩阵，W为起偏端***矩阵，其偏振参数已知，A为检偏端***矩阵，其偏振参数即为待定标偏振参数；
e2，调整光谱分光***（10）以设定波长间隔Δλ调整波长，在每个设定波长下重复步骤c2和d2，即可得到全波范围待定标偏振参数。
9.根据权利要求8所述的一种红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，其特征在于，所述的步骤f1中对任意波段待定标红外光谱偏振成像仪光谱响应函数S i (λ)通过如下公式表示
，其中，K为常数，λ为波长，λi为待定标***第i波段的中心波长，σi为待定标***第i波段出射光斑的半径；
待定标红外光谱偏振成像仪光谱分辨率Δλ为高斯函数的半高宽，光谱分辨率可通过如下公式表示
。
10.根据权利要求8所述的一种红外光谱偏振成像仪的在线定标方法，其特征在于，所述的步骤d2中当在线定标***中未加入辅助偏振定标样品（7）时，M即为理想空气穆勒矩阵，；当加入辅助偏振定标样品后，M为样品穆勒矩阵，，联立两个公式构建超定方程组，可求得矩阵A中偏振参数，即为待定标红外光谱偏振成像仪中偏振***参数。
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