雙強(qiáng)度調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜系統(tǒng)測(cè)量原理及仿真?

于慧 張瑞 李克武 薛銳 王志斌

1)(中北大學(xué)理學(xué)院,太原 030051)

2)(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,太原 030051)

3)(山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

4)(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

雙強(qiáng)度調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜系統(tǒng)測(cè)量原理及仿真?

于慧1)3)4)?張瑞2)3)4)?李克武2)3)4)薛銳1)3)4)王志斌1)3)4)

1)(中北大學(xué)理學(xué)院,太原 030051)

2)(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,太原 030051)

3)(山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

4)(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

(2016年7月23日收到;2016年11月30日收到修改稿)

為了抑制背景噪聲,獲得高信噪比的純干涉條紋并實(shí)現(xiàn)圖像、光譜和全偏振信息的同時(shí)測(cè)量,提出了一種基于雙強(qiáng)度調(diào)制的靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜技術(shù)新方案.系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、兩個(gè)相位延遲器構(gòu)成的偏振光譜調(diào)制模塊、Wollaston棱鏡構(gòu)成的偏振分束器、Savart偏光鏡和線偏振器構(gòu)成的干涉模塊以及CCD面陣探測(cè)器組成,可在單一探測(cè)器上同時(shí)獲取兩幅經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度調(diào)制的全偏振干涉圖,通過(guò)對(duì)兩幅全偏振干涉圖的簡(jiǎn)單加減運(yùn)算,便可獲得探測(cè)目標(biāo)清晰的純圖像和高信噪比的純干涉條紋.對(duì)該系統(tǒng)的圖像和光譜偏振復(fù)原過(guò)程進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效分離探測(cè)目標(biāo)的背景圖像和干涉圖像,實(shí)現(xiàn)高精度的光譜復(fù)原和全偏振信息的有效提取,具有高穩(wěn)定性、高光譜、高靈敏度、高信噪比、信息復(fù)原精度高及數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),為偏振干涉成像光譜技術(shù)的發(fā)展提供了新思路.

雙強(qiáng)度調(diào)制,偏振成像光譜技術(shù),傅里葉變換,Stokes矢量

1 引 言

偏振成像光譜(spectropolarimetirc imaging,SPI)技術(shù)是偏振成像技術(shù)和光譜成像技術(shù)的有機(jī)融合,能夠同時(shí)獲得目標(biāo)的二維圖像信息、圖像中各點(diǎn)的光譜信息以及每個(gè)譜段的偏振信息[1?25].圖像、光譜、偏振信息的三位一體,大大提高了目標(biāo)探測(cè)的信息量和識(shí)別的準(zhǔn)確度,在國(guó)防安全、航空航天、地球遙感、資源普查、污染防治以及生物醫(yī)學(xué)等[26?34]領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景.

