專利名稱：偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于星載、機(jī)載和地面對地遙感及深空探測的成像偏4展光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
成像光謹(jǐn)偏振探測技術(shù)對于云和大氣氣溶膠的探測、地質(zhì)勘探、土壤分析、環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害估計(jì)、農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、海洋開發(fā)利用和軍事領(lǐng)域等方面具有重要價(jià)值。為了更好地應(yīng)用成像光譜偏振探測系統(tǒng)，獲得目標(biāo)準(zhǔn)確的光譜偏振信息，就需要進(jìn)行偏振定標(biāo)，建立成像光譜偏振探測系統(tǒng)每個探測單元的輸出信號與該單元對應(yīng)的實(shí)際地物偏振信息之間的定量關(guān)系，這是遙感信息定量化關(guān)鍵的一步。
定標(biāo)的最終目的是為了根據(jù)成像光譜偏振探測系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確得到目標(biāo)反射光的光譜偏振特性。遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于定標(biāo)精度。定標(biāo)手段是測定成像光譜偏振探測系統(tǒng)對一個已知輻射特性目標(biāo)的響應(yīng)，以它為定標(biāo)源進(jìn)4于定標(biāo)。
光譜偏振信息探測過程中，由于進(jìn)入探測器的入射光本身包含了背景反射光和其它雜散光，在探測器成像過程中受暗電流、定位誤差以及元器件在各波段的透過率不同等因素的影響，最后成像中包含了很多噪聲，降低了成像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方法盡量減小或消除這些影響，使之反演所得曲線能與光謙儀所得曲線盡量一致，得到更精確的光譜偏振信息。在實(shí)際測量時，入射光的偏振態(tài)會受到各種噪聲影響，探測系統(tǒng)的性能和響應(yīng)關(guān)系也隨場景不同而發(fā)生變化，需對整個遙感器進(jìn)行詳細(xì)和準(zhǔn)確
的偏振定標(biāo)，即建立每一個像元的輻射響應(yīng)度公式和Stokes偏振響應(yīng)度的儀
器矩陣。
4偏振定標(biāo)要求有一個偏振定標(biāo)源，它能產(chǎn)生定標(biāo)或測試時所需要的偏振 態(tài)，用以測定儀器的偏振靈敏度并監(jiān)視儀器性能的改變。因此，偏振定標(biāo)源 必須具有高于儀器靈敏度的偏振準(zhǔn)確度。偏振定標(biāo)源可以由線偏振器和波片 組成，調(diào)整線偏振器和波片的方位角就可以產(chǎn)生任意的完全偏振態(tài)光源，利 用多組完全偏振態(tài)光源可以對偏振系統(tǒng)的儀器矩陣進(jìn)行定標(biāo)。
高性能的偏振器和高準(zhǔn)確度的消色差波片不僅是偏振儀器本身需要的 關(guān)鍵部件，也是偏振定標(biāo)設(shè)備的關(guān)鍵部件。為了適用于大口徑偏振光譜儀的
定標(biāo)，定標(biāo)系統(tǒng)需要有由高精度、大口徑的偏振片和波片組成的PSG,但根 據(jù)對國內(nèi)外產(chǎn)品的調(diào)研，目前還沒有研制出這樣的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的偏振定標(biāo)系 統(tǒng)在對偏振光譜儀進(jìn)行定標(biāo)時，通過分步旋轉(zhuǎn)偏振光譜儀使得平行光以各3見 場角入射到被定標(biāo)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)各視場角下的偏振定標(biāo)，這種定標(biāo)方式 不能對偏振光譜儀進(jìn)行精確的全視場偏振定標(biāo)。
綜上所述，目前國內(nèi)外研制的偏振定標(biāo)系統(tǒng)不能對大口徑的偏振光譜儀 進(jìn)行偏振定標(biāo)，而且不能對偏振光譜儀進(jìn)行精確的全視場偏振定標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，該定標(biāo)系統(tǒng)可以 對大口徑成像偏振光譜系統(tǒng)進(jìn)行全視場偏振定標(biāo)，定標(biāo)過程中采用不等精度 最小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大大提高了成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。
本發(fā)明一種偏振光i普儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，其技術(shù)解決方案該系統(tǒng) 包括下列部件
積分球，位于整個定標(biāo)系統(tǒng)的最前端，用于提供波段為350nm-2500nm
范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源；
平行光管，位于積分球的后面，將積分球發(fā)出的光源準(zhǔn)直，產(chǎn)生平行面 光源；
