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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

更新时间：2019-12-25 15:33:40 大小：931K 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：傅里叶变换偏振成像光谱系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

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.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 5 (2017) 054201  
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  
于慧1)3)4)† 张瑞2)3)4)‡ 李克武2)3)4) 薛锐1)3)4) 王志斌1)3)4)  
1)(中北大学理学院, 太原 030051)  
2)(中北大学信息与通信工程学院, 太原 030051)  
3)(山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 太原 030051)  
4)(中北大学, 电子测试技术重点实验室, 太原 030051)  
( 2016 年 7 月 23 日收到; 2016 年 11 月 30 日收到修改稿 )  
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  
偏振光谱调制模块、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模块以及 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模拟, 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, 具有高稳定性、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.  
关键词: 双强度调制, 偏振成像光谱技术, 傅里叶变换, Stokes矢量  
PACS: 42.15.Eq, 42.25.Ja, 42.25.Hz  
DOI: 10.7498/aps.66.054201  
者 Oka 和Kato [3] 提出的一种能够同时获得目标全  
部Stokes偏振参量的快照式光谱偏振测量技术. 基  
于这一概念, 出现了许多种不同方案的偏振成像光  
谱仪 [3−9,12,13,18−21,24], 而将强度调制光谱偏振技  
术与傅里叶变换干涉成像光谱技术结合是其中的  
典型代表 [7,9,18−21,24]. 它采用相位延迟器件对目标  
的偏振信息进行强度调制, 利用傅里叶变换干涉成  
像光谱仪得到图像和通道化的干涉图样, 然后通  
过对干涉图在光程差维滤波及傅里叶变换复原出  
偏振光谱信息, 具有高稳定性、高通量、多通道及  
数据获取简单快速等优点. Tyo 等 [4,8] 设计了在基  
于改进的 Sagnac 干涉仪的空间调制傅里叶变换成  
1 引  
言
偏振成像光谱 (spectropolarimetirc imaging,  
SPI) 技术是偏振成像技术和光谱成像技术的有机  
融合, 能够同时获得目标的二维图像信息、图像中  
各点的光谱信息以及每个谱段的偏振信息 [1−25]  
.
图像、光谱、偏振信息的三位一体, 大大提高了目标  
探测的信息量和识别的准确度, 在国防安全、航空  
航天、地球遥感、资源普查、污染防治以及生物医学  
等 [26−34] 领域有着重要的应用价值和发展前景.  
强度调制 (通道型) 光谱偏振技术是由日本学  
∗
国家国际科技合作专项 (批准号: 2013DFR10150)、国家自然科学基金 (批准号: 61127015, 61471325, 61505179) 和山西省青年科  
技研究基金 (批准号: 2014021012) 资助的课题.  
†
‡
通信作者. E-mail:
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
054201-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 5 (2017) 054201  
像光谱仪的光路中加入可变相位延迟器的偏振成  
像光谱仪, 通过对可变相位延迟器设置不同的参  
数获得同一目标的不同偏振态光谱图像. Kudenov  
等 [9] 在强度调制光谱偏振技术基础上采用钒酸钇  
(YVO4) 晶体相位延迟器和商品化傅里叶变换光谱  
仪研制了中波红外谱段的偏振成像光谱仪, 实现了  
光谱偏振测量. Jones 等 [17] 提出了由两个多级相  
位延迟器构成的偏振模块和两个 Wollaston 棱镜、  
一个相位延迟器构成的干涉模块组合而成的红外  
高光谱偏振成像光谱仪, 通过改变两个 Wollaston  
棱镜的相对位置产生光程差. 李杰等 [21] 提出了基  
于双相位延迟器偏振模块和单 Wollaston棱镜干涉  
模块的全光调制静态傅里叶变换超光谱全偏振成  
像仪. 这些偏振成像光谱仪的提出为 SPI技术的进  
一步发展和应用提供了新思路, 但是这些设计方  
案中普遍存在需要狭缝、电控相位延迟器件、运动  
部件、不能同时获得全部 Stokes偏振参量等不足之  
处. 此外, 探测器上获得的干涉条纹和目标图像是  
叠加在一起的, 光谱复原时计算量大, 数据处理繁  
冗, 信息获取精度低. 为了避免以上缺点, 本文提  
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, 其显著特点是可将探测目标的背景  
和干涉图像有效分离开来, 避免了图像与干涉条纹  
之间的干扰, 并同时实现图像、光谱和全部 Stokes  
偏振参量的一体化探测, 具有高稳定性、高灵敏度、  
高信噪比、信息复原精度高、数据处理复杂度低等  
优点. 文中详细介绍了该系统的基本结构和测量原  
理, 对数据采集和光谱偏振复原公式进行了推导,  
并对整个过程进行了数值模拟和仿真, 验证了该方  
法的可行性.  
2 系统基本结构与测量原理  
双强度调制静态傅里叶变换偏振成像光谱系  
统的基本结构如图 1 所示, 主要包括前置望远系统  
(由透镜 L0、光阑 F 和透镜 L1 组成)、相位延迟器件  
R1 和 R2、起偏器 P, Wollaston 棱镜 WP, Savart 偏  
光镜SP、检偏器A、二次成像系统及面阵CCD探测  
器. 相位延迟器 R1, R2 和起偏器 P 构成偏振光谱  
调制模块, R1 和R2 的厚度分别为d1 和d2, R1 的快  
轴方向与x 轴成45◦ 角, R2 的快轴方向与x 轴一致,  
P 的偏振方向与 x 轴成 45◦ 角. WP 用于产生强度  
相等的两束正交偏振光, 其主截面分别平行于 y 轴  
和 x 轴. SP 和检偏器 A 组成干涉模块, SP 左板的  
光轴在与 y 轴正向、z 轴负向成 45◦ 角的平面内, 在  
xy 平面内的投影与x轴夹角为 45◦, SP 右板的光轴  
在与y 轴正向、z 轴正向成45◦ 角的平面内, 在xy 平  
面内的投影与 x 轴夹角为 45◦. A 的偏振方向平行  
于y 轴. 入射光经由前置望远系统收集、准直后, 进  
入 R1 和 R2 进行相位调制, 调制后的入射光通过起  
偏器 P 变为线偏振光, 之后被 WP 角剪切为沿 y 轴  
方向的两束强度相等的正交线偏振光. 两束线偏振  
光分别通过 SP 发生横向剪切, 每一束又被一分为  
二, 成为两束强度相等、传播方向相互平行的正交  
线偏振光, 通过检偏器 A后振动方向变为一致产生  
干涉, 然后由二次成像系统分别会聚于 CCD 探测  
器的上半部分和下半部分, 同时形成两幅背景与干  
涉条纹并存的全偏振干涉图像. 在平行于 y 轴方向  
两图像对应像点的光程差相等, 在平行于 x 轴方向  
随入射角同步改变.  
y
x
z
F
L0  
R1  
R2  
L2  
L1  
P
WP  
SP  
A
CCD  
图 1 双强度调制静态傅里叶变换偏振成像光谱系统结构示意图  
Fig. 1. Optical layout of the spectropolarimetirc imaging system based on static dual intensity modulated  
Fourier transform.  
054201-2  

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