大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)，由積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片、偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)、電動轉(zhuǎn)臺和計算機組成。該定標系統(tǒng)采用積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片和PSG產(chǎn)生標準偏振定標源，利用該定標源產(chǎn)生的小視場、小口徑的平行光束，通過分視場、分步線性擬合的方法，實現(xiàn)對大視場偏振光譜儀的偏振定標。本發(fā)明具有對大視場偏振光譜儀進行全視場偏振定標的能力，定標過程中采用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，大大提高了大視場成像偏振光譜儀的偏振定標精度。
【專利說明】大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于地基的半球視場下對天空光進行全偏振多譜段成像探測的偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，各國許多科學(xué)家們都致力于天空光的相關(guān)研究，早期主要專注于解釋天空光的現(xiàn)象，例如天空的顏色、彩虹等。在1809年Arago發(fā)現(xiàn)了天空光的偏振現(xiàn)象以后，天空光的偏振特性研究開始受到一些科學(xué)家的重視。大量研究表明，天空光偏振分布信息在航空導(dǎo)航、天氣預(yù)測、云層分析和對地信息補償?shù)确矫嬗兄种匾膬r值。而能否精確的探測到天空光的偏振分布信息取決于探測系統(tǒng)的偏振定標精度。偏振定標指的是建立成像光譜偏振探測系統(tǒng)每個探測單元的輸出信號與該單元對應(yīng)的實際地物偏振信息之間的定量關(guān)系，建立每一個像元的輻射響應(yīng)度公式和偏振響應(yīng)度的儀器矩陣，偏振定標的最終目的是為了根據(jù)成像偏振探測系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)能精確得到目標反射光的偏振特性。偏振定標需要定標的是系統(tǒng)的儀器矩陣。
[0003]在偏振定標的過程中，需要一個偏振光源，它能夠產(chǎn)生定標過程中所需要的不同的偏振態(tài)。目前常用的偏振光源通常是由平行光源、偏振片和波片組成，通過調(diào)整偏振片的透偏方向和波片的光軸方向就可以在0°視場范圍內(nèi)產(chǎn)生任意偏振態(tài)的偏振光束。在該平行偏振光束后加入保偏擴散器和準直透鏡后，可以將偏振光擴束至14°?36°視場范圍內(nèi)。但是由于待定標系統(tǒng)是半球視場偏振光譜儀，它的視場角是180°，所以在定標的過程中要保證偏振光源產(chǎn)生的偏振光束的視場范圍覆蓋待定標系統(tǒng)的全部視場?？墒窃诂F(xiàn)有的條件下，找不到視場覆蓋范圍能夠達到半球視場的光源，因此這種傳統(tǒng)的偏振定標方法對于大視場的偏振光譜儀是不可行的。
[0004]綜上所述，目前國內(nèi)外還沒有提出一種明確的、高精度的偏振定標系統(tǒng)，對半球視場的偏振光譜儀進行精確的偏振定標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種新型的大視場偏振精度定標系統(tǒng)，該定標系統(tǒng)可以對半球視場成像偏振光譜系統(tǒng)進行全視場偏振定標，定標過程中采用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，大大提高了大視場成像偏振光譜儀的偏振定標精度。
[0006]本發(fā)明一種大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)，其技術(shù)解決方案:該系統(tǒng)包括下列部件:
[0007]積分球，位于整個定標系統(tǒng)的最前端，用于提供波段為350nm-2500nm范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源；
[0008]平行光管，位于積分球的后面，將積分球發(fā)出的光源準直，產(chǎn)生平行面光源；
[0009]光闌，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔徑，使得平行面光源以一定的孔徑入射到后續(xù)定標系統(tǒng)；[0010]干涉濾光片，位于光闌后面，對入射光進行濾光，其中心波長和波段的選擇與待定標的偏振系統(tǒng)有關(guān)；
