本發(fā)明屬于偏振態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及獲取圖像、線偏振與光譜的裝置及方法，尤其是一種圖像、高分辨率強度光譜與線偏振光譜探測系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

stokes矢量譜可以完整的描述目標的光譜及偏振信息，而光譜及偏振信息對于地球遙感探測有著重要的意義，光譜及偏振信息對地物識別、大氣監(jiān)測及物質(zhì)性質(zhì)檢測方面均有重要作用。成像光譜偏振技術(shù)作為一種新型的光學(xué)探測方法，目前國際上只有少數(shù)科研機構(gòu)開展相關(guān)研究工作。尤其是干涉型成像光譜偏振儀(interferencespectropolarimeter,isp)，目前仍處于原理探索與實驗驗證階段，其技術(shù)手段尚未成熟。

目前國際上常規(guī)偏振態(tài)(stokes矢量譜)的測量方法有按時間順序測量及按空間順序測量等方法，這些方法均需要對目標進行多次測量，存在時間或空間失配問題，限制了其分辨率和偏振測量精度，同時難以做到實時測量，限制了其在偏振探測領(lǐng)域的應(yīng)用。1999年kazuhikooka等提出的通道光譜偏振技術(shù)，可以通過單次測量獲取探測目標的全偏振態(tài)信息，具有實時探測能力。然而該方法在復(fù)原強度光譜與偏振光譜時需要進行通道濾波，該過程使得最大光程差降低為原來的1/7或者1/3，根據(jù)傅里葉變換光譜學(xué)原理，復(fù)原強度光譜與偏振光譜的分辨率會降低至原來的1/7或者1/3，嚴重影響了復(fù)原光譜分辨率。在通道調(diào)制時，由于強度光譜通道與偏振光譜通道間存在較為嚴重的頻譜混疊，不可能通過濾波完全去除，導(dǎo)致復(fù)原stokes矢量譜中存在不可消除的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種圖像、高分辨率強度光譜與線偏振光譜探測系統(tǒng)與方法，其能夠解決序列測量方法時間及空間失配的問題，能夠?qū)崟r測量快速變化的目標，同時能夠克服通道光譜技術(shù)中，復(fù)原強度光譜存在誤差及光譜分辨率嚴重降低的缺點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明首先提出一種圖像、高分辨率強度光譜與線偏振光譜探測系統(tǒng)：該系統(tǒng)沿入射光線的主光軸從左到右依次設(shè)有用于準直的望遠系統(tǒng)、第一延遲器、第二延遲器、wollaston棱鏡、savart偏光鏡、第三延遲器、檢偏器、成像鏡及ccd探測器；入射光經(jīng)前置望遠系統(tǒng)準直后變?yōu)槠叫泄?，平行光依次通過第一延遲器、第二延遲器、wollaston棱鏡、savart偏光鏡、第三延遲器、檢偏器和成像鏡，最終在ccd探測器上獲取到兩幅三通道干涉圖。

進一步，上述望遠系統(tǒng)由第一透鏡、視場光闌和第二透鏡組成；所述視場光闌設(shè)置于第一透鏡和第二透鏡之間的主光軸上。視場光闌位于第一透鏡的后焦面上，并與第二透鏡的前焦面重合。

進一步，以上系統(tǒng)構(gòu)建滿足右手定則的xyz坐標系，主光軸為z軸，所述第一延遲器的快軸方向與x軸正向的夾角為0°，第二延遲器的快軸方向與x軸正向的夾角為45°；wollasto棱鏡的光軸分別位于yz與xz平面，光軸均與z軸垂直。savart偏光鏡左板的光軸與z軸正向成45°夾角，在xy平面內(nèi)的投影與x軸正向夾角為45°；savart偏光鏡右板的光軸與z軸負向成45°夾角，在xy平面內(nèi)的投影與x軸正向夾角為45°。延遲器的快軸方向與x軸正向的夾角為45°；檢偏器的透振方向與y軸平行。ccd探測器的感光面位于成像鏡的后焦面處。

本發(fā)明還提出一種圖像、高分辨率強度光譜與線偏振光譜探測方法：

入射光經(jīng)前置望遠系統(tǒng)準直后變?yōu)槠叫泄猓叫泄庖来瓮ㄟ^第一延遲器、第二延遲器、wollaston棱鏡、savart偏光鏡、第三延遲器、檢偏器和成像鏡，最終在ccd探測器上獲取到的兩幅三通道干涉強度i1和i2分別為：

