一種廣域多角度偏振光譜成像系統的制作方法
本發明屬于光學遙感技術領域，涉及一種廣域多角度偏振光譜成像系統。
背景技術：
廣域多角度偏振光譜成像系統是指采用廣角成像、多角度觀測、光譜成像、偏振成像模式，多用于大氣探測，也可應用在地質資源探測、農林植被監測、水體海岸帶環境監測、自然災害監測、城市規劃等多種其它領域。成像系統能夠對目標的偏振光譜信息進行測量，由于不同目標具有各自一定的偏振光譜特性，對偏振光譜參數進行測量就能很好地表征被探測目標的性質特征，從而使其成為光學遙感的有效手段。
目前國內外現有的可實現廣域多角度偏振光譜成像的系統不多，成功應用的典型代表為法國POLDER航天衛星載荷和中國的DPC航空載荷，二者采用近似的技術方案和指標，主要采用旋轉偏振片、濾光片配合面陣探測器的傳統技術方案，對于傳統技術方案，實現廣域成像、多角度觀測、多光譜或高光譜成像、偏振成像的方式為：
廣域成像方式：采用廣角鏡頭配合面陣探測器實現；
多角度觀測：在航空航天平臺運動過程中，利用光學鏡頭的不同視場，實現多角度觀測；
光譜獲取方式：采用多組濾光片進行幾個典型應用譜段的選取，譜段范圍為可見光和近紅外譜段，具備偏振探測能力的譜段數量為3個。
偏振獲取方式：利用多個偏振片獲取目標的3種線偏振信息。
傳統技術方案因為采用旋轉機構，因此不能進行同時偏振探測，各個偏振態是非同時獲取，存在時間間隔。目前國內外采用傳統技術方案，存在機械轉動、非同時探測、偏振探測譜段數量少等缺點。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：克服傳統技術方案的不足，提出一種廣域多角度偏振光譜成像系統，克服傳統技術存在機械轉動的缺點，無運動部件能夠保證系統在穩定狀態下長期連續探測，大大延長使用壽命。
本發明的技術方案是：一種廣域多角度偏振光譜成像系統，包括廣角近遠心成像鏡組、準直擴束鏡組、偏振光譜調制模塊、中繼成像鏡組、狹縫陣列、傳像模塊、光柵成像光譜儀和數據處理單元；入射光經過廣角近遠心成像鏡組后實現第一次成像，經過準直擴束鏡組后形成具有一定視場角的平行光束，平行光束入射到偏振光譜調制模塊實現對光束偏振態的調制，再經過中繼成像鏡組實現第二次成像；狹縫陣列擺放在第二次成像的像面處，實現多角度觀測；傳像模塊將從狹縫陣列出射的多個狹縫對應的像面重新排列成一列，作為后端光柵成像光譜儀的輸入，光柵成像光譜儀獲取經過偏振光譜調制的多種觀測角度的光譜色散數據，送至數據處理單元解調出多種觀測角度的偏振光譜成像數據。
所述的偏振光譜調制模塊包括從左向右依次排列的2個相位延遲器和1個檢偏器，其中第一相位延遲器的快軸方向與第二相位延遲器的快軸方向成45°角，檢偏器的透光軸方向與第一相位延遲器的快軸方向平行。
所述的廣角近遠心成像系統的系統視場≥100°×100°。
所述的傳像模塊為光纖板或光錐組件。
本發明與現有技術相比的優點在于：本發明具備傳統技術方案的所有功能，包括廣角成像、多角度觀測、光譜成像、偏振成像等，同時能夠解決傳統技術方案的不足，包括存在機械轉動、非同時探測、只能進行線偏振探測、偏振探測譜段數量少等缺點。具體優點表現在：
(1)采用Fourier變換靜態偏振光譜調制測量方法，配合廣角鏡頭、準直擴束鏡組、中繼成像鏡組、狹縫陣列、光纖板/光錐傳像以及光譜成像系統，整個系統沒有運動機構，克服傳統技術方案存在機械轉動的缺點，無運動部件能夠保證系統在穩定狀態下長期連續探測，大大延長使用壽命。
(2)成像系統能夠同時進行偏振和光譜探測，克服了傳統技術方案非同時探測的缺點，同時探測能夠保證獲取更高精度的數據。
(3)成像系統能夠對4個Stokes參量探測，即具備全偏振探測能力，而傳統技術方案只能對3個Stokes參量探測，只能探測線偏振，不能探測圓偏振，即不具備全偏振探測能力。
(4)成像系統能夠獲取幾十個偏振譜段的探測數據，而傳統技術方案僅獲取三個偏振譜段的探測數據，偏振光譜探測數據量得到極大提升。
附圖說明
圖1為本發明系統的原理圖；
圖2為本發明系統中的偏振光譜調制模塊；
圖3為本發明系統中的利用傳像模塊將狹縫陣列像面重新排列示意圖；