[0011]偏振態(tài)發(fā)生器，位于干涉濾光片后面，由精確線偏振片和精確波片兩部分組成，通過旋轉(zhuǎn)線偏振片和波片，能夠產(chǎn)生6種標準偏振光源，即O度、45度、90度、135度線偏振光源和左、右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機械精度為I,，產(chǎn)生的標準偏振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。入射光經(jīng)過偏振態(tài)發(fā)生器后，能夠產(chǎn)生標準偏振光源；
[0012]保偏擴散器，位于偏振態(tài)發(fā)生器之后，通過采用微透鏡陣列實現(xiàn)保偏作用，將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去，并保持出射光與入射光的偏振態(tài)，其保偏性能優(yōu)于99% ；
[0013]準直透鏡，位于保偏擴散器之后，其焦距和直徑的選取與待定標偏振系統(tǒng)的通光孔徑、視場角以及保偏擴散器上的光斑孔徑有關(guān)；
[0014]電動轉(zhuǎn)臺，將待定標的系統(tǒng)放置在轉(zhuǎn)臺上，通過電動轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，使偏振光源與待定標系統(tǒng)之間的相對角度發(fā)生變化，從而完成在定標過程不同視場的偏振光源的要求。電動轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動精度是2'，滿足定標系統(tǒng)的要求。
[0015]計算機，通過計算機程序控制，采集定標過程中的圖像數(shù)據(jù)，利用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，得到偏振系統(tǒng)的定標結(jié)果。
[0016]本發(fā)明的工作原理為:積分球產(chǎn)生均勻的入射光，經(jīng)平行光管準直，通過濾光片、偏振態(tài)發(fā)生器后產(chǎn)生相應(yīng)光譜范圍內(nèi)的特定偏振狀態(tài)的平行光光，再經(jīng)過保偏擴散器和準直透鏡之后，產(chǎn)生小視場范圍的偏振光源，能夠?qū)?yīng)大視場偏振光譜儀的一部分視場。由于偏振光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)是軸旋轉(zhuǎn)對稱的，所以CCD成像面上各像素的儀器矩陣也是以成像面中心O點呈軸旋轉(zhuǎn)對稱分布的，即像面上與O點距離相等的各個像素點的儀器矩陣是相同的。因此理論上只需對CXD成像面上任一半徑OR上的各像素點的儀器矩陣進行定標，即可推算出整個CXD成像面上所有像素點的儀器矩陣?；诖硕嗽?，本文提出一種分視場、分步線性擬合的偏振定標方法。定標的基本方法:在初始視場下，使偏振定標系統(tǒng)與待定標的系統(tǒng)之間的角度為O度，即將偏振光源的光軸與系統(tǒng)的光軸對準。旋轉(zhuǎn)精確偏振片和精確波片使得入射光分別轉(zhuǎn)換為6種偏振態(tài)的偏振光，利用線偏振光定標儀器矩陣的前三列，利用圓偏振光(或橢圓偏振光)定標儀器矩陣第四列，完成一個視場內(nèi)的偏振定標。之后通過電動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)偏振系統(tǒng)和待定標系統(tǒng)之間的相對角度，在不同的視場下，重復(fù)上述操作，完成全視場的定標。定標過程中采用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，完成對半球視場的偏振光譜儀的偏振定標，大大提高了大視場成像偏振光譜儀的偏振定標精度。定標出儀器矩陣之后，將若干組偏振態(tài)的光源(不同于定標時采用的偏振態(tài))入射到定標后的偏振探測系統(tǒng)上，將系統(tǒng)探測結(jié)果與入射光偏振態(tài)相比，即可求得偏振定標精度。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有定標技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點:
[0018](I)在沒有半球視場的偏振光源的條件下，利用分視場的定標方法，解決了半球視場偏振光譜儀全視場定標的問題。
[0019](2)利用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，提高了偏振定標精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成原理框圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)偏振光源示意圖；[0022]圖3為本發(fā)明的定標過程中CXD成像面X方向上的定標區(qū)域示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明的定標CXD成像面上視場矩形；
圖5為本發(fā)明的偏振定標流程圖。
[0024]圖中具體標號如下:
[0025]1、積分球2、平行光管3、光闌
[0026]4、干涉濾光片 5、偏振態(tài)發(fā)生器 6、保偏擴散器
