一種基于對(duì)稱楔形干涉腔的高光譜全偏振成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)目標(biāo)探測領(lǐng)域，特別是一種基于對(duì)稱模形干涉腔的高光譜全偏振 成像裝置及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉成像光譜技術(shù)主要包括時(shí)間調(diào)制型、空間調(diào)制型和時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型H大類技 術(shù)。其中，時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型技術(shù)是光譜成像領(lǐng)域中發(fā)展非常活躍的光譜探測技術(shù)。它通過 在無限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)中加入橫向剪切分束器引入探測目標(biāo)的干涉信息，利用傅里葉變換反演 處理得到探測目標(biāo)的二維空間光強(qiáng)信息和各點(diǎn)光譜信息。與時(shí)間調(diào)制型干涉成像光譜儀相 比，像面干涉成像光譜儀內(nèi)部可W去掉推掃運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性能高的特點(diǎn)； 與空間調(diào)制型干涉成像光譜儀相比，它沒有狹縫的限制，具有高光通量、高空間分辨率的優(yōu) 點(diǎn)。自上世紀(jì)80年代后期W來，國際上眾多研究人員對(duì)時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型技術(shù)進(jìn)行了深入研 究。其中，W色列C油ib等人提出了一種基于Sagnac干涉儀的像面干涉成像光譜儀，可實(shí) 現(xiàn)高通量的光譜成像。美國化don等人提出了一種基于改型Mach-Zehnder干涉儀的像面 干涉成像光譜儀，可實(shí)現(xiàn)可見光、近紅外等波段的雙通道同時(shí)成像。國內(nèi)相里斌等人提出了 大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀LASIS化arge ApertureStatic Imaging Spectroscopy),在望 遠(yuǎn)成像系統(tǒng)中加入橫向剪切分束器獲得探測目標(biāo)的干涉圖像，主要用于對(duì)地遙感領(lǐng)域。除 此之外，還有德國化sselt、意大利Barducci、法國Ferrec、美國Sellar和Lucey、加拿大 Farley、國內(nèi)孫德新、張淳民和廖寧放等人也對(duì)該類干涉成像光譜技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。 根據(jù)文獻(xiàn)分析，時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型成像光譜技術(shù)的原理主要通過邁克爾遜干涉法、Sagnac H 角共路干涉法、Mach-Zehnder干涉法等實(shí)現(xiàn)。
[0003] 成像光譜偏振（Imaging Spectropolarimeter，ISP)技術(shù)主要是在現(xiàn)有成像光譜 技術(shù)基礎(chǔ)上，利用自身器件已有的偏振選擇特性或通過加入偏振組件引入偏振信息探測。 ISP技術(shù)在過去十幾年間得到了快速發(fā)展，1999年Oka和Kato首次提出了多通道光譜偏振 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同波數(shù)偏振信息的同時(shí)探測，提高了探測設(shè)備的穩(wěn)固性。隨后2004年美國 重飛行器公司通過在色散型成像光譜裝置準(zhǔn)直光路前引入Oka相位延遲組件，對(duì)色散圖像 進(jìn)行傅里葉變換，提取各個(gè)Stokes分量所對(duì)應(yīng)的頻譜，然后再進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得 到全偏振光譜信息；安徽光機(jī)所的宋志平等人研究的基于GIS的IPS技術(shù)與其有異曲同工 之妙。該兩種方法都可W獲得目標(biāo)全Stokes偏振信息，但是都要經(jīng)過兩次傅里葉變換，處 理過程較為復(fù)雜。2006年美國亞利桑那大學(xué)在層析成像光譜技術(shù)基礎(chǔ)上引入Oka相位延遲 組件，單次探測便可得到全部偏振信息和光譜信息，具有實(shí)時(shí)探測能力。但是數(shù)據(jù)處理過程 復(fù)雜，且光譜分辨率較低。隨后2010年亞利桑那大學(xué)的Kudenov和化lia等人將該一技術(shù) 應(yīng)用到像面干涉成像光譜技術(shù)中，具有高光通量，高目標(biāo)分辨率的優(yōu)點(diǎn)。但是探測窄帶目標(biāo) 光譜時(shí)，采用多通道干涉成像光譜技術(shù)，各偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的干涉信息之間可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重 的混疊，會(huì)影響復(fù)原光譜精度。為了解決該一問題，本發(fā)明中微偏振調(diào)制陣列采用專利號(hào)為 CN103063300A中的微偏振調(diào)制陣列，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)場景四維信息的精確獲取。在干涉成像光譜 裝置中，通過引入微偏振調(diào)制陣列，單次測量便可獲得目標(biāo)二維空間光強(qiáng)信息、各點(diǎn)光譜信 息和全Stokes偏振信息。各偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的干涉信息不存在理論上的混疊現(xiàn)象，可W提高干 涉類成像光譜偏振技術(shù)的光譜分辨率和復(fù)原光譜準(zhǔn)確度。