光闌，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔徑，使得平行面光源以 一定的孔徑入射到后續(xù)的待定標(biāo)系統(tǒng)；
干涉濾光片，位于光闌后面，對入射光進(jìn)行濾光，其中心波長和波段的 選擇與待定標(biāo)的偏振系統(tǒng)有關(guān)；
偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)，位于干涉濾光片后面，入射光經(jīng)過PSG后， 能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振光源；
保偏擴(kuò)散器，位于PSG之后，將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去，并 保持出射光與入射光的偏振態(tài)；
準(zhǔn)直透鏡，位于保偏擴(kuò)散器之后，其焦距和直徑的選取與待定標(biāo)偏振系 統(tǒng)的通光孔徑、視場角以及保偏擴(kuò)散器上的光斑孔徑有關(guān)；
偏振態(tài)檢測器，位于準(zhǔn)直透鏡之后，檢測出射光的偏振態(tài)；
參考光強(qiáng)探測器，位于準(zhǔn)直透鏡之后，與偏振態(tài)檢測器分列待定標(biāo)系統(tǒng) 兩側(cè)，其探測到的光強(qiáng)作為定標(biāo)時的參考光強(qiáng)，將定標(biāo)過程中每個步驟中探 測到的光強(qiáng)除以相應(yīng)的參考光強(qiáng)，得到歸一化后的光強(qiáng)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
計(jì)算機(jī)，采集定標(biāo)過程中的圖像數(shù)據(jù)，利用不等精度最小二乘法原理進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理，得到偏振系統(tǒng)的定標(biāo)結(jié)果。
其中，所述的偏振態(tài)發(fā)生器，是由二向色材料制成的精確線偏振片和精 密聚合體材料制成的精確波片兩部分組成，通過旋轉(zhuǎn)線偏振片和波片，能夠 產(chǎn)生6種標(biāo)準(zhǔn)偏振光源，即O度、45度、90度、135度線偏振光源和左、 右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械精度為r ,產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏 振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。
其中，所述的保偏擴(kuò)散器，通過釆用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)保偏作用，其保偏 性能優(yōu)于99%;其微透鏡焦距的選取由保偏擴(kuò)散器所需實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)散角的大小 決定。
本發(fā)明的工作原理為積分球產(chǎn)生均勻的入射光，經(jīng)平行光管準(zhǔn)直，通 過光闌、濾光片、PSG后轉(zhuǎn)換為零視場、小口徑的相應(yīng)光語范圍內(nèi)的平行 偏振光，經(jīng)擴(kuò)散器以一定角度發(fā)散出去，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，擴(kuò)展為相同偏
6振態(tài)的全視場、大口徑平行光束，即可對大口徑偏振光語儀進(jìn)行全視場定標(biāo)。
定標(biāo)的基本方法旋轉(zhuǎn)PSG使得入射光分別轉(zhuǎn)換為6種偏振態(tài)的偏振光， 利用線偏振光定標(biāo)儀器矩陣的前三列，利用圓偏振光(或橢圓偏振光)定標(biāo) 儀器矩陣第四列。定標(biāo)過程中采用不等精度最小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 大大提高了成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。定標(biāo)出儀器矩陣之后，將若干 組偏振態(tài)的光源(不同于定標(biāo)時采用的偏振態(tài))入射到定標(biāo)后的偏振探測系 統(tǒng)上，將系統(tǒng)探測結(jié)果與入射光偏振態(tài)相比，即可求得偏振定標(biāo)精度。 本發(fā)明與現(xiàn)有定標(biāo)技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1 )利用擴(kuò)散器和準(zhǔn)直透鏡將零視場、小口徑平行偏振光擴(kuò)展為相同 偏振態(tài)的全視場、大口徑平行光束，解決了大口徑偏振光譜儀全視場定標(biāo)的問題。
(2)通過分析重復(fù)測量和非重復(fù)測量時方差的不同，利用不等精度最 小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了偏振定標(biāo)精度。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成原理框圖2為本發(fā)明的準(zhǔn)直透鏡焦距、直徑與系統(tǒng)視場角、通光孔徑關(guān)系圖； 圖3為本發(fā)明的擴(kuò)散器經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成像的示意圖； 圖4為本發(fā)明的偏振定標(biāo)流程圖。 圖中具體標(biāo)號如下