強(qiáng)度調(diào)制(通道型)光譜偏振技術(shù)是由日本學(xué)者Oka和Kato[3]提出的一種能夠同時(shí)獲得目標(biāo)全部Stokes偏振參量的快照式光譜偏振測(cè)量技術(shù).基于這一概念,出現(xiàn)了許多種不同方案的偏振成像光譜儀[3?9,12,13,18?21,24],而將強(qiáng)度調(diào)制光譜偏振技術(shù)與傅里葉變換干涉成像光譜技術(shù)結(jié)合是其中的典型代表[7,9,18?21,24].它采用相位延遲器件對(duì)目標(biāo)的偏振信息進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,利用傅里葉變換干涉成像光譜儀得到圖像和通道化的干涉圖樣,然后通過(guò)對(duì)干涉圖在光程差維濾波及傅里葉變換復(fù)原出偏振光譜信息,具有高穩(wěn)定性、高通量、多通道及數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單快速等優(yōu)點(diǎn).Tyo等[4,8]設(shè)計(jì)了在基于改進(jìn)的Sagnac干涉儀的空間調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀的光路中加入可變相位延遲器的偏振成像光譜儀,通過(guò)對(duì)可變相位延遲器設(shè)置不同的參數(shù)獲得同一目標(biāo)的不同偏振態(tài)光譜圖像.Kudenov等[9]在強(qiáng)度調(diào)制光譜偏振技術(shù)基礎(chǔ)上采用釩酸釔(YVO4)晶體相位延遲器和商品化傅里葉變換光譜儀研制了中波紅外譜段的偏振成像光譜儀,實(shí)現(xiàn)了光譜偏振測(cè)量.Jones等[17]提出了由兩個(gè)多級(jí)相位延遲器構(gòu)成的偏振模塊和兩個(gè)Wollaston棱鏡、一個(gè)相位延遲器構(gòu)成的干涉模塊組合而成的紅外高光譜偏振成像光譜儀,通過(guò)改變兩個(gè)Wollaston棱鏡的相對(duì)位置產(chǎn)生光程差.李杰等[21]提出了基于雙相位延遲器偏振模塊和單Wollaston棱鏡干涉模塊的全光調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀.這些偏振成像光譜儀的提出為SPI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了新思路,但是這些設(shè)計(jì)方案中普遍存在需要狹縫、電控相位延遲器件、運(yùn)動(dòng)部件、不能同時(shí)獲得全部Stokes偏振參量等不足之處.此外,探測(cè)器上獲得的干涉條紋和目標(biāo)圖像是疊加在一起的,光譜復(fù)原時(shí)計(jì)算量大,數(shù)據(jù)處理繁冗,信息獲取精度低.為了避免以上缺點(diǎn),本文提出了一種基于雙強(qiáng)度調(diào)制的靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜技術(shù),其顯著特點(diǎn)是可將探測(cè)目標(biāo)的背景和干涉圖像有效分離開(kāi)來(lái),避免了圖像與干涉條紋之間的干擾,并同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像、光譜和全部Stokes偏振參量的一體化探測(cè),具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、高信噪比、信息復(fù)原精度高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn).文中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理,對(duì)數(shù)據(jù)采集和光譜偏振復(fù)原公式進(jìn)行了推導(dǎo),并對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和仿真,驗(yàn)證了該方法的可行性.

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

雙強(qiáng)度調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)(由透鏡L0、光闌F和透鏡L1組成)、相位延遲器件R1和R2、起偏器P,Wollaston棱鏡WP,Savart偏光鏡SP、檢偏器A、二次成像系統(tǒng)及面陣CCD探測(cè)器.相位延遲器R1,R2和起偏器P構(gòu)成偏振光譜調(diào)制模塊,R1和R2的厚度分別為d1和d2,R1的快軸方向與x軸成45?角,R2的快軸方向與x軸一致,P的偏振方向與x軸成45?角.WP用于產(chǎn)生強(qiáng)度相等的兩束正交偏振光,其主截面分別平行于y軸和x軸.SP和檢偏器A組成干涉模塊,SP左板的光軸在與y軸正向、z軸負(fù)向成45?角的平面內(nèi),在xy平面內(nèi)的投影與x軸夾角為45?,SP右板的光軸在與y軸正向、z軸正向成45?角的平面內(nèi),在xy平面內(nèi)的投影與x軸夾角為45?.A的偏振方向平行于y軸.入射光經(jīng)由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集、準(zhǔn)直后,進(jìn)入R1和R2進(jìn)行相位調(diào)制,調(diào)制后的入射光通過(guò)起偏器P變?yōu)榫€偏振光,之后被WP角剪切為沿y軸方向的兩束強(qiáng)度相等的正交線偏振光.兩束線偏振光分別通過(guò)SP發(fā)生橫向剪切,每一束又被一分為二,成為兩束強(qiáng)度相等、傳播方向相互平行的正交線偏振光,通過(guò)檢偏器A后振動(dòng)方向變?yōu)橐恢庐a(chǎn)生干涉,然后由二次成像系統(tǒng)分別會(huì)聚于CCD探測(cè)器的上半部分和下半部分,同時(shí)形成兩幅背景與干涉條紋并存的全偏振干涉圖像.在平行于y軸方向兩圖像對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的光程差相等,在平行于x軸方向隨入射角同步改變.