[0004] 此外，傳統(tǒng)基于雙光束干涉的成像光譜偏振技術(shù)如通過邁克爾遜干涉法、Sagnac H角共路干涉法、Mach-Zehnder干涉法的系統(tǒng)無法達(dá)到直光路的要求，因此光學(xué)系統(tǒng)很難 達(dá)到小型化，不適用于無人機(jī)偵測等對(duì)載荷重量和體積要求較為苛刻的領(lǐng)域。為解決此類 問題，本發(fā)明一種基于對(duì)稱模形干涉腔的高光譜全偏振成像裝置，系統(tǒng)采用直光路，相當(dāng) 于在照相系統(tǒng)的探測器前面添加一組微型調(diào)制器件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量影響不大， 可實(shí)現(xiàn)超輕小型化，符合無人機(jī)搭載要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高目標(biāo)分辨率、高通量的基于對(duì)稱模形干涉腔的高光 譜全偏振成像裝置及方法，該方法可W實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高分辨率光譜偏振成像探測。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為；一種基于對(duì)稱模形干涉腔的高光譜全偏振 成像裝置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物鏡、對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)、微偏振調(diào)制陣 列、探測器，W及信號(hào)處理系統(tǒng)，探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)連接；其中對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)包 括沿光路方向依次放置的對(duì)稱模形平板和平板，對(duì)稱模形平板和平板形成干涉腔；微偏振 調(diào)制陣列與探測器祀面的面積相等，對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)的平板貼于微偏振調(diào)制陣列的一 面，微偏振調(diào)制陣列另一面貼于探測器的感光面；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即 相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高；探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡后進(jìn) 入對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)，光束在對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)的對(duì)稱模形平板透射和反射，形成第 一透射光和第一反射光，第一透射光在對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)的干涉腔內(nèi)多次在平板和對(duì)稱 模形平板之間透射和反射，經(jīng)過平板透射出的光進(jìn)入微偏振調(diào)制陣列；每個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組 四個(gè)微偏振調(diào)制陣列的像素，經(jīng)過調(diào)制后形成四組偏振的像點(diǎn)成像在探測器對(duì)應(yīng)的四個(gè)象 元上面；通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可W獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同 光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。
[0007] 對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)由對(duì)稱模形平板和平板組成，其中對(duì)稱模形平板中間厚兩端 薄，對(duì)稱模形平板模面頂端與平板中線接觸，二者間隙形成對(duì)稱模形腔，即干涉腔；稱模形 平板的入射面和平板的出射面分別鍛增透膜；稱模形平板出射面和平板入射面分別鍛反射 膜。
[0008] 基于對(duì)稱模形干涉腔的高光譜全偏振成像裝置的成像方法，包括W下步驟：
[0009] 第一步，來自目標(biāo)各點(diǎn)的入射光進(jìn)入前置成像物鏡，確定目標(biāo)視場，消除雜散光；
[0010] 第二步，從前置成像物鏡出射的光束進(jìn)入對(duì)稱模形干涉腔系統(tǒng)，光束在對(duì)稱模形 干涉腔系統(tǒng)的對(duì)稱模形平板透射和反射，形成第一透射光和第一反射光，第一透射光在對(duì) 稱模形干涉腔系統(tǒng)的干涉腔內(nèi)多次在平板和對(duì)稱模形平板之間透射和反射，經(jīng)過平板透射 出的光進(jìn)入微偏振調(diào)制陣列；
[0011] 第H步，每個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組四個(gè)微偏振調(diào)制陣列的像素，經(jīng)過調(diào)制后形成四組偏 振的像點(diǎn)成像在探測器對(duì)應(yīng)的四個(gè)象元上面，在探測器祀面上可W同時(shí)獲取四個(gè)偏振態(tài)的 干涉光強(qiáng)信息；通過采用系統(tǒng)整體推掃的方式對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可W獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同 光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)；
[0012] 第四步，信號(hào)處理系統(tǒng)從收到的電信號(hào)中提取目標(biāo)各點(diǎn)同一偏振態(tài)不同光程差下 的干涉數(shù)據(jù)，對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像，從而得到目標(biāo)各點(diǎn)的光譜 信息及偏振信息。
[0013] 上述系統(tǒng)整體推掃的方式，即探測器獲得的干涉圖像序列中的干涉條紋位置不 變，而探測目標(biāo)的圖像隨著推掃產(chǎn)生橫向偏移，即探測目標(biāo)上各物點(diǎn)的干涉信息分布在圖 像序列的不同位置上，在提取物點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干涉數(shù)據(jù)時(shí)首先需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)處理，確保 每幅干涉圖上提取的干涉強(qiáng)度值屬于同一個(gè)物點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著的優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)系統(tǒng)采用直光路，相當(dāng)于在照相系統(tǒng)的探測器前面添加一組微型調(diào)制器件， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量影響不大，可實(shí)現(xiàn)超輕小型化；
[0016] (2)系統(tǒng)具有高通量、高光譜分辨率、高目標(biāo)分辨率的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)信噪比高；尤其 適用于紅外探測。
【附圖說明】
[0017] 圖1為基于對(duì)稱模形干涉腔的高光譜全偏振成像光路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)