其中分別為第一延遲器、第二延遲器、第三延遲器產(chǎn)生的延遲量；δsp為savart偏光鏡產(chǎn)生的光程差；

由以上兩式可得：

根據(jù)傅里葉變換光譜學(xué)原理，對式進行傅里葉變換可以復(fù)原出s0；對式通道濾波及傅里葉變換，可以得到s0、s1、s2及s3：

其中ft{}代表傅里葉變換，real{}代表取實部，imag{}代表取虛部；

s0代表光強，s1代表0°和90°線偏振光的強度差，s2代表45°和135°線偏振光的強度差，s3代表右旋和左旋圓偏振光的強度差。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明圖像、高分辨率強度光譜與線偏振光譜探測系統(tǒng)與方法通過不同光譜調(diào)制模塊的光進行角剪切，并使其沿不同的方向傳播，最終在ccd探測器上獲取兩幅強度光譜通道相位互補的干涉強度，這兩幅干涉強度相減，可獲取的強度光譜通道占據(jù)了全部光程差，復(fù)原的強度光譜保持了儀器原有的光譜分辨率，并不受偏振光譜通道串擾的影響；兩幅干涉強度相加即可抵消強度光譜通道，其對偏振光譜通道的串擾得以消除，從而可以使復(fù)原強度光譜在保持干涉型光譜儀原有分辨率的同時，通過單次測量來復(fù)原出全部的stokes矢量，較傳統(tǒng)通道光譜偏振技術(shù)使復(fù)原的強度光譜不受串擾的影響，消除了復(fù)原偏振光譜中的主要串擾誤差，結(jié)果更加精確且光譜分辨率提高3-7倍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為望遠系統(tǒng)；101為第一透鏡、102為視場光闌；103為第二透鏡；2為第一延遲器；3為第二延遲器；4為wollaston棱鏡；5為savart偏光鏡；6為第三延遲器；7為分析器；8為成像鏡；9為ccd探測器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發(fā)明基于通道光譜技術(shù)的的圖像、偏振與光譜探測系統(tǒng)為：沿入射光線依次設(shè)有望遠系統(tǒng)1、第一延遲器2、第二延遲器3、wollaston棱鏡4、savart偏光鏡5、第三延遲器6、檢偏器7、成像鏡8及ccd9。其中望遠系統(tǒng)包括透鏡101、視場光闌102及透鏡103。視場光闌102位于透鏡101的后焦面上，并與透鏡103的前焦面重合。

設(shè)主光軸為z軸，構(gòu)建xyz坐標系，所述xyz坐標系滿足右手定則，第一延遲器2的快軸方向與x軸正向的夾角為0°，第二延遲器3的快軸方向與x軸正向的夾角為45°；wollaston棱鏡4的光軸分別位于yz與xz平面，光軸均與z軸垂直；savart偏光鏡5左板的光軸與z軸正向成45°夾角，在xy平面內(nèi)的投影與x軸正向夾角為45°；savart偏光鏡5右板的光軸與z軸負向成45°夾角，在xy平面內(nèi)的投影與x軸正向夾角為45°；第三延遲器6的快軸方向與x軸正向的夾角為45°；檢偏器7的透振方向與y軸平行；ccd探測器9的感光面位于成像鏡8的后焦面處。

本發(fā)明所述的基于偏振陣列的光譜偏振探測方法包括以下步驟：

由偏振光學(xué)原理可知，延遲器的穆勒mueller矩陣為：

其中，θ為延遲器的快軸方向與x軸正向的夾角，為延遲器的相位延遲量，d為延遲器厚度。

分析器的mueller矩陣為：

其中θ為偏振器的透振方向與x軸正向夾角。

由于最終干涉的兩束光是savart偏光鏡分光所得，因此系統(tǒng)中的wollaston棱鏡可等效為兩個偏振方向分別沿x軸與y軸的起偏器，這兩個起偏器與第一延遲器2、第二延遲器3共同組成了光譜調(diào)制模塊，wp使通過不同光譜調(diào)制模塊的兩束光沿不同的方向傳播。

根據(jù)偏振光學(xué)原理，空間點(x,y)發(fā)出光束的stokes矢量s(x,y,λ)為：

其中，s0為光束總能量，i0°、i90°、i45°和i135°分別表示光束經(jīng)過0°、90°、45°和135°線偏振片后的強度，ir和il表示光束中的右旋和左旋圓偏振光。入射stokes矢量sin和對應(yīng)stokes矢量的關(guān)系為：

通過stokes矢量描述入射光的光譜及偏振信息時，由于ccd探測器9只對總光強有響應(yīng)，而對光線的偏振態(tài)不敏感，因此只考慮入射光的s0分量調(diào)制情況，入射光經(jīng)前置望遠系統(tǒng)1準直后變?yōu)槠叫泄?，平行光通過第一延遲器2、第二延遲器3以及wollaston棱鏡4、savart偏光鏡5、第三延遲器6、檢偏器7、成像鏡8最終在ccd探測器9上獲取的兩幅三通道干涉圖。將各元件對應(yīng)的穆勒矩陣帶入上式可得在ccd探測器上獲取的兩幅干涉圖為：

其中分別為第一延遲器2、第二延遲器3、第三延遲器4產(chǎn)生的延遲量；δsp為savart偏光鏡5產(chǎn)生的光程差。

由以上兩式可得：

根據(jù)傅里葉變換光譜學(xué)原理，對(7)式進行傅里葉變換可以復(fù)原出s0；對(8)式通道濾波及傅里葉變換，可以得到s0、s1、s2及s3：

以上s0代表光強，s1代表0°和90°線偏振光的強度差，s2代表45°和135°線偏振光的強度差，s3代表右旋和左旋圓偏振光的強度差。