全偏振高光譜干涉成像技術(shù)的研究

鐘滕慧，魏翔宇，周 強(qiáng)，李宇波

(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江杭州 310027)

全偏振高光譜干涉成像技術(shù)的研究

鐘滕慧，魏翔宇，周 強(qiáng)，李宇波

(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江杭州 310027)

針對現(xiàn)有全偏振測量與高光譜成像技術(shù)難以同步的核心問題，提出了一種新型雙光路全偏振高光譜測量結(jié)構(gòu)，利用基于電光效應(yīng)的偏振調(diào)制技術(shù)與干涉成像技術(shù)，將目標(biāo)光波的偏振信息、光譜信息和空間圖像信息進(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高光譜與全偏振成像的同步測量，極大豐富了目標(biāo)探測能力和探測信息量。同時，利用計(jì)算機(jī)軟件得到仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性，并對可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析。最后給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性。該研究對許多光學(xué)技術(shù)遙感領(lǐng)域，比如資源普查、環(huán)境檢測、軍事偵察等，具有重要意義。

全偏振;高光譜;雙光路;偏振調(diào)制;干涉成像

1 引 言

干涉光譜成像技術(shù)是干涉光譜學(xué)與成像技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不但能記錄下目標(biāo)存在格局的二維空間信息，還能獲取目標(biāo)的干涉條紋，復(fù)原出目標(biāo)成分的光譜信息［1－3］。然而，光波不僅具有強(qiáng)度信息，還具有另一重要特性，即偏振相位特性，隨著偏振測量技術(shù)的不斷發(fā)展［4－7］，干涉光譜成像與偏振探測的結(jié)合也逐漸受到人們關(guān)注。早期提出的一種利用偏振干涉成像光譜儀獲取探測目標(biāo)的偏振參數(shù)的方法，該測量系統(tǒng)探測角度范圍有限，且系統(tǒng)中存在運(yùn)動部件，不可避免的會帶來誤差［8］。國內(nèi)西安交大課題組研制的傅里葉變換高光譜成像偏光計(jì)，可以同時獲得目標(biāo)物體的二維圖像、光譜信息以及全偏振信息［9］，然而它只適用于穩(wěn)定光線或者變化很緩慢的場景，并且系統(tǒng)也存在運(yùn)動調(diào)節(jié)部件。在此基礎(chǔ)上提出的一種基于薩瓦干涉儀的穩(wěn)態(tài)高光譜偏光計(jì)［10］，無旋轉(zhuǎn)部件，但是視場角受限，且不能獲取圓偏振信息。實(shí)際上圓偏振分量包含著重要的信息［11－12］，只有包含了圓偏振分量才能獲取更可靠更完整的地物信息。在對前人所做工作進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型雙光路全偏振高光譜測量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“光偏振相位”、“灰度圖像”和“光譜成分”的三維信息獲取，且有效彌補(bǔ)了上述幾種結(jié)構(gòu)的缺陷，從而進(jìn)一步提高了該方面研究在目標(biāo)信息提取與目標(biāo)識別方面的應(yīng)用領(lǐng)域和價值。

2 原理

2.1 Stokes參數(shù)

Stokes矢量用4個參量描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)，由斯托克斯于1852年提出。被描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和非完全偏振光，可以是單色光也可以是非單色光?？臻gStokes矢量定義如下:

其中，(x，y)是圖像的空間坐標(biāo)，S0為總的光強(qiáng)度，S1表示水平線偏振光與垂直線偏振光的強(qiáng)度差，S2表示45°線偏振光與－45°線偏振光強(qiáng)度之差，S3是右旋圓偏振光與左旋圓偏振光的強(qiáng)度差。

2.2 Mueller矩陣

當(dāng)光與光學(xué)元件，例如透鏡、偏光器、過濾器，或者物體表面相互作用(透射、反射)，光的偏振狀態(tài)將從S變到S'。入射光與任何光學(xué)元件或材料的這種相互作用可以被描述為 Stokes矢量與一個4×4矩陣的乘積，即，S'=M*S。這16個元素所組成的矩陣被稱為Mueller矩陣:

對于線偏振器或檢偏器，可以根據(jù)其透光軸方向與x軸(這里定義水平方向?yàn)閤軸)的夾角，來表示其Mueller矩陣:

對于相位延遲量為δ的相位延遲器，其Mueller矩陣如下:

其中，θ表示快軸與x軸之間的夾角;μ=sin(δ)，β=cos(δ);δ為其相位延遲量，與波數(shù)σ相關(guān)。

2.3 全偏振高光譜測量方案

如圖1所示，入射光由前端光學(xué)準(zhǔn)直鏡收集準(zhǔn)直。通過液晶調(diào)制器(LCM，快軸方向設(shè)定為與x軸成－22.5°)，在相應(yīng)的控制電壓下得到確定的相位延遲量。然后由偏振分光棱鏡分為兩束，其強(qiáng)度比為1∶1，與此同時，偏振分光棱鏡也作為檢偏器件將入射光變成一束水平偏振(P光)和一束豎直偏振光(S光)。

經(jīng)Savart偏光鏡(由兩片雙折射晶體板組成，前板光軸與入射偏振方向成45°，后板光軸與前板垂直)進(jìn)行橫向剪切得到光強(qiáng)相等，偏振方向垂直的兩束偏振光，并由檢偏器(各自透光軸與偏振分光鏡出射的光偏振方向相同)檢偏成為相同偏振態(tài)的相干光。由后置聚焦透鏡匯聚成像于焦平面處CCD采集得到干涉條紋和像。

圖1 雙光路電光調(diào)制全偏振高光譜干涉成像結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A dual optical path structure combing full-polarization technology with hyperspectral imaging

對于偏振分光鏡、Savart板、檢偏器三者等效Mueller矩陣，當(dāng)起偏方向?yàn)榕c水平成45°時，等效于透光軸為45°的偏振片［13］:

將三者組合進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)起偏方向?yàn)?°和90°時，對應(yīng)等效矩陣分別為:

取液晶的相位延遲為0，π/2，π和3π/2，兩光路各自得到對應(yīng)的干涉圖像Iij。其中i=a，b;a和b代表的是P光所成干涉圖像和S光所成的干涉圖像，j=1，2，3，4分別對應(yīng)液晶調(diào)制相位延遲為0，π/2，π和3π/2。

得到的S0(x，y)，S1(x，y)，S2(x，y)，S3(x，y)為帶有干涉信息的四幅全偏振圖像的光強(qiáng)矩陣，對于矩陣中不同的點(diǎn)有著不同的光程差，可利用傅立葉變換獲得對應(yīng)偏振參數(shù)下圖像的光譜信息:

其中，Δ為光程差;I(Δ)為測得干涉強(qiáng)度信息;σ為波數(shù);L是全偏振高光譜干涉成像裝置的最大光程差。由此可以恢復(fù)得到入射光的全Stokes矢量及高光譜信息。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿 真

設(shè)定入射光Stokes矢量為［1 1 0 0］'，對應(yīng)的光譜為中心633 nm，譜寬50 nm，結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results

圖2(a)表示設(shè)定入射光為一譜寬50 nm中心633 nm的水平線偏振光，因此S2、S3分量的光譜都為0;計(jì)算得到對應(yīng)的四張stokes圖像顯示如圖2 (b)，S0、S1為帶有干涉條紋信息的明亮圖像，并且強(qiáng)度相等，S2、S3強(qiáng)度為0，無干涉信息;由干涉信息恢復(fù)得到的各偏振態(tài)下光譜信息圖2(c)與設(shè)定的入射光Stokes矢量圖2(a)基本一致，表明高光譜算法是可行的。

3.2 誤差分析

相位調(diào)制器對于不同波長的調(diào)制延遲量在延遲量分別為0，π/2，π和3π/2時存在著各自的誤差(如圖2(d));圖3給出了不同光譜中心和譜寬條件下，恢復(fù)光譜和原始光譜兩者絕對誤差的平均值。x軸λ代表中心波長，y軸width表示光譜寬度，z軸error表示對應(yīng)中心及譜寬條件下，恢復(fù)光譜與原始光譜的絕對差取平均值得到的結(jié)果;結(jié)果表明對于不同的入射光，由于相位延遲器對不同波長延遲量的不同，可能會導(dǎo)致恢復(fù)光譜誤差，但對S0和S1的影響不大，在10－14量級，對于S2與S3最大會產(chǎn)生5%的誤差，對結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。

