本發(fā)明屬于光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種廣域多角度偏振光譜成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

廣域多角度偏振光譜成像系統(tǒng)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(yīng)用在地質(zhì)資源探測、農(nóng)林植被監(jiān)測、水體海岸帶環(huán)境監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測、城市規(guī)劃等多種其它領(lǐng)域。成像系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)的偏振光譜信息進行測量，由于不同目標(biāo)具有各自一定的偏振光譜特性，對偏振光譜參數(shù)進行測量就能很好地表征被探測目標(biāo)的性質(zhì)特征，從而使其成為光學(xué)遙感的有效手段。

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的可實現(xiàn)廣域多角度偏振光譜成像的系統(tǒng)不多，成功應(yīng)用的典型代表為法國POLDER航天衛(wèi)星載荷和中國的DPC航空載荷，二者采用近似的技術(shù)方案和指標(biāo)，主要采用旋轉(zhuǎn)偏振片、濾光片配合面陣探測器的傳統(tǒng)技術(shù)方案，對于傳統(tǒng)技術(shù)方案，實現(xiàn)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(xiàn)；

多角度觀測：在航空航天平臺運動過程中，利用光學(xué)鏡頭的不同視場，實現(xiàn)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(yīng)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(shù)量為3個。

偏振獲取方式：利用多個偏振片獲取目標(biāo)的3種線偏振信息。

傳統(tǒng)技術(shù)方案因為采用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，因此不能進行同時偏振探測，各個偏振態(tài)是非同時獲取，存在時間間隔。目前國內(nèi)外采用傳統(tǒng)技術(shù)方案，存在機械轉(zhuǎn)動、非同時探測、偏振探測譜段數(shù)量少等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服傳統(tǒng)技術(shù)方案的不足，提出一種廣域多角度偏振光譜成像系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)技術(shù)存在機械轉(zhuǎn)動的缺點，無運動部件能夠保證系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下長期連續(xù)探測，大大延長使用壽命。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種廣域多角度偏振光譜成像系統(tǒng)，包括廣角近遠心成像鏡組、準(zhǔn)直擴束鏡組、偏振光譜調(diào)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(shù)據(jù)處理單元；入射光經(jīng)過廣角近遠心成像鏡組后實現(xiàn)第一次成像，經(jīng)過準(zhǔn)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(diào)制模塊實現(xiàn)對光束偏振態(tài)的調(diào)制，再經(jīng)過中繼成像鏡組實現(xiàn)第二次成像；狹縫陣列擺放在第二次成像的像面處，實現(xiàn)多角度觀測；傳像模塊將從狹縫陣列出射的多個狹縫對應(yīng)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(jīng)過偏振光譜調(diào)制的多種觀測角度的光譜色散數(shù)據(jù)，送至數(shù)據(jù)處理單元解調(diào)出多種觀測角度的偏振光譜成像數(shù)據(jù)。

所述的偏振光譜調(diào)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(tǒng)的系統(tǒng)視場≥100°×100°。

所述的傳像模塊為光纖板或光錐組件。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明具備傳統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)技術(shù)方案的不足，包括存在機械轉(zhuǎn)動、非同時探測、只能進行線偏振探測、偏振探測譜段數(shù)量少等缺點。具體優(yōu)點表現(xiàn)在：

(1)采用Fourier變換靜態(tài)偏振光譜調(diào)制測量方法，配合廣角鏡頭、準(zhǔn)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(tǒng)，整個系統(tǒng)沒有運動機構(gòu)，克服傳統(tǒng)技術(shù)方案存在機械轉(zhuǎn)動的缺點，無運動部件能夠保證系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下長期連續(xù)探測，大大延長使用壽命。

(2)成像系統(tǒng)能夠同時進行偏振和光譜探測，克服了傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)據(jù)。

(3)成像系統(tǒng)能夠?qū)?個Stokes參量探測，即具備全偏振探測能力，而傳統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)能夠獲取幾十個偏振譜段的探測數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)技術(shù)方案僅獲取三個偏振譜段的探測數(shù)據(jù)，偏振光譜探測數(shù)據(jù)量得到極大提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的原理圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)中的偏振光譜調(diào)制模塊；

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)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(fā)明系統(tǒng)在推掃成像模式下實現(xiàn)多角度和連續(xù)覆蓋觀測示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)組成包括：廣角近遠心成像鏡組1、準(zhǔn)直擴束鏡組2、偏振光譜調(diào)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(shù)據(jù)處理單元8。前端采用廣域近遠心成像系統(tǒng)，系統(tǒng)視場≥100°×100°，入射光經(jīng)過廣角近遠心成像鏡組后實現(xiàn)第一次成像，經(jīng)過準(zhǔn)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(diào)制模塊，實現(xiàn)對光束偏振態(tài)的調(diào)制，經(jīng)過中繼成像鏡組實現(xiàn)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(xiàn)多角度觀測，利用光纖板/光錐將多個狹縫對應(yīng)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(shù)方案。光柵成像光譜儀可獲取經(jīng)過偏振調(diào)制的多種觀測角度的光譜色散數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元，可解調(diào)出多種觀測角度的偏振光譜成像數(shù)據(jù)；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(diào)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(diào)制解調(diào)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(tài)偏振光譜調(diào)制測量方法，利用一次測量獲得目標(biāo)的4個完整Stokes矢量。

假設(shè)入射光的Stokes矢量為：

S_in＝(S₀(σ) S₁(σ) S₂(σ) S₃(σ))^T

檢偏器的穆勒矩陣為：

假設(shè)單個延遲器(兩個延遲器都遵循此規(guī)則)的相位延遲為φ(σ)，快軸方向角度θ，σ為波數(shù)，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(shè)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(tài)調(diào)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(shù)間的關(guān)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(dāng)延遲器的厚度一定時，延遲量與波數(shù)是線性關(guān)系。P(σ)可看作入射光Stokes矢量元素譜經(jīng)不同頻率載波調(diào)制后的線性迭加(頻域干涉)，從而實現(xiàn)對入射光偏振、光譜信息的強度調(diào)制功能。

設(shè)L₁＝Δn₁D₁，L₂＝Δn₂D₂，則有：

φ₁(σ)＝2πΔn₁D₁σ＝2πL₁σ

φ₂(σ)＝2πΔn₂D₂σ＝2πL₂σ

L₁表示O光和E光在經(jīng)過第一相位延遲器過程中產(chǎn)生的光程差，L₂表示O光和E光在經(jīng)過第二相位延遲器過程中產(chǎn)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(fù)數(shù)的輻角，i表示復(fù)數(shù)的虛數(shù)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(fù)數(shù)；

對上式進行逆傅里葉變換，得到自相關(guān)函數(shù)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(guān)函數(shù)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(jù)上面3個表達式，可推出目標(biāo)的Stokes矢量計算公式為：

S₀(σ)＝2×F{A₀(h)}

偏振光譜調(diào)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(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(tǒng)可搭載在航空機載或航天星載平臺，利用平臺運動實現(xiàn)推掃成像，在推掃成像模式下實現(xiàn)多角度觀測和連續(xù)覆蓋觀測。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。