1、積分球 2、平行光管 3、光闌
4、千涉濾光片 5、偏振態(tài)發(fā)生器 6、保偏擴(kuò)散器
7、準(zhǔn)直透鏡 8、偏振態(tài)檢測器 9、參考光強(qiáng)探測器
10、待定標(biāo)系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括積分球1、平行光管2、光闌3、干涉濾光片4、偏振態(tài)發(fā)生器(PSG) 5、保偏擴(kuò)散器6、準(zhǔn)直透鏡7、參考光強(qiáng)探測 器8和偏振態(tài)檢測器9。積分球產(chǎn)生均勻的入射光，經(jīng)平行光管準(zhǔn)直，通過 光闌、濾光片、PSG后轉(zhuǎn)換為零視場、小口徑的相應(yīng)光譜范圍內(nèi)的平行偏 振光，經(jīng)擴(kuò)散器以一定角度發(fā)散出去，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，擴(kuò)展為相同偏振 態(tài)的全視場、大口徑平行光束，即可對大口徑偏振光譜儀進(jìn)行全視場定標(biāo)。 PSG可以將入射光轉(zhuǎn)換為線偏振光、圓偏振光(或橢圓偏振光)，定 標(biāo)儀器矩陣前三列時采用線線偏振光，定標(biāo)儀器矩陣第四列時采用圓偏振光 (或橢圓偏振光)。利用最小二乘法原理將兩部分定標(biāo)過程的數(shù)據(jù)組成一個 矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PSG產(chǎn)生的偏振態(tài)分別為0度、45度、90度、135度、 左、右旋圓偏振(或橢圓偏振態(tài))。不同波長時，PSG中的波片產(chǎn)生的相 位延遲是不同的，利用公式計(jì)算出不同波長時相位延遲量以及PSG出射光 的偏振態(tài)。PSG中使用的波片是真零級波片，假設(shè)在中心波長X。時波片的 相位延遲量為5。，則在波長為入時，波片的相位延遲量為弘S。(、/X),波片 的快軸角度為45度，中心波長人。所對應(yīng)的S。為tt/2， PSG中偏振片角度分 別為0度和90度，這樣能夠產(chǎn)生兩種橢圓偏振光。圖1共產(chǎn)生6種偏振光， 定標(biāo)時每種偏振態(tài)都重復(fù)利用5次，得到最小二乘法中的STOKES系數(shù)矩 陣
<formula>formula see original document page 8</formula>相應(yīng)的探測光強(qiáng)組成的數(shù)據(jù)矩陣L為
L=I =
II T I，
2,1 丄3，1
L0,2 il，2 "，2
L0,3 丄1'3 丄2'3
4,2
4,3
1(3,30 Il,30 l2，30 l3,30y30x4
(2)
若入射光的偏振態(tài)不同，即進(jìn)行不等精度的測量時，方差是不相同的， 即方差分別為p1, p2, p3, p4， p5， p6;若入射光的偏振態(tài)相同，即進(jìn)行 等精度的重復(fù)測量時，方差是相同的。這樣，L所對應(yīng)的方差矩陣P為
P =
0
丁
7 o
了 0
<3
}5行
}5行
:5行
}5行
7 o
}5行
(3)
乂30x30
根據(jù)不等精度最小二乘法原理計(jì)算儀器矩陣，得
Mjnstrument = ( (STPS) S丁PI
(4)
定標(biāo)出儀器矩陣M^^^^之后，將若干組偏振態(tài)的光源(不同于定標(biāo)時 采用的偏振態(tài))入射到定標(biāo)后的偏振探測系統(tǒng)上，將系統(tǒng)探測結(jié)果與入射光 偏振態(tài)相比，即可求得偏振定標(biāo)精度。
準(zhǔn)直透鏡的焦距和直徑的選取要與偏振探測系統(tǒng)的通光孔徑、視場角以及成像物(擴(kuò)散器上被照亮部分)的大小來決定。設(shè)準(zhǔn)直透鏡焦距為f，直
徑D，成像物直徑為2y,偏振探測系統(tǒng)的視場角為2co，通光孔徑d,如圖2 所示。透鏡的選取要保證光線進(jìn)入偏振探測系統(tǒng)的視場角足夠大，并且光線 能夠充滿視場。擴(kuò)散器采用微透鏡陣列，可以將入射光以一定角度均勻發(fā)散 出去，見圖3,并且能夠保持光的偏振態(tài)不變，保偏性能優(yōu)于99%。
本發(fā)明的偏振定標(biāo)流程圖如圖4所示。首先按照圖1所示的原理框圖搭 建出定標(biāo)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)偏振片使得PSG產(chǎn)生4種線偏振光和兩種圓偏振光(或 橢圓偏振光)，每種偏振態(tài)重復(fù)利用5次，釆集圖像，記錄CCD上探測到 的光強(qiáng)；根據(jù)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果得到STOKES系數(shù)矩陣、光強(qiáng)矩陣和方差矩陣； 利用不等精度最小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到儀器矩陣；最后利用 若干組不同于定標(biāo)時采用的偏振態(tài)來驗(yàn)證偏振定標(biāo)精度。