【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于光學(xué)遙感探測領(lǐng)域，涉及一種基于馬赫澤德干涉儀的寬波段全偏振成像方法。

背景技術(shù)：

偏振成像是一種可以同時獲取目標(biāo)的強度信息和偏振信息的先進(jìn)探測技術(shù)，在提高目標(biāo)的探測、識別、分類效率和精準(zhǔn)度方面具有一定的潛力，在軍事偵察、地球資源普查、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)報、大氣探測、天文觀測、機器視覺放生、生物醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域都具有重大的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。通道調(diào)制型偏振成像技術(shù)作為一項新型的遙感探測技術(shù)，以其獨特的遙感探測優(yōu)勢已經(jīng)引起國內(nèi)外機構(gòu)的重視，國外研究機構(gòu)主要集中在美、日、歐等國家的重大工程項目依托單位、軍方、大學(xué)等；國內(nèi)研究機構(gòu)主要有安徽光機所、西安光機所、西安交通大學(xué)等，已報道的偏振成像探測技術(shù)各具特色。

通道調(diào)制型偏振成像儀的核心器件一般采用雙折射晶體或者干涉儀。按照成像方式，可以分為主動成像與被動成像，主動成像以穆勒矩陣偏振成像為代表，其光源已知或是可控，從而探測出目標(biāo)的偏振態(tài)；被動成像一般以自然光為主，由于不受光源限制，實際應(yīng)用范圍更廣。按照數(shù)據(jù)處理方式可以分為數(shù)據(jù)簡化模式，傅里葉分析法，通道調(diào)制模式。按照時間順序，又可以分為時序性偏振成像，與非時序偏振成像。時序性主要包括旋轉(zhuǎn)偏振片型和液晶調(diào)控型：旋轉(zhuǎn)偏振片型是在成像相機前放置旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)偏振片以獲得目標(biāo)偏振態(tài)；液晶調(diào)控型是電控液晶的排序，實現(xiàn)偏振片功能，也可以獲得目標(biāo)的偏振態(tài)，二者的缺點是不能對動態(tài)目標(biāo)成像；非時序又可以分為分振幅型、分孔徑型、分焦平面型和通道調(diào)制型。分振幅型一般需要多個探測器，數(shù)據(jù)同步較困難，儀器體積比較大且比較復(fù)雜，魯棒性較低；分孔徑型是在將光學(xué)系統(tǒng)的孔徑分為多個，每個孔徑分別探測目標(biāo)的偏振信息，探測器的利用率較低，制作困難；分焦平面型在探測器前加入偏振板，每四個像素可以探測一個目標(biāo)像素點的偏振信息，空間分辨率低，工藝制作難度大；通道調(diào)制型是在將目標(biāo)的偏振信息調(diào)制到不同的空間頻率上，從而在一副圖像上獲得的目標(biāo)偏振信息，該偏振成像方法可以同時獲得目標(biāo)的偏振信息，具有制作簡單、光路簡單、成本低廉、空間分辨率高等優(yōu)點。

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，提供一種基于馬赫澤德干涉儀的寬波段全偏振成像方法，該裝置可以同時獲得目標(biāo)在寬波段條件下的全偏振成像方法，融合了分振幅型偏振成像和通道調(diào)制型偏振成像兩種技術(shù)，即減少了單純分振幅型的探測器數(shù)量，又可以擴(kuò)展通道調(diào)制型偏振成像方法的成像波段寬度，并且該方法可以實現(xiàn)自校準(zhǔn)，解決了分振幅型偏振成像匹配問題。該方案利用閃耀光柵的色散及干涉儀分光得到與波長成正比的光束剪切量，通過兩束光干涉，分別獲得將偏振信息的stokes參量(s0、s1、s2)或(s0、s2、s3)調(diào)制到干涉條紋振幅的兩幅圖像，其干涉條紋頻率與波長成反比，與剪切量成正比，消除了波長的影響。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于馬赫澤德干涉儀的寬波段全偏振成像方法，包括以下步驟：