圖1 雙強(qiáng)度調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Optical layout of the spectropolarimetirc imaging system based on static dual intensity modulated Fourier transform.

利用Stokes參量法[35],可以方便地研究雙強(qiáng)度調(diào)制傅里葉變換偏振干涉成像系統(tǒng)的探測(cè)原理.設(shè)入射光的Stokes參量為Sin,用一個(gè)4×1的矩陣表示

其中,分量S0表示總光強(qiáng),分量S1表示水平和垂直方向線偏振分量的光強(qiáng)差,分量S2表示+45?和?45?方向線偏振分量的光強(qiáng)差,分量S3表示右旋和左旋圓偏振分量的光強(qiáng)差,σ是入射光的波數(shù),(x,y)是二維圖像的空間坐標(biāo)參量.

出射光的Stokes參量Sout等于光學(xué)系統(tǒng)的Mueller矩陣M乘以入射光的Stokes參量Sin,即Sout=MSin.基于本測(cè)量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和探測(cè)原理,入射光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的矩陣傳輸方程可表示為:

其中,Sout1和Sout2分別為兩束出射光的Stokes參量;MR1,MR2,MP,MA,MWP(0?),MWP(90?),MSP分別表示相位延遲器R1、相位延遲器R2、起偏器P、檢偏器A,WP(等效為兩個(gè)正交線偏振器)兩個(gè)角剪切和Savart偏光鏡SP的Muller矩陣:

式中,δ1和δ2分別表示雙折射晶體R1和R2產(chǎn)生的相位延遲,δ1(σ)=2πL1σ=2π(no(σ)?ne(σ))d1σ,δ2(σ)=2πL2σ=2π(no(σ)?ne(σ))d2σ,L1和L2分別代表R1和R2產(chǎn)生的光程差,no(σ)?ne(σ)是雙折射晶體對(duì)o光和e光的折射率之差;α表示線偏振器的快軸方向與x軸的夾角;φ表示SP產(chǎn)生的相位延遲,φ(σ)=2πσL,L是光束通過(guò)SP棱鏡產(chǎn)生的光程差.

將以上各元件的Muller矩陣分別代入(2)式和(3)式,即可得到兩束出射光的Stokes參量Sout1和Sout2.由于光電探測(cè)器件只能探測(cè)到總光強(qiáng),由Stokes參量的性質(zhì)可知,CCD檢測(cè)到的兩束出射光的光強(qiáng)Iout1和Iout2分別為

由(4)式和(5)式可見(jiàn),雙強(qiáng)度調(diào)制入射光的四個(gè)Stokes分量經(jīng)由偏振光譜調(diào)制模塊分別被調(diào)制上了不同的相位因子,然后通過(guò)干涉模塊的傅里葉變換頻移功能實(shí)現(xiàn)了在頻率域上的分離.為了更清楚地看到這一點(diǎn),將其展開(kāi)并整理,可得

可見(jiàn),調(diào)制光譜的干涉圖作為載頻信號(hào)被分為七個(gè)與光程差相關(guān)的頻率通道,其中,含有S0(σ)光譜的干涉圖中心位于光程差L=0處,含有S2(σ)光譜的干涉圖被搬移到了L=±L2附近,含有S1(σ)+iS3(σ)光譜的干涉圖被搬移到了L=(L1+L2)附近,含有S1(σ)?iS3(σ)光譜的干涉圖被搬移到了L=?(L1+L2)附近,含有?S1(σ)?iS3(σ)光譜的干涉圖被搬移到了L=(L1?L2)附近,含有?S1(σ)+iS3(σ)光譜的干涉圖被搬移到了L=?(L1?L2)附近.對(duì)不同光程差位置上的Stokes分量利用傅里葉變換進(jìn)行解調(diào),便可獲得探測(cè)目標(biāo)的光譜和全部偏振信息.

