外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.

基于PSIM机载大视场宽谱段偏振光谱成像系统光学设计

为满足偏振光谱成像探测中对于大视场、宽谱段技术要求,设计了一种基于偏振强度调制技术(PSIM)的宽谱段大视场偏振光谱成像仪。针对前置望远镜组,文中对现有国内玻璃材料消色差分析,优选了可见至短波红外的复消色差玻璃,通过控制镜组中PSIM模块光线角度,实现大视场内在PSIM模块上的入射角度需求。结合分析结果,采用光学设计软件优化设计。设计结果表明,前置望远系统能够实现波段为400~1 700 nm,视场角为72°,焦距为20 mm, F数为4的高质量成像,全谱段内探测器截止频率处传递函数优于0.4, PSIM模块上最大入射角度为±4.99°,有效保证了各视场内偏振调制的一致性。后置光谱分光系统采用基于Offner结构的凸面光栅,优化结果显示各波段点列图均小于一个像元,在探测器奈奎斯特频率处中心波长的MTF达到0.6,各项指标均满足设计要求。本文对于基于PSIM宽谱段偏振光谱成像仪器的工程化具有很重要的现实意义,对宽谱段光学系统消色差设计也具有一定指导意义。

偏振干涉成像光谱技术研究进展

综述空间调制偏振干涉成像光谱技术及其研究进展。介绍了偏振分束器 (双折射晶体 )的分光机理和目前国内外有代表性的偏振型光谱仪及成像光谱仪方案及发展现状 ,并就其广泛应用作了论述。

线性剪切空间调制快拍成像偏振仪动态定标数据处理技术

基于动态定标的线性剪切空间调制快拍成像测偏技术能够在动态环境(如温度变化)下对目标偏振信息进行更精确的实时测量,但实验噪声会引起反演图像的条状畸变。针对这一问题,系统分析了快拍成像偏振仪动态定标技术原理和目标相位的定量求解过程,提出了结合相位差分与双线性插值算法的噪声识别与相位修正方法。实验和计算结果表明,经过相位求解和修正计算,条带状失真得到去除,反演成像质量提升。为高相位变化和低信噪比环境下空间调制快拍成像测偏技术的实时应用提供支持,推动其在动态环境下的工程实际应用进程。

全偏振高光谱干涉成像技术的研究

针对现有全偏振测量与高光谱成像技术难以同步的核心问题,提出了一种新型双光路全偏振高光谱测量结构,利用基于电光效应的偏振调制技术与干涉成像技术,将目标光波的偏振信息、光谱信息和空间图像信息进行有效结合,实现了高光谱与全偏振成像的同步测量,极大丰富了目标探测能力和探测信息量。同时,利用计算机软件得到仿真结果验证了方法的正确性,并对可能产生的误差进行了分析。最后给出了部分实验结果和数据分析进一步验证其可行性。该研究对许多光学技术遥感领域,比如资源普查、环境检测、军事侦察等,具有重要意义。

大孔径静态超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合,是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿。笔者于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法,无运动、电控调制部件,在探测器单次积分时间内,可同时获取目标图像及图像上每一点的光谱、全偏振信息。同年,又提出时空混合调制模式的无源静态共轴干涉成像光谱全偏振探测装置,以视场光阑取代原有狭缝,进一步扩展了仪器光通量。在上述基础上,阐述了新方法的基本原理,给出了具体实现方案,推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式,分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程。研制了原理验证样机,开展了室内、室外验证实验,首次获得了室外推扫光谱图像"数据立方体"和全色全偏振度图像,实验结果表明:新方案原理正确,技术可行。为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持。

双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法

针对双编码快照式光谱偏振成像系统偏振效应校正需求,提出多参量模型引导的偏振优化方法,建立基于数字微镜阵列(DMD)、棱镜-光栅-棱镜(PGP)、微偏振片阵列探测器(MPA)以及多膜层系的光谱偏振成像系统全链路偏振效应模型,分析部分偏振光入射时光谱偏振成像系统的二向衰减,揭示入射光波长、偏振度与系统偏振效应的耦合机理。通过有针对性地控制透镜的折射率、入射角,光栅折射率、常数,棱镜折射率、顶角,多层膜复折射率、膜层厚度等参量,在谱线弯曲满足重建要求的前提下实现对光谱偏振成像系统偏振效应的优化。仿真结果表明,优化后系统SSIM>0.8、系统偏振效应相对误差<4%,与优化前相比偏振效应降低至少6%。当入射光偏振度恒定时,系统偏振效应与波长成反比。通过实验获取单次曝光下典型材料的光谱偏振重建图像,金属偏振度相对误差提升至少14.7%,塑料偏振度相对误差提升至少63.6%。验证了所提偏振优化方法的必要性和可行性。本研究为双编码快照式光谱偏振成像系统多维数据的高精度获取奠定了理论基础。