圖4為本發明系統在推掃成像模式下實現多角度和連續覆蓋觀測示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明系統組成包括：廣角近遠心成像鏡組1、準直擴束鏡組2、偏振光譜調制模塊3、中繼成像鏡組4、狹縫陣列5、傳像模塊6、光柵成像光譜儀7和數據處理單元8。前端采用廣域近遠心成像系統，系統視場≥100°×100°，入射光經過廣角近遠心成像鏡組后實現第一次成像，經過準直擴束鏡組后，形成具有一定視場角的平行光束，平行光束入射到偏振光譜調制模塊，實現對光束偏振態的調制，經過中繼成像鏡組實現第二次成像，狹縫陣列擺放在第二次成像的像面處，狹縫陣列的作用是實現多角度觀測，利用光纖板/光錐將多個狹縫對應的像面重新排列成一列，作為后端光柵成像光譜儀的輸入，后端光譜儀成像光譜儀，采用光柵成像光譜儀技術方案。光柵成像光譜儀可獲取經過偏振調制的多種觀測角度的光譜色散數據，經過數據處理單元，可解調出多種觀測角度的偏振光譜成像數據；所述傳像模塊6為光纖板或光錐組件
如圖2所示，偏振光譜調制模塊由2個相位延遲器和1個檢偏器組成，其中第一相位延遲器的快軸方向與第二相位延遲器的快軸方向成一定角度，以45°角為例說明調制解調原理，檢偏器的透光軸方向與第一相位延遲器的快軸方向平行。偏振測量采用Fourier變換靜態偏振光譜調制測量方法，利用一次測量獲得目標的4個完整Stokes矢量。
假設入射光的Stokes矢量為：
Sin＝(S0(σ) S1(σ) S2(σ) S3(σ))T
檢偏器的穆勒矩陣為：
假設單個延遲器(兩個延遲器都遵循此規則)的相位延遲為φ(σ)，快軸方向角度θ，σ為波數，σ＝1/λ，λ為光波波長，則單個延遲器的穆勒矩陣為：
第一相位延遲器的快軸角度設為0°，則第二相位延遲器的快軸角度為45°，則出射光的Stokes矢量為：
上式中，等號左邊為靜態調制模塊出射光的Stokes矢量元素譜矩陣，等號右邊從左至右分別為檢偏器的穆勒矩陣、第二相位延遲器的穆勒矩陣、第一相位延遲器的穆勒矩陣和入射光的Stokes矢量元素譜矩陣。
用P(σ)表示S0′(σ)，即出射光的輸出功率譜：
其中，φ1(σ)和φ2(σ)分別為第一相位延遲器的相位延遲、第二相位延遲器的相位延遲，與波數間的關系為φ1(σ)＝2πΔn1D1σ，φ2(σ)＝2πΔn2D2σ，其中Δn1表示第一相位延遲器中O光和E光的折射率差，D1表示第一相位延遲器的厚度，Δn2表示第二相位延遲器中O光和E光的折射率差，D2表示第二相位延遲器的厚度。當延遲器的厚度一定時，延遲量與波數是線性關系。P(σ)可看作入射光Stokes矢量元素譜經不同頻率載波調制后的線性迭加(頻域干涉)，從而實現對入射光偏振、光譜信息的強度調制功能。
設L1＝Δn1D1，L2＝Δn2D2，則有：
φ1(σ)＝2πΔn1D1σ＝2πL1σ
φ2(σ)＝2πΔn2D2σ＝2πL2σ
L1表示O光和E光在經過第一相位延遲器過程中產生的光程差，L2表示O光和E光在經過第二相位延遲器過程中產生的光程差。
令S23(σ)＝S2(σ)+i×S3(σ)，則有
S2(σ)＝|S23(σ)|×cos(arg{S23(σ)})
S3(σ)＝|S23(σ)|×sin(arg{S23(σ)})
符號arg表示復數的輻角，i表示復數的虛數部分。
將φ1(σ)、φ2(σ)、S2(σ)、S3(σ)的表達式代入功率譜表達式P(σ)，整理得到：
符號*表示共軛復數；
對上式進行逆傅里葉變換，得到自相關函數C(h)，表達式為：
C(h)＝A0(h)+A1(h-(L2-L1))+A1*(-h-(L2-L1))+A2(h-L2)+A2*(-h-L2)+A3(h-(L2+L1))+A3*(-h-(L2-L1))
其中，
對自相關函數C(h)進行濾波處理，截取其中的A0(h)、A1(h-(L2-L1))和A2(h-L2)這3項，分別對截取的3項進行傅里葉變換，得到：
根據上面3個表達式，可推出目標的Stokes矢量計算公式為：
S0(σ)＝2×F{A0(h)}
偏振光譜調制模塊后端是成像模塊，在成像模塊的像面處，放置多個狹縫，實現多種觀測角度的觀測。如圖3所示，光纖板/光錐一端連接狹縫陣列對應的像面，將狹縫處多陣列像面重新排列，形成單一的長陣列像面，長陣列像面作為后端光譜儀的輸入。采用光纖板可實現等大傳像，采用光錐可縮小像面，減小后端光譜儀的尺寸。
如圖4所示，系統可搭載在航空機載或航天星載平臺，利用平臺運動實現推掃成像，在推掃成像模式下實現多角度觀測和連續覆蓋觀測。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
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