盡管理論上講,利用其中的任意一幅全偏振干涉圖像都可實(shí)現(xiàn)這一目的,但由于兩幅全偏振干涉圖的背景和干涉條紋是疊加在一起的,它們相互影響會(huì)降低光譜的信噪比,而傳統(tǒng)的去背景方法存在計(jì)算繁復(fù)、光程差零點(diǎn)漂移、對(duì)非等振幅分光誤差敏感等缺點(diǎn),為此,對(duì)(6)式和(7)式求和,可得

對(duì)(6)式和(7)式求差,可得

由(8)式和(9)式可見(jiàn),通過(guò)對(duì)兩幅全偏振干涉圖的簡(jiǎn)單加減運(yùn)算,便可獲得探測(cè)目標(biāo)的純圖像和純干涉條紋.兩全偏振干涉圖像求和后只有直流分量,此時(shí)得到的是清晰的純背景圖像,沒(méi)有干涉條紋,而且其強(qiáng)度增大為原來(lái)每一幅全偏振干涉圖像的兩倍.而兩全偏振干涉圖像求差后,背景圖像消失,此時(shí)得到的是高信噪比的純干涉圖像,干涉圖強(qiáng)度同樣增大為原來(lái)每一幅全偏振干涉圖像的兩倍.在得到的純干涉圖中截取各Stokes分量對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào),經(jīng)傅里葉變換即可復(fù)原出對(duì)應(yīng)的偏振光譜,克服了傳統(tǒng)方法的種種不足.

3 光學(xué)指標(biāo)參數(shù)與計(jì)算機(jī)仿真

本系統(tǒng)的探測(cè)器采用美國(guó)Thorlabs公司的Semiconductor KAI-04070M單色CCD相機(jī),分辨率2048×2048,像元大小7.4μm×7.4μm,則每一幅全偏振干涉圖像占據(jù)1024×2048像素.CCD光譜響應(yīng)范圍400—800 nm.假定入射光某一目標(biāo)元的全Stokes光譜偏振曲線如圖2所示.為了避免光譜混疊,由Nyquist采樣定理可知,最大采樣間隔為δ?=λmin/2=0.2μm,取相鄰像元的光程差間隔等于采樣間隔,則系統(tǒng)最大光程差為?max=1024×δ?=204.8μm,光譜分辨率δσ=1/?max≈48.8 cm?1,每一個(gè)Stokes偏振分量所分配的光程差約為29μm,光譜分辨率約為δσSi=1/?max≈345 cm?1(550 nm的波長(zhǎng)分辨率約為δλ=λ2δσSi≈10 nm),達(dá)到了高光譜分辨能力的要求.

圖2 模擬的入射Stokes光譜強(qiáng)度Fig.2.Simulated input Stokes spectrum.

相位延遲器R1和R2采用石英晶體材料,雙折射率?n約為0.009(忽略雙折射色散的影響),R1的厚度d1設(shè)計(jì)為6.5 mm,R2的厚度d2設(shè)計(jì)為13.0 mm[36],根據(jù)L=d?n計(jì)算得到兩相位延遲器產(chǎn)生的光程差分別為58.5和117μm,此時(shí)七個(gè)分量在光程差上均勻分開(kāi).起偏器P和檢偏器A采用Glan-Taylor棱鏡,消光比100000:1.WP和SP均采用方解石晶體制作.為了能夠充分利用CCD的光譜分辨率并使系統(tǒng)滿足傍軸條件(避免條紋畸變)[23],取SP的橫向剪切量d=1.35 mm,L2的焦矩f2=50 mm,此時(shí)SP單板厚度t=8.8 mm.WP的分束角約為8.6?時(shí)可以確保在y軸方向上充分利用CCD的面陣尺寸并使兩目標(biāo)圖像完全分離,由此可得WP的結(jié)構(gòu)角為22?.