白天天体光谱偏振成像技术及实验研究

为了解决白天天体观测能力受限问题,采用光谱偏振成像技术,并结合天空背景偏振态实时测量方法,显著降低大气散射影响,将提高白天强背景下天体探测信噪比和对比度.讨论了针对天空强背景下天体光谱偏振成像探测原理,介绍了相关实验系统,开展了白天恒星光谱偏振成像实验研究,获得了星等为6.33的恒星目标实验结果,并与光谱强度图像进行了对比.实验结果表明了使用光谱偏振成像能够明显改善天体探测对比度,证明了光谱偏振成像技术能够很好地应用于白天天体天文观测研究.

基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究

对目标进行更多属性信息的获取,是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力,蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点,如结构复杂、体积大、通道串扰、多维信息提取繁琐等问题。针对上述问题,提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。涉及关键技术有:基于高光谱分辨率需求与短焦距约束,采用双高斯结构作为初始光学结构,并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现;采用LVF作为分光元件,进行参数设计与验证,与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合,实现光谱信息与偏振信息同步获取。基于上述技术路线进行了样机集成,在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试,最终指标为:工作波段:430~880 nm,空间分辨率:0.22 mrad,光谱分辨率为:10 nm,四偏振态同步获取,系统传递函数:0.547,偏振探测精度:89.4%,光机系统总尺寸:45 mm×45 mm×80 mm。在室外进行推扫实验,成像效果良好,中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化;对全局图像进行多维信息提取与融合,不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异,满足预期设计目标。该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点,为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

宽场偏振干涉成像光谱仪的调制度研究

干涉成像光谱技术是一种集双光束干涉技术、二维成像技术以及高分辨率光谱技术于一体的高新遥感探测技术,常用来进行监视、识别和探测各种民用和军事目标。基于双折射晶体的宽场偏振型干涉成像光谱仪是该技术中的一种典型代表,组成其系统的偏光元件的性能是决定其成像质量和光谱复原精度的关键因素。论文考虑元件偏振误差和延迟误差对光路传播的影响,采用偏振追迹法推导出了系统干涉调制度的理论表达式,给出了其随入射角、入射波长、入射方位角以及元件偏振化方向和相位延迟量的变化特性,并定量分析了其允差范围。这为基于偏光器件成像光谱仪的系统设计、高光谱复原以及工程实践提供了重要的理论指导和技术支持。

基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术

本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术,提出一种成像光谱偏振技术的新方案.本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图,四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像,正反相干涉图相减获取纯干涉条纹,纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹,对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息.文中描述了方案的原理结构,推导出了干涉强度的表达式,并利用计算机仿真验证了方案的可行性.为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.

基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像技术

针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)和液晶可变延迟器(Liquid crystal variable retarder,LCVR)的光谱偏振成像测量精度影响大,且整个系统实现复杂等缺点;考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小,结合AOTF高光谱成像的优点,提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理,并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动,进而分析了该波动对偏振测量的影响,并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机,对450~950 nm波段进行了偏振测量,修正后偏振度测量误差≤1%,对偏振方向的测量偏差≤1.8°,以633 nm为例,对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验,结果表明,该新技术原理正确,修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。

基于双Wollaston棱镜偏振干涉成像光谱仪的光通量分析

光通量是偏振干涉成像光谱仪的关键参量之一 .该文在非理想情况下 ,通过分析Wollaston分束器和检偏器对入射光强的削弱作用 ,对基于双Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的光通量进行了讨论 ,得到了较精确的光通量表达式 ,给出了最大调制度下的通量数值 ,并与近似理想条件下的光通量进行了比较 .

