CN113252168A - 一种基于四相位调制的偏振光谱成像*** - Google Patents

一种基于四相位调制的偏振光谱成像*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，由前置望远***和光谱偏振成像***组成。当光束经过前置望远***进入狭缝后，经由折反射透镜后到达浸入式光栅进行色散后再反射到折反射透镜后到达相位调制器，经过相位调制器后到达面阵探测器。该相位调制器是由四个不同方向的相位调制器在同一平面上呈阵列排列，分别为0°、45°、90°、135°。基于四相位调制的偏振光谱成像***，可以同时获取被测目标的偏振、光谱、空间等多元信息，且无任何机械运动部件，有效提高复杂背景下的目标辨识度，结构紧凑，适合空间技术应用。

Description

一种基于四相位调制的偏振光谱成像***
技术领域
本发明涉及光谱成像领域、偏振遥感领域，特别涉及一种基于四相位调制的偏振光谱成像***。
背景技术
传统光电成像探测技术是基于目标与背景的反射或辐射光波的强度值差异来探测目标，当背景杂乱或目标被伪装时，该技术几乎失效。而光的偏振特性是一种能够表征物体本质特性的物理量，地表和大气中的人造目标，其表面总会反射或辐射某种电磁波。相对于人造物体而言，自然物体的表面显得比较粗糙，它们的辐射或反射电磁波的线偏振度几乎为零。利用这一差别，偏振技术可以有效提高运动目标和背景的对比度，在线偏振度、偏振角等偏振参量图像中，具体表现为人造目标较亮而自然物体相对较暗，这给目标检测、识别带来了极大的便利。
光谱成像可以反映出化学的组成特性与空间的分布特性。偏振成像技术反映了目标对应的物理属性，也包含表面纹理、边沿信息和表面的粗糙度等等。目前出现了一种叫光谱偏振成像技术，它是一种可以把光谱技术、偏振技术和成像技术融合为一体的新型光学探测技术，光谱偏振成像仪能很好的提高光学遥感探测所获取的信息量，光谱偏振图像具有很高的空间分辨率和光谱分辨率，且包含偏振信息，在遥感探测的领域有着重要的地位以及广泛的应用。
然而，现阶段使用的机载、星载光谱偏振仪器较少，且基本是基于机械运动部件来实现偏振的获取，不能同时获取偏振、光谱信息，增加了仪器的复杂度，稳定性和可靠性也随之降低了。因此，有必要提供一种新的基于四相位调制的偏振光谱成像***来解决上述技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，能够同时获取偏振及光谱图像信息，该***适用于运动目标的探测识别。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，主要是：目标光束经过前置望远***到达狭缝3处，经过狭缝3到达折反射透镜4，光束经过折射反射再折射到达浸入式光栅5色散分光后，经反射再次到达折反射透镜4，经过折射反射再折射到达相位调制器6，光束通过相位调制器6后到达面阵探测器7进行成像。
所述前置望远***包括反射镜1为该前置光学***的主镜，目标光束经过反射镜1反射到反射镜2，光束经由反射镜2汇聚到狭缝3，本***采用离轴两反结构，可根据实际应用进行改进。
相位调制器是由四个相位调制器成的呈阵列排列的多个偏振单元，分别是0°、45°、90°及135°四个方向的偏振片，光束同时通过四个偏振片，同时成四个偏振方向的图像。
面阵探测器可以是以下形式，面阵探测器是一个由四个小面阵探测器组成的多个探测器组，每一个对应一个方向的偏振片。通过对4各面阵探测器图像的采集，能够同时得到四个方向的偏振信息，光谱信息以及空间信息等，为提高目标辨别率提供基础。还可以是以下形式，面阵探测器是一个整体，呈正方形排列的四个方向偏振片分别对应面阵探测器上的四个像元，以正方形形式对应每个像元呈周期性分布。
根据探测器接收到的图像数据集包含同一时刻内各个波段四个偏振角度下的光谱图像，同一波长下包含四个偏振角度图像，为后续目标检测提供更多的信息量。
一般使用Stokes矢量来对偏振态进行表示：
Figure BDA0003043816280000021
式中，S0：总光强；S1：水平偏振方向的光强分量和垂直偏振方向的光强分量之差；S2：偏振方向45°的光强分量与偏振方向135°的光强分量之差；S3：左旋偏振光强分量与右旋偏振光强分量之差。如果入射光为完全偏振光，S0 2＝S1 2+S2 2+S3 2；如果为部分偏振光，则0＜S1 2+S2 2+S3 2＜S0 2；若为非偏振光，S1 2+S2 2+S3 2＝0。
Stokes矢量也可用另一组符号(I,Q,U,V)T表示，其物理意义和每个参量的计算方法均和(S0,S1,S2,S3)T——对应，即
Figure BDA0003043816280000031
其中I表示散射光强度，Q,U,V表示偏振状态的物理量。
入射光经过一光学器件后，其Stokes矢量由Sin＝[I Q U V]变为Sout＝[I′ Q′ U′V′]，这两个矢量通过一个4×4的穆勒矩阵(Mueller matrix)M来联系：
Figure BDA0003043816280000032
Figure BDA0003043816280000033
有
Figure BDA0003043816280000034
M表示光学元件对光的变换作用。线性相位延迟片(/4波片、/2波片等)及偏振片是偏振测量***常用的光学元件。
透光轴与x方向成角的偏振片的穆勒矩阵为：
Figure BDA0003043816280000041
快轴与x轴重合，相位延迟为的波片的Mueller矩阵为：
Figure BDA0003043816280000042
式中，当
Figure BDA0003043816280000043
(m为整数)时为/4波片，当φ＝(2m+1)π时为/2波片。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的基于四相位调制的偏振光谱成像***采用相位调制器实现偏振的调制与获取，无任何机械运动部件，功耗低，体积小。
