多通道通道色散型偏振光谱仪及偏振光谱数据解调方法

1.本发明涉及偏振光学遥感领域，涉及通道色散型偏振光谱成像技术中多通道通道色散型偏振光谱仪及偏振光谱数据解调方法，尤其涉及一种多通道通道色散型偏振光谱仪的结构和空域偏振光谱数据解调方法。


背景技术：

2.随着时代的不断发展，人们对遥感数据的需求已不再满足于定性或半定量地描绘地物目标的基本特征，为实现定量地解译地球物理参数，对空间光学遥感器提出了更高的要求。在偏振光学遥感领域中，通道色散型偏振光谱成像技术(the channeled dispersive imaging spectropolarimetry,cdisp)作为一种先进的偏振光谱测量技术，仅需要简单的光学结构且内部偏振部件无需转动，就可以实现偏振、光谱和空间强度信息的同时获取。为实现该仪器的定量化应用，需要对其进行精确的数据解调。然而目前的傅里叶频域偏振光谱数据解调方法通常会带来如下问题：1、将带来通道传绕；2)每次都需要对实验数据加窗；上述问题将大大影响数据解调的偏振光谱分辨率。
3.因此，优化通道色散型偏振光谱成像仪的结构和数据解调方式，以实现仪器的高精度偏振光谱信息探测和定量化应用，是本领域研究人员亟待解决的技术问题。现有技术中，有如下技术公开文献涉及偏振光谱测量技术：
4.1、期刊文献《四通道阵列偏振成像自适应光学系统设计》(《光电技术与系统》-第46卷第6期2016年6月)中，涉及到一种四通道阵列偏振成像自适应光学系统，具体公开了自适应补偿系统并包括波前传感器、波前控制器、波前校正器；偏振成像系统，采用共口径对称阵列结构由四个偏心子系统组成，还公开了成像探测器。但并未涉及到有关多通道通道色散型偏振光谱仪结构构成，也并未公开多通道通道色散型偏振光谱偏振光谱数据解调方法。
5.2.专利公开号为“cn112284541a”，专利名称为“一种绝对辐射与偏振联合的定标方法及装置”的专利，可对通道色散型偏振光谱成像仪进行高精度的绝对辐射定标，提高对通道色散型偏振光谱成像仪的偏振探测精度并实现对不同视场偏振探测精度的统一；专利公开号为“cn113375790a”，专利名称为“一种部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法及系统”的专利，在不引入参考臂、不引入透镜以及不需要知道光源信息的情况下，可实现对部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量，适用于具有复杂实数和虚数结构的部分相干矢量场。上述两个专利均涉及有关偏振光谱测量领域，但其偏振探测精度仍然有限、偏振光谱数据分辨率较低，且并未公开本发明涉及的多通道通道色散型偏振光谱偏振光谱数据解调方法。
6.综上所述，如何设计一种多通道通道色散型偏振光谱仪及偏振光谱数据解调方法，解决目前偏振光谱成像仪傅里叶数据解调带来通道串扰、偏振光谱数据分辨率低的难题，是当下亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明为解决上述问题，提供了一种多通道通道色散型偏振光谱及偏振光谱数据解调方法，避免了傅里叶频域解调偏振光谱信息带来通道串扰对偏振光谱探测精度和偏振光谱分辨率的影响，可提高仪器的偏振探测精度，提高偏振光谱数据解调的分辨率。
8.一种多通道通道色散型偏振光谱仪，包括沿光路方向依次设置的前置镜组、偏振调制模块矩阵、成像镜组和通道色散光谱仪，前置镜组用以获取平行光并将平行光入射到偏振调制模块矩阵；偏振调制模块矩阵用以产生多个调制光谱曲线对偏振光谱数据进行解调，偏振调制模块矩阵包括不同厚度比例的相位延迟器和多个线偏振器；成像镜组用以使调制光线成像在探测器上；通道色散光谱仪探测器用以接收多个通道调制光线。
9.优选的，成像镜组与通道色散光谱仪包括狭缝，经过偏振调制模块矩阵的入射目标光由成像镜组和狭缝成像到通道色散光谱仪上。
10.优选的，偏振调制模块矩阵包括两组不同厚度比例的相位延迟器和四个线偏振器，通道色散光谱仪探测器用以接收四个通道调制光线。
11.优选的，偏振调制模块矩阵包括厚度比为2:1的相位延迟器组一、厚度比为1:2的相位延迟器组二和位于不同方向的线偏振片组，相位延迟器组一和相位延迟器组二的总厚度保持一致。
12.优选的，相位延迟器组一包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r3和相位延迟器r4；相位延迟器组二包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r1和相位延迟器r2；线偏振片组包括和光束方向垂直叠置的线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4；四个通道光路中第一通道经过相位延迟器r3、相位延迟器r4和线偏振片p1；第二通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p2；第三通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p3；第四通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p4。