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的 現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于包括下列部分積分球，位于整個定標(biāo)系統(tǒng)的最前端，用于提供波段為350nm-2500nm范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源；平行光管，位于積分球的后面，將積分球發(fā)出的光源準(zhǔn)直，產(chǎn)生平行面光源；光闌，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔徑，使得平行面光源以一定的孔徑入射到后續(xù)定標(biāo)系統(tǒng)；干涉濾光片，位于光闌后面，對入射光進(jìn)行濾光，其中心波長和波段的選擇與待定標(biāo)的偏振系統(tǒng)有關(guān)；偏振態(tài)發(fā)生器，位于干涉濾光片后面，入射光經(jīng)過偏振態(tài)發(fā)生器后，能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振光源；保偏擴(kuò)散器，將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去，并保持出射光與入射光的偏振態(tài)，位于偏振態(tài)發(fā)生器之后；準(zhǔn)直透鏡，位于保偏擴(kuò)散器之后，其焦距和直徑的選取與待定標(biāo)偏振系統(tǒng)的通光孔徑、視場角以及保偏擴(kuò)散器上的光斑孔徑有關(guān)；偏振態(tài)檢測器，位于準(zhǔn)直透鏡之后，檢測出射光的偏振態(tài)；參考光強(qiáng)探測器，位于準(zhǔn)直透鏡之后，與偏振態(tài)檢測器分列待定標(biāo)系統(tǒng)兩側(cè)，其探測到的光強(qiáng)作為定標(biāo)時的參考光強(qiáng)，將定標(biāo)過程中每個步驟中探測到的光強(qiáng)除以相應(yīng)的參考光強(qiáng)，得到歸一化后的光強(qiáng)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；計(jì)算機(jī)，采集定標(biāo)過程中的圖像數(shù)據(jù)，利用不等精度最小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到偏振系統(tǒng)的定標(biāo)結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在 于所述的偏振態(tài)發(fā)生器，是由二向色材料制成的精確線偏振片和精密聚合 體材料制成的精確波片兩部分組成，通過旋轉(zhuǎn)線偏振片和波片，能夠產(chǎn)生6 種標(biāo)準(zhǔn)偏振光源，即0度、45度、90度、135度線偏振光源和左、右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械精度為1'，產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光語儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在 于所述的保偏擴(kuò)散器，通過采用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)保偏作用，其保偏性能優(yōu) 于99%;其微透鏡焦距的選取由保偏擴(kuò)散器所需實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)散角的大小決定。
全文摘要
偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)，由積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片、偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)、保偏擴(kuò)散器、準(zhǔn)直透鏡、偏振態(tài)檢測器、參考光強(qiáng)探測器和計(jì)算機(jī)組成。該定標(biāo)系統(tǒng)采用積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片和PSG產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振定標(biāo)源，該定標(biāo)源產(chǎn)生的零視場、小口徑平行光束通過擴(kuò)散器和準(zhǔn)直透鏡后，擴(kuò)展為相同偏振態(tài)的全視場、大口徑平行光束，即可對大口徑偏振光譜儀進(jìn)行全視場定標(biāo)。本發(fā)明具有對大口徑偏振光譜儀進(jìn)行全視場偏振定標(biāo)的能力，定標(biāo)過程中采用不等精度最小二乘法原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大大提高了成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。
文檔編號G01N21/21GK101464256SQ200910076359
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者周鵬威, 穎 張, 趙慧潔, 趙海博 申請人:北京航空航天大學(xué)