圖3 不同光譜引起的全Stokes恢復(fù)光譜誤差Fig.3 Full Stokes spectral restoration errors corresponding to different spectrums

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在設(shè)定Savart焦距為1.5 mm，后置成像鏡焦距300 mm的情況下(光譜分辨率為3 nm@633 nm)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4，其中圖4(a)為全Stokes干涉成像圖，結(jié)果得到了清晰的像與干涉條紋。對干涉條紋進(jìn)一步分析得到去噪后的干涉信息如圖4 (b)，不同偏振態(tài)下干涉的總強(qiáng)度不同。對干涉信息進(jìn)行傅里葉分析，得到對應(yīng)偏振態(tài)下的光譜強(qiáng)度與原始光譜的對照圖，如圖4(c)，S0與原始光譜基本吻合，S1，S2，S3分別恢復(fù)得到光譜與原始光譜有著相同的中心波長和光譜寬度，只是最大值點(diǎn)對應(yīng)的強(qiáng)度不同對應(yīng)該偏振態(tài)的光占總光強(qiáng)的比例。該實(shí)驗(yàn)在仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證了算法模型的正確性。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experiment results

4 討論與總結(jié)

文章介紹了一種基于電光調(diào)制的雙光路同步測量結(jié)構(gòu)通過全偏振成像技術(shù)與低相干光譜技術(shù)結(jié)合，在高光譜成像的基礎(chǔ)上，加入了高精度全偏振相位信息(全偏振分量誤差小于5%)，在保留傳統(tǒng)高通量和多光譜通道優(yōu)勢的同時，進(jìn)一步擴(kuò)展了探測信息維數(shù)，提高了對目標(biāo)狀況的分析能力。

與以往提到的偏振高光譜測量方法相比，不但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，解決了由運(yùn)動部件帶來的系統(tǒng)誤差，使系統(tǒng)更適用于遙感及太空測量，而且利用雙光路同步控制得到的全偏振測量算法相對簡單，可以得到實(shí)時測量信息。與此同時，加入了圓偏振分量及其光譜測量，解決了高光譜和全偏振不可共存的瓶頸問題。

由色散引起的反演誤差是客觀存在的，但對結(jié)果的影響是有限的，并且可以通過相位補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)克服。當(dāng)然，以后我們可以利用偏振相位編碼板等方式提高調(diào)制效率，得到更快速有效的調(diào)制方法和更高的恢復(fù)精度。

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Study on full-polarization hyperspectral imaging technology

ZHONG Teng-hui，WEIXiang-yu，ZHOU Qiang，LIYu-bo
(Department of Information Science and Electronic Engineering，College of Information Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Since full-polarization parametermeasurement can not be well combined with hyperspectral imaging technology yet，a new full-polarization hyperspectral imagingmeasurement structure using a dual optical path system is investigated.Using the hyperspectral interference imaging technology and polarizationmodulation technology based on electro-optic effect，the polarization information，spectral information and spatial image information are effectively combined，the synchronousmeasurement of hyperspectral information and full-polarization parameter is realized.The principle of the full-polarization parametermeasurement is introduced at first.Then the experiment setup is shown and the optical elements are illustrated.Also，the detailed formula derivation steps of the full-Stokes vector is given.At last，some computer simulation data and experimental results are given.Through the combination of spectral imaging and full-polarization parametermeasurement，the detecting information of the object is greatly enriched.The feasibility of thismethod is verified through simulation results.This work will definitely be helpful tomany optical remote sensing technology areas such as resources survey，environmentalmonitoring and military reconnaissance.

full-polarization;hyperspectrum;dual optical path;polarization modulation;interference imaging

TN29

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.013

1001-5078(2014)05-0539-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61178065)資助。

鐘滕慧(1987－)，男，碩士生，主要從事光偏振遙感方面的研究工作。E-mail:21131061@zju.edu.cn

2013-09-16