13.优选的，相位延迟器r3和相位延迟器r4的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
；相位延迟器r1和相位延迟器r2的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
；线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4的快轴方向分别为0
°
、90
°
、45
°
和0
°
。
14.一种多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，采用上述多通道通道色散型偏振光谱仪进行偏振光谱数据解调，包括如下步骤：
15.s1：将装调好的四通道通道色散光谱仪对准目标，在通道色散光谱仪的探测器上获得四组经过调制的曲线；
16.s2：对获得的四条经过调制的曲线进行空域处理，通过公式计算获得目标的偏振光谱数据。
17.优选的，s1中四组经过调制的曲线分别由公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)表示：
[0018][0019][0020]
[0021][0022]
其中，表征通道色散光谱仪的探测器上获得的四条调制曲线，i的上标表征线偏振片的角度，i的下标表征相位延迟器组的厚度比例，为相位延迟器组一和相位延迟器组二所引入的相位延迟量；s0、s1、s2和s3为目标的偏振光谱stokes矢量，即目标的偏振光谱斯托克斯矢量，即目标的偏振光谱信息。
[0023]
优选的，s2包括如下子步骤：
[0024]
s21：将四组经过调制的曲线化成矩阵相乘的形式并形成矩阵方程表达式(5)：
[0025][0026]
其中，矩阵方程表达式(5)中的方阵为满秩；
[0027]
s22：对方阵进行求逆相乘操作并获得目标的偏振光谱信息。
[0028]
优选的，s22中通过矩阵方程表达式(6)对方阵进行求逆相乘操作：
[0029][0030]
其中，矩阵方程表达式(6)中的方阵
为满秩。
[0031]
本发明有益效果是：本发明中的多通道通道色散偏振型光谱仪中包括偏振调制模块矩阵，本发明中的多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法通过通道色散光谱仪的探测器获得四组经过调制的曲线，并对四条经过调制的曲线进行空域处理，通过矩阵相乘的形式计算获得目标的偏振光谱数据，可避免传统傅里叶频域解调偏振光谱信息带来的通道串扰对偏振光谱探测精度和偏振光谱分辨率的影响，可提高仪器的偏振探测精度并提高偏振光谱数据解调的分辨率，在通道色散型偏振光谱成像仪数据解调中发挥了重要的作用，具有广泛的工程应用价值。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例提供的多通道通道色散型偏振光谱仪的结构示意图。
[0033]
图2是本发明实施例提供的偏振调制模块矩阵的结构示意图。
[0034]
附图标记：前置镜组1、偏振调制模块矩阵2、成像镜组3、狭缝4、通道色散光谱仪5、相位延迟器组一6、相位延迟器组二7、线偏振片组8。
具体实施方式
[0035]
在下文中，将参考附图1-2描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0036]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-2及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0037]
一种多通道通道色散型偏振光谱仪，如图1所示，包括沿光路方向依次设置的前置镜组1、偏振调制模块矩阵2、成像镜组3和通道色散光谱仪5；前置镜组1用以获取平行光并将平行光入射到偏振调制模块矩阵2；偏振调制模块矩阵2用以产生多个调制光谱曲线对偏振光谱数据进行解调，偏振调制模块矩阵2包括不同厚度比例的相位延迟器和多个线偏振器；成像镜组3用以使调制光线成像在探测器上；通道色散光谱仪5探测器包括多个部分，用以接收多个通道调制光线；成像镜组3与通道色散光谱仪5包括狭缝4，经过偏振调制模块矩阵2的入射目标光由成像镜组3和狭缝4成像到通道色散光谱仪5上。
[0038]
如图2所示，偏振调制模块矩阵2包括两组不同厚度比例的相位延迟器和四个线偏振器，通道色散光谱仪5探测器用以接收四个通道调制光线；具体的，偏振调制模块矩阵2包括厚度比为2:1的相位延迟器组一6、厚度比为1:2的相位延迟器组二7和位于不同方向的线偏振片组8，相位延迟器组一6和相位延迟器组二7的总厚度保持一致，相位延迟器组一6和相位延迟器组二7产生的相位延迟相同。