探測(cè)目標(biāo)的信息獲取基于時(shí)空混合調(diào)制技術(shù)[23],即依靠自推掃改變目標(biāo)元相對(duì)于系統(tǒng)的視場(chǎng)角來(lái)改變光程差,從而得到目標(biāo)元不同狀態(tài)時(shí)的干涉數(shù)據(jù).實(shí)際中需要協(xié)調(diào)好掃描速度和曝光時(shí)間之間的關(guān)系.由于目標(biāo)元和像元滿足點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,基于本系統(tǒng)所采用的CCD探測(cè)器,記錄所有目標(biāo)元的完整全偏振干涉圖需要采集4096幀圖像,若只記錄一個(gè)目標(biāo)元的完整全偏振干涉圖,則需采集2048幀圖像,每一幀圖像由兩幅包含探測(cè)目標(biāo)的二維圖像信息和目標(biāo)元瞬時(shí)視場(chǎng)干涉強(qiáng)度的全偏振干涉圖組成.圖3為模擬的在CCD探測(cè)器上獲取的兩幅全偏振干涉圖(所有推掃圖像中的某一幀),背景和干涉條紋是疊加在一起的.圖4為兩幅全偏振干涉圖相加得到的純目標(biāo)圖像,可以看到此時(shí)干涉條紋與背景圖像已完全分離,圖5為兩幅全偏振干涉圖相減得到的純干涉圖像,此時(shí)背景圖像完全消失.

圖3 CCD探測(cè)器上的兩幅全偏振干涉模擬圖Fig.3.Simulated two full-polarization interferogram on the CCD detector array.

圖4 全偏振干涉圖相加得到的純目標(biāo)圖像Fig.4.Pure target image from the summation of the two full-polarization interferogram.

圖5 全偏振干涉圖相減得到的純干涉條紋Fig.5.Pure interference fringe from the difference of the two full-polarization interferogram.

對(duì)采集得到的所有推掃圖像進(jìn)行上述操作,并對(duì)同一目標(biāo)元對(duì)應(yīng)的純干涉圖序列進(jìn)行干涉數(shù)據(jù)的提取和重組,便可得到與該目標(biāo)元的完整干涉圖對(duì)應(yīng)的一維純干涉強(qiáng)度圖,如圖6所示.其中圖6(a1)和圖6(a2)分別是CCD探測(cè)器上獲得的兩幅全偏振干涉圖Iout1和Iout2的序列,圖6(b1)是兩幅全偏振干涉圖相加后得到的純圖像序列,圖6(b2)是兩幅全偏振干涉圖相減后得到的純干涉圖像序列,利用計(jì)算機(jī)讀取同一目標(biāo)元在每幀純干涉圖像中對(duì)應(yīng)像元點(diǎn)的干涉數(shù)據(jù)并經(jīng)數(shù)據(jù)重組,便可得到如圖6(c)所示的該目標(biāo)元的一維純干涉強(qiáng)度圖.

圖6 某目標(biāo)元一維純干涉強(qiáng)度的提取 (a1)全偏振干涉圖Iout1序列;(a2)全偏振干涉圖Iout2序列;(b1)純目標(biāo)圖像序列;(b2)純干涉圖像序列;(c)一維純干涉強(qiáng)度圖Fig.6.Extraction of one-dimensional pure interference intensity of a target:(a1)Full-polarization interferogram sequence of Iout1;(a2)full-polarization interferogram sequence of Iout2;(b1)pure target image sequence;(b2)pure interference fringe sequence;(c)one-dimensional pure interference intensity of a target.