[0027]7、準直透鏡 8、待定標系統(tǒng) 9、電動轉(zhuǎn)臺
[0028]10、計算機
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明包括:積分球1、平行光管2、光闌3、干涉濾光片4、偏振態(tài)發(fā)生器5、保偏擴散器6、準直透鏡7、待定標系統(tǒng)8、電動轉(zhuǎn)臺9、計算機10。首先，將偏振光源的光軸與系統(tǒng)的光軸對準，如圖2中的光源位于位置I時的定標光路示意圖所示(沿著系統(tǒng)光軸，光線傳播的方向規(guī)定為Z軸，垂直于Z軸的平面規(guī)定為XOY面，根據(jù)左手定則建立坐標系)。利用該位置下的定標系統(tǒng)對C⑶成像面上沿X軸方向上0°~8。視場內(nèi)的矩形Al中的每個像素進行偏振定標，如圖3所示。然后，以系統(tǒng)第一片透鏡的頂點為圓心，以該圓心至光源中心的距離為半徑，將光源在Xz平面內(nèi)轉(zhuǎn)過18°至位置2，如圖2所示。轉(zhuǎn)動前后的視場重合角度為2°，對8°~24°視場內(nèi)的矩形A2中每個像素進行偏振定標，如圖3所示。將光源繼續(xù)轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn) 動一次，完成一次16°視場范圍內(nèi)的特定矩形區(qū)域內(nèi)每個像素的偏振定標。將光源轉(zhuǎn)動5次之后，便完成了 0°~+90°視場范圍內(nèi)的矩形A1至A6區(qū)域內(nèi)所有像素點的偏振定標，如圖4所示。由矩形A1至A6所組成的矩形MNN’ M’沿X軸方向的長度為350個像素大小，等于CCD成像面的半徑值，該矩形內(nèi)任意一個的像素的儀器矩陣為
【權(quán)利要求】
1.大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)，其特征在于:包括下列部分: 積分球，位于整個定標系統(tǒng)的最前端，用于提供波段為350nm-2500nm范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源； 平行光管，位于積分球的后面，將積分球發(fā)出的光源準直，產(chǎn)生平行面光源； 光闌，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔徑，使得平行面光源以一定的孔徑入射到后續(xù)定標系統(tǒng)； 干涉濾光片，位于光闌后面，對入射光進行濾光，其中心波長和波段的選擇與待定標的偏振系統(tǒng)有關(guān)； 偏振態(tài)發(fā)生器，位于干涉濾光片后面，由精確線偏振片和精確波片兩部分組成，通過旋轉(zhuǎn)線偏振片和波片，能夠產(chǎn)生6種標準偏振光源，即O度、45度、90度、135度線偏振光源和左、右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機械精度為T，產(chǎn)生的標準偏振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。入射光經(jīng)過偏振態(tài)發(fā)生器后，能夠產(chǎn)生標準偏振光源； 保偏擴散器，位于偏振態(tài)發(fā)生器之后，通過采用微透鏡陣列實現(xiàn)保偏作用，將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去，并保持出射光與入射光的偏振態(tài)，其保偏性能優(yōu)于99% ； 準直透鏡，位于保偏擴散器之后，其焦距和直徑的選取與待定標偏振系統(tǒng)的通光孔徑、視場角以及保偏擴散器上的光斑孔徑有關(guān)； 電動轉(zhuǎn)臺，將待定標的系統(tǒng)放置在轉(zhuǎn)臺上，通過電動轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，使偏振光源與待定標系統(tǒng)之間的相對角度發(fā)生變化，從而完成在定標過程不同視場的偏振光源的要求。電動轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動精度是2'，滿足定標系統(tǒng)的要求。 計算機，通過計算機程序控制，采集定標過程中的圖像數(shù)據(jù)，利用分步線性擬合的原理進行數(shù)據(jù)處理，得到偏振系統(tǒng)的定標結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場偏振光譜儀的偏振精度定標系統(tǒng)，其特征在于:提出一種分視場、分步線性擬合的偏振定標方法，使得系統(tǒng)在沒有大視場的偏振光源的情況下，依然能夠精確地對大視場偏振光譜儀進行偏振定標。
【文檔編號】G01J3/447GK103776535SQ201410022417
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】張穎, 趙慧潔, 師少光, 宋平 申請人:北京航空航天大學(xué)