[0039]
如图2所示，相位延迟器组一6包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r3和相位延
迟器r4；相位延迟器r3和相位延迟器r4的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
。相位延迟器组二7包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r1和相位延迟器r2；相位延迟器r1和相位延迟器r2的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
。线偏振片组8包括和光束方向垂直叠置的线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4；线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4的快轴方向分别为0
°
、90
°
、45
°
和0
°
。四个通道光路中第一通道经过相位延迟器r3、相位延迟器r4和线偏振片p1；第二通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p2；第三通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p3；第四通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p4，最终四通道光路在通道色散光谱仪5的探测器上得到经过调制的光谱曲线。
[0040]
一种多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，采用上述多通道通道色散型偏振光谱仪进行偏振光谱数据解调，包括如下步骤：
[0041]
s1：将装调好的四通道通道色散光谱仪5对准目标，在通道色散光谱仪5的探测器上获得四组经过调制的曲线；四组经过调制的曲线分别由公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)表示：
[0042][0043][0044][0045][0046]
其中，表征通道色散光谱仪5的探测器上获得的四条调制曲线，i的上标表征线偏振片的角度，i的下标表征相位延迟器组的厚度比例，为相位延迟器组一6和相位延迟器组二7所引入的相位延迟量，由于相位延迟器组一6和相位延迟器组二7的总厚度相同，相位延迟器组一6和相位延迟器组二7产生的相位延迟相同；s0、s1、s2和s3为目标的偏振光谱stokes矢量，即目标的偏振光谱斯托克斯矢量，即目标的偏振光谱信息。
[0047]
s2：对获得的四条经过调制的曲线进行空域处理，通过公式计算获得目标的偏振光谱数据。s2包括如下子步骤：
[0048]
s21：将四组经过调制的曲线化成矩阵相乘的形式并形成矩阵方程表达式(5)：
[0049][0050]
矩阵方程表达式(5)中，通过探测器获得，
通过仪器本身的参数得到，
[0051]
由于采用的相位延迟器组一6和相位延迟器组二7具有不同厚度比的相位延迟结构，因此，矩阵方程表达式(5)中的方阵是满秩的。
[0052]
s22：对方阵进行求逆相乘操作并获得目标的偏振光谱信息。具体通过矩阵方程表达式(6)进行求逆相乘操作：
[0053][0054]
由于相位延迟器组一6和相位延迟器组二7的厚度比例、线偏振片组快轴方向的方位角不同，所以数据解调过程中的矩阵方程表达式(6)中方阵为满秩，因此方阵一定存在逆。
[0055]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0056]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明
白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的前置镜组(1)、偏振调制模块矩阵(2)、成像镜组(3)和通道色散光谱仪(5)，所述前置镜组(1)用以获取平行光并将平行光入射到偏振调制模块矩阵(2)；所述偏振调制模块矩阵(2)用以产生多个调制光谱曲线对偏振光谱数据进行解调，偏振调制模块矩阵(2)包括不同厚度比例的相位延迟器和多个线偏振器；所述成像镜组(3)用以使调制光线成像在探测器上；所述通道色散光谱仪(5)探测器用以接收多个通道调制光线。2.根据权利要求1所述的多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，所述成像镜组(3)与通道色散光谱仪(5)包括狭缝(4)，经过偏振调制模块矩阵(2)的入射目标光由成像镜组(3)和狭缝(4)成像到通道色散光谱仪(5)上。3.