由圖6(c)可知,各調(diào)制分量的干涉圖的中心光程差分別在0,±58.5,±117和±175.5μm 處,分別對(duì)應(yīng)于光程差0,±(L1?L2),±L2,±(L1+L2),每個(gè)通道分配的光程差約為58.5μm.截取光程差為?29—29μm之間(C0段)的干涉圖,即S0(σ)對(duì)應(yīng)的干涉圖,如圖7(a)所示,采用干涉光譜反演算法復(fù)原得到的S0(σ)如圖7(b)所示.復(fù)原過(guò)程中未進(jìn)行切趾處理.同時(shí),由于是在理想情況下,未進(jìn)行相位修正處理.其他Stokes參量的光譜復(fù)原過(guò)程與上述相同.截取光程差為88—146μm之間(C2段)的干涉圖可復(fù)原得到S2(σ),截取光程差為146—204.8μm之間(C3段)的干涉圖可復(fù)原得到S1(σ)和S3(σ), 復(fù)原出的全部Stokes偏振分量如圖8所示,復(fù)原Stokes光譜與輸入光譜基本重合,從而驗(yàn)證了基于雙強(qiáng)度調(diào)制靜態(tài)傅里葉變換偏振成像光譜測(cè)量技術(shù)在原理上的可行性.但實(shí)際中還應(yīng)考慮其他因素的影響,如相位延遲器的色散、噪聲的影響、CCD像元響應(yīng)效率的偏差及干涉信號(hào)的有效采集等[37],復(fù)原過(guò)程與普通傅里葉變換光譜儀的復(fù)原過(guò)程相同,需要經(jīng)歷干涉信號(hào)修正、切趾處理和相位修正等環(huán)節(jié),這也將是下一步研究的重點(diǎn).

圖7 S0對(duì)應(yīng)的干涉圖及其復(fù)原光譜 (a)S0的干涉圖;(b)復(fù)原的S0偏振光譜Fig.7. Interferogram and reconstructed spectrum of S0:(a)Interferogram of S0;(b)reconstructed polarization spectrum and original spectrum of S0.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)模擬解調(diào)出的全Stokes偏振光譜Fig.8.(color online)Reconstructed full Stokes polarization spectra and original spectra.

4 結(jié) 論

本文提出了一種可同時(shí)獲取目標(biāo)純圖像、純干涉條紋(光譜)及全偏振信息的偏振干涉成像光譜技術(shù)新方案.介紹了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)數(shù)據(jù)采集和光譜偏振復(fù)原進(jìn)行了理論推導(dǎo),得到光譜偏振調(diào)制與解調(diào)的具體表達(dá)式,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了該方案的可行性.

本系統(tǒng)主要由包含兩個(gè)相位延遲器的偏振光譜調(diào)制模塊、Wollaston棱鏡構(gòu)成的偏振分束器以及由Savart偏光鏡和線偏振器構(gòu)成的干涉模塊組成,目的是在單一面陣探測(cè)器上同時(shí)獲取兩幅經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度調(diào)制的全偏振干涉圖,進(jìn)而反演出目標(biāo)的圖像、光譜與全偏振信息.與傳統(tǒng)的偏振干涉成像光譜技術(shù)相比,該方案從結(jié)構(gòu)上避免了圖像與干涉條紋之間的干擾,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像、光譜與全斯托克斯偏振參量的測(cè)量,數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單便捷,信噪比高;同時(shí)通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)避免了通道混疊現(xiàn)象,光譜復(fù)原精度較高,并且具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性.該研究對(duì)偏振干涉成像光譜技術(shù)的進(jìn)一步理論研究和儀器設(shè)計(jì)都有重要的指導(dǎo)意義.

[1]Persky M J 1995Rev.Sci.Instrum.66 4763

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PACS:42.15.Eq,42.25.Ja,42.25.Hz DOI:10.7498/aps.66.054201

Principles and simulation of spectropolarimetirc imaging technique based on static dual intensity-modulated Fourier transform?