阵列探测器在成像光谱偏振探测技术中的应用

为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器,得到高质量图像信息,结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术(PEM-ISP),提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件,采用高速现场可编程门阵列(FPGA)作为信号处理单元,做到对光学信号的快速采集与并行处理,满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A/D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中,以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机,上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明,该系统可以应用于PEM-ISP中,实现对测量信号的精确探测与采集,并得到完整的图像信息。

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量分析

在简要论述稳态大视场偏振干涉成像光谱仪 (SLPIIS)的干涉成像原理的基础上 ,重点对稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量进行了分析和计算 .在考虑透射比的情况下 ,推导了偏振器偏振化方向及二分之一波片的光轴取向偏离理想方向时通量随偏角的变化关系 ,给出了最大调制度情形下的通量数值 .这种稳态大视场偏振干涉成像光谱仪适用波长范围广 ,具有结构简单、超小型和大视场补偿功能 ,突出了高稳态、高通量的显著特点 ,特别适合航空、航天遥感及微弱信号探测 ,在军事。

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪原理及调制度分析

对自行研制中的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪 (SLPIIS)的成像原理、分光机理及大视场补偿方法作了论述 .分析了起偏器、分析器的偏振化方向以及λ/ 2板的光轴取向对干涉图调制度的影响 ,给出了调制度随偏振化方向、光轴取向偏角变化的函数关系 ,讨论了最大调制度时的偏振化方向及λ/ 2板光轴的空间取向 .这种成像光谱仪体积小 ,没有运动部件 ,且具有广角补偿功能 ,从而显示出轻型、稳态。

双偏振干涉式光纤陀螺的多相位调制技术

在双偏振干涉式光纤陀螺的发展过程中,光纤环上的应力、扭转等会造成正交偏振态之间的交叉耦合,降低陀螺系统的稳定性。提出了一种基于双偏振干涉式光纤陀螺的六态方波调制技术并进行了理论推导。该技术与传统的方波和四态方波调制相比,降低了偏振交叉耦合误差,提高了信噪比,大大增加了信号解算精度。通过实验对比测试了干涉式光纤陀螺在不同调制技术下的偏置稳定性。实验结果表明六态方波调制技术的偏置稳定性达到了9.85×10-4(°)/h,验证了六态方波提高信号解算精度的效果。

近红外高光谱成像技术结合偏最小二乘-判别分析所建模型快速鉴定核桃仁的品质

将近红外高光谱成像技术与偏最小二乘-判别分析(PLS-DA)结合,建立了快速无损鉴定核桃仁品质的分类模型。在900~1 700 nm全波长范围内,采集不同品质核桃仁的光谱数据,以平均光谱作为原始光谱,以标准正态变量对原始光谱数据进行预处理,采用主成分分析对原始光谱数据降维,提取到970,1 151,1 210,1 215,1 256,1 309,1 340,1 379,1 389,1 404,1 460 nm等11个特征波长。基于全光谱和特征波长,分别建立两种PLS-DA分类模型。结果表明:全光谱条件下所建模型在校准集和验证集上的预测正确率最高,可达100%;特征波长条件下所建模型在相同数据集上的分类正确率略有下降,为99.3%;两种模型在测试集上的预测正确率均为100%。

仪器偏振对空间干涉仪高对比度成像的影响

为实现基线运动和相位控制,空间干涉仪中会包含有大量的折轴光路,它们往往具有很强仪器偏振效应。当各干涉支路的仪器偏振不一致时,系统中出现偏振像差,它会劣化干涉仪的成像质量和干涉条纹对比度,因此对干涉仪的光学设计进行偏振分析与优化非常必要。为此,发展了考虑仪器偏振效应的综合孔径系统干涉成像模型,开发了基于偏振光线跟踪技术和矢量傅里叶变换方法的偏振条纹模拟方法。以一个三孔径菲索干涉仪为例,讨论了折轴光路几何结构和镀膜对干涉仪成像特性和消零干涉对比度的影响。结果表明,例子干涉仪的仪器偏振主要来自折轴光路中的延迟线,它由4个共入射面的45°镜构成。在可见光波段,干涉条纹的轮廓和对比度对折轴光路的几何设计非常敏感。将各干涉臂延迟线的反射面设计为相互平行能够降低偏振像差,使合成光束的成像特性基本达到衍射极限的成像质量。但在可见光波段,该方法难以实现地外行星探测所要求的高对比度。综上,仪器偏振是影响空间干涉仪探测性能的重要因素,空间干涉仪必须采用偏振优化设计以达到期望的高分辨和高对比度观测能力。

短波红外偏振成像技术的研究进展

与传统成像系统相比,偏振成像系统通过探测目标物在不同状态下的明显偏振差异,提高对目标物的探测和识别能力,因而被广泛应用于复杂环境或有伪装物的目标探测。特别是短波红外谱范围的信息探测可以提供人眼所不能看见的分辨率和细节,是目前军事和民用领域的重点研究方向之一。这篇综述归纳总结了传统偏振成像系统的结构分类及其特点,探讨了新型微纳偏振成像系统的研究进展,并针对目前短波红外偏振成像技术存在的主要问题提供了可行性分析和建议。