根据权利要求1-2中任一项所述的多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，所述偏振调制模块矩阵(2)包括两组不同厚度比例的相位延迟器和四个线偏振器，通道色散光谱仪(5)探测器用以接收四个通道调制光线。4.根据权利要求3所述的多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，所述偏振调制模块矩阵(2)包括厚度比为2:1的相位延迟器组一(6)、厚度比为1:2的相位延迟器组二(7)和位于不同方向的线偏振片组(8)，所述相位延迟器组一(6)和相位延迟器组二(7)的总厚度保持一致。5.根据权利要求4所述的多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，所述相位延迟器组一(6)包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r3和相位延迟器r4；所述相位延迟器组二(7)包括沿光束方向水平叠置的相位延迟器r1和相位延迟器r2；所述线偏振片组(8)包括和光束方向垂直叠置的线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4；四个通道光路中第一通道经过相位延迟器r3、相位延迟器r4和线偏振片p1；第二通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p2；第三通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p3；第四通道经过相位延迟器r1、相位延迟器r2和线偏振片p4。6.根据权利要求5所述的多通道通道色散型偏振光谱仪，其特征在于，所述相位延迟器r3和相位延迟器r4的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
；相位延迟器r1和相位延迟器r2的两个快轴方向分别为0
°
和45
°
；线偏振片p1、线偏振片p2、线偏振片p3和线偏振片p4的快轴方向分别为0
°
、90
°
、45
°
和0
°
。7.一种多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，其特征在于，采用根据权利要求6所述的多通道通道色散型偏振光谱仪进行偏振光谱数据解调，包括如下步骤：s1：将装调好的四通道通道色散光谱仪(5)对准目标，在通道色散光谱仪(5)的探测器上获得四组经过调制的曲线；s2：对获得的四条经过调制的曲线进行空域处理，通过公式计算获得目标的偏振光谱数据。8.根据权利要求7所述的多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，其特征在于，s1中四组经过调制的曲线分别由公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)表示：四组经过调制的曲线分别由公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)表示：
其中，表征通道色散光谱仪(5)的探测器上获得的四条调制曲线，i的上标表征线偏振片的角度，i的下标表征相位延迟器组的厚度比例，为相位延迟器组一(6)和相位延迟器组二(7)所引入的相位延迟量；s0、s1、s2和s3为目标的偏振光谱stokes矢量，即目标的偏振光谱斯托克斯矢量，即目标的偏振光谱信息。9.根据权利要求8所述的多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，其特征在于，s2包括如下子步骤：s21：将四组经过调制的曲线化成矩阵相乘的形式并形成矩阵方程表达式(5)：其中，矩阵方程表达式(5)中的方阵为满秩；s22：对方阵进行求逆相乘操作并获得目标的偏振光谱信息。10.根据权利要求9所述的多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法，其特征在于，s22中通过矩阵方程表达式(6)对方阵进行求逆相乘操作：
其中，矩阵方程表达式(6)中的方阵为满秩。

技术总结
本发明涉及偏振光学遥感领域，具体提供了一种多通道通道色散型偏振光谱仪，包括沿光路方向依次设置的前置镜组、偏振调制模块矩阵、成像镜组和通道色散光谱仪，前置镜组用以获取平行光并将平行光入射到偏振调制模块矩阵；偏振调制模块矩阵用以产生多个调制光谱曲线对偏振光谱数据进行解调，偏振调制模块矩阵包括不同厚度比例的相位延迟器和多个线偏振器；成像镜组用以使调制光线成像在探测器上；通道色散光谱仪探测器用以接收多个通道调制光线。本发明还提供了一种多通道通道色散型偏振光谱数据解调方法。本发明可避免傅里叶频域解调偏振光谱信息带来通道串扰对偏振光谱探测精度和偏振光谱分辨率的影响。和偏振光谱分辨率的影响。和偏振光谱分辨率的影响。


技术研发人员：泊建 颜昌翔
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/21