Yu Hui1)3)4)?Zhang Rui2)3)4)?Li Ke-Wu2)3)4)Xue Rui1)3)4)Wang Zhi-Bin1)3)4)

1)(School of Science,North University of China,Taiyuan 030051,China)
2)(School of Information and Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)
3)(Engineering and Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-electric Information and Instrument,Taiyuan 030051,China)
4)(Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

23 July 2016;revised manuscript

30 November 2016)

Traditional imaging spectropolarimetry generally requires slit,moving parts,electrically tunable devices,or the use of micropolarized arrays.Furthermore,the acquired raw data are a physical superposition of interferogram and image.Given their complicated structure,poor seismic capacity,low detection sensitivity,and heavy computations with approximation in spectral reconstruction,meeting the needs for applications in aviation,remote sensing,and field detection is difficult.To overcome these drawbacks,a new spectropolarimetric imaging technique based on static dual intensity-modulated Fourier transform is presented.The system consists of a front telescopic system,two phase retarders,a linear polarizer,a Wollaston prism,a Savart polariscope,a linear analyzer,a reimaging system,and a charge-coupled device(CCD)array detector.The incident light is modulated through a module of polarization spectrum modulation,which consists of the retarders and the polarizer.The Wollaston prism splits the modulated incident light into two equal intensities,orthogonally polarized components with a small divergent angle.After passing through the interference module,which is composed of the Savart polariscope and the analyzer,then the reimaging system,two full-polarization interferograms,which are the superposition of background images and interference fringes,are recorded simultaneously on a single CCD.The pure target image and the pure interference fringes can be simply achieved from the summation or the difference of the two interferograms.Spectral and complete polarization information can be acquired by using the Fourier transform of the pure interference fringes.The principle and the configuration of the system are described here in this paper.The reconstruction processes of the target image and the full Stokes polarization spectra are theoretically analyzed and mathematically simulated.The results show that the system can availably separate background image from interference fringes of the target,achieving high-precision spectral reconstruction and effective extraction of the complete polarization information.Compared with the features of existing instruments,one of the salient features of the described model is to use the dual-intensity modulation,which can avoid mutual interference between the image and the fringes from the hardware and is conducive to the extraction of pure interference fringes with high signal-tonoise ratio(SNR).With this feature,the inadequacies on traditional spectral reconstruction,such as large computation,heavy data processing,and low accuracy of acquired information,are overcome.Moreover,the entrance slit in the front telescopic system is removed,which greatly increases the transmittance and flux of the incident light and improves the SNR of the interferogram.The modified Savart polariscope is used in the interference module.Its transverse shearsplitting principle further enlarges the field of view and increases the spectral resolution of the straight fringes.Thus,this design has the advantages of good stability,high spectrum,high sensitivity,large SNR,high-precision information reconstruction,and low-complexity data processing,as well as simultaneous detection of image,spectrum,and complete polarization information.This work will provide an important theoretical basis and practical instruction for developing new spectropolarimetric imaging technique and its engineering applications.

dual-intensity modulation,spectropolarimetirc imaging technique,Fourier transform,Stokes vector

PACS:42.15.Eq,42.25.Ja,42.25.Hz

10.7498/aps.66.054201

?國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2013DFR10150)、國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61127015,61471325,61505179)和山西省青年科技研究基金(批準(zhǔn)號(hào):2014021012)資助的課題.

?通信作者.E-mail:13934603474@nuc.edu.cn

?通信作者.E-mail:ruizhanghy@163.com

*Project supported by the Funds for International Cooperation and Exchange of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.2013DFR10150),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61127015,61471325,61505179),and the Natural Science Foundation for Young Scientists of Shanxi Province,China(Grant No.2014021012).

?Corresponding author.E-mail:13934603474@nuc.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:ruizhanghy@163.com