本发明能够同时获取四个相位的偏振光谱图像，能够更好的进行运动目标的探测识别，且本发明实用于机载、星载等不同平台的需求。
附图说明
图1为该***的结构示意图；
图2为该***中相位调制器和面阵探测器组示意图方式1；
图3为该***中相位调制器和面阵探测器组示意图方式2。
图中：1、第一反射镜；2、第二反射镜；3、狭缝；4、折反射透镜；5、浸入式光栅；6、相位调制器；7、面阵探测器。
具体实施方式
本实施例公开的一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，如图1所示，具体步骤如下：
一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，目标光束经过前置望远***到达狭缝3处，经过狭缝3到达折反射透镜4，光束经过折射反射再折射到达浸入式光栅5色散分光后，经反射再次到达折反射透镜4，经过折射反射再折射到达相位调制器6，光束通过相位调制器6后到达面阵探测器7进行成像。
前置望远***包括反射镜1为该前置光学***的主镜，目标光束经过反射镜1反射到反射镜2，光束经由反射镜2汇聚到狭缝3，本***采用离轴两反结构，可根据实际应用进行改进。
相位调制器是由四个相位调制器成的呈阵列排列的多个偏振单元，分别是0°、45°、90°及135°四个方向的偏振片，光束同时通过四个偏振片，同时成四个偏振方向的图像。
实施例1
面阵探测器可以是以下形式，面阵探测器是一个由四个小面阵探测器组成的多个探测器组，每一个对应一个方向的偏振片。通过对4各面阵探测器图像的采集，能够同时得到四个方向的偏振信息，光谱信息以及空间信息等，为提高目标辨别率提供基础，如图2所示。
实施例2
面阵探测器还可以是以下形式，面阵探测器是一个整体，呈正方形排列的四个方向偏振片分别对应面阵探测器上的四个像元，以正方形形式对应每个像元呈周期性分布，如图3所示。
根据探测器接收到的图像数据集包含同一时刻内各个波段四个偏振角度下的光谱图像，同一波长下包含四个偏振角度图像，为后续目标检测提供更多的信息量。
一般使用Stokes矢量来对偏振态进行表示：
Figure BDA0003043816280000051
式中，S0：总光强；S1：水平偏振方向的光强分量和垂直偏振方向的光强分量之差；S2：偏振方向45°的光强分量与偏振方向135°的光强分量之差；S3：左旋偏振光强分量与右旋偏振光强分量之差。如果入射光为完全偏振光，S0 2＝S1 2+S2 2+S3 2；如果为部分偏振光，则0＜S1 2+S2 2+S3 2＜S0 2；若为非偏振光，S1 2+S2 2+S3 2＝0。
Stokes矢量也可用另一组符号(I,Q,U,V)T表示，其物理意义和每个参量的计算方法均和(S0,S1,S2,S3)T——对应，即
Figure BDA0003043816280000061
其中I表示散射光强度，Q,U,V表示偏振状态的物理量。
入射光经过一光学器件后，其Stokes矢量由Sin＝[I Q U V]变为Sout＝[I′ Q′ U′V′]，这两个矢量通过一个4×4的穆勒矩阵(Mueller matrix)M来联系：
Figure BDA0003043816280000062
Figure BDA0003043816280000063
有
Figure BDA0003043816280000064
M表示光学元件对光的变换作用。线性相位延迟片(/4波片、/2波片等)及偏振片是偏振测量***常用的光学元件。
透光轴与x方向成角的偏振片的穆勒矩阵为：
Figure BDA0003043816280000071
快轴与x轴重合，相位延迟为的波片的Mueller矩阵为：
Figure BDA0003043816280000072
式中，当
Figure BDA0003043816280000073
(m为整数)时为/4波片，当φ＝(2m+1)π时为/2波片。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，其特征是：所述成像***包括前置望远***、狭缝(3)、反射透镜(4)、浸入式光栅(5) 、相位调制器(6)以及面阵探测器模块(7)；其中，
所述前置望远***以及反射透镜(4)分别位于所述狭缝(3)的两侧，目标光束经过前置望远***到达狭缝(3)处，经过狭缝(3)到达折反射透镜(4)；所述反射透镜(4)的同侧设有浸入式光栅(5)以及相位调制器(6)，光束经过折射反射再折射到达浸入式光栅(5)，经反射再次到达折反射透镜(4)，经过折射反射再折射到达相位调制器(6)；
所述相位调制器(6)与面阵探测器模块(7)相连，光束通过相位调制器(6)后到达面阵探测器模块(7)进行成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，其特征是：所述前置望远***为离轴两反结构，包括至少2个反射镜，目标光束经过第一反射镜(1)反射到第二反射镜(2)，经由第二反射镜(2)汇聚到狭缝(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，其特征是：所述相位调制器(6)包含四个相位调制器成的呈阵列排列的多个偏振单元，各相位调制器分别是0°、45°、90°及135°四个方向的偏振片，光束同时通过四个偏振片，同时成四个偏振方向的图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，其特征是：所述面阵探测器模块(7)为以下形式：
面阵探测器模块由至少四个面阵探测器组成的多个探测器组，每一个面阵探测器对应一个方向的偏振单元，通过对4个面阵探测器图像的采集。
5.根据权利要求4所述的一种基于四相位调制的偏振光谱成像***，其特征是：所述面阵探测器模块(7)为以下形式：
面阵探测器模块是一个整体，所述偏振单元呈正方形，每个偏振单元分别对应面阵探测器模块上的四个像元，以正方形形式对应每个像元呈周期性分布。
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