攜帶有空間目標(biāo)偏振信息的光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)入射到偏振探測成像系統(tǒng)中，光束在偏振分束器的作用下分為反射光和透射光，兩束光分別經(jīng)過衍射光柵，實現(xiàn)色散，經(jīng)過平面反射鏡，改變傳播方向，接著入射到分束器中，其中一半的光反射一半的光透射，其中透射的兩束光匯聚之后經(jīng)過偏振片之后，振動方向相同，在成像透鏡的作用下，在面陣探測器上獲得穩(wěn)定的干涉條紋，最后對干涉條紋進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換、濾波及傅里葉逆轉(zhuǎn)換，從而獲得線偏振分量的二維圖像；反射的兩束光經(jīng)過快軸方向0°放置的1/4波片，將目標(biāo)的線偏振信息s1與圓偏振信息數(shù)值進(jìn)行了互換，在經(jīng)過偏振片之后振動方向相同，在成像透鏡的作用下，在面陣探測器上獲得穩(wěn)定的干涉條紋，最后對干涉條紋進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換、濾波及傅里葉逆轉(zhuǎn)換，從而獲得線偏振分量的二維圖像，綜合兩個探測器獲得的信息，能夠同時得到目標(biāo)的全偏振信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明融合了分振幅和通道調(diào)制型偏振成像方法，彌補了通道調(diào)制型偏振成像無法實現(xiàn)寬波段全偏振的不足，也減少了單使用分振幅型偏振成像方法時需要的探測器的數(shù)量，光路簡單易調(diào)，成本低廉，該方法兼具了兩種方法的優(yōu)點。本發(fā)明成像波段寬，在弱光條件下可以同時獲得目標(biāo)的強度信息和偏振信息；只需空間目標(biāo)的一幀圖像，即可以獲得其全偏振成像信息，可對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行探測，工作效率高。最后，數(shù)據(jù)處理簡單快速，可實時對目標(biāo)進(jìn)行檢測。

【附圖說明】

圖1為實現(xiàn)本發(fā)明的色散型馬赫澤德干涉儀型全偏振成像裝置；

圖2為閃耀光柵進(jìn)行色散補償原理；

圖3為經(jīng)過偏振調(diào)制模塊的光束分布圖。

其中：100-前置光學(xué)鏡組；200-偏振調(diào)制模塊；211-第一偏振分束器；212第二偏振分束器；221-第一寬帶半波片；222-第二寬帶半波片；231-第一衍射光柵；232-第二衍射光柵；233-第三衍射光柵；234-第四衍射光柵；241-第一平面反射鏡；242-第二平面反射鏡；250-寬帶1/4波片；301-第一偏振鏡；302-第二偏振鏡；401-第一成像透鏡；402-第二成像透鏡；501-第一面陣探測器；502-第二面陣探測器；110-物鏡；120-視場光闌；130-準(zhǔn)直透鏡。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1-圖3，本發(fā)明基于馬赫澤德干涉儀的寬波段全偏振成像裝置，由入射光向依次設(shè)置的前置光學(xué)鏡組100、偏振調(diào)制模塊200、第一偏振鏡301、第二偏振鏡302、第一成像透鏡401、第二成像透鏡402、第一面陣探測器501、第二面陣探測器502和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成；

如圖1，前置光學(xué)鏡組100由依次設(shè)置在光路上的物鏡110、光闌120和準(zhǔn)直鏡130組成；物鏡110為望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡或普通物鏡。

如圖2，馬赫澤德干涉儀產(chǎn)生與波長正相關(guān)的橫向剪切量的關(guān)鍵技術(shù)是由兩個完全相同的衍射光柵組成的：光束垂直入射到衍射光柵中，發(fā)生衍射現(xiàn)象，其中衍射角與波長存在dsinθλ＝mλ的關(guān)系(d衍射光柵周期，θλ為衍射角，m為衍射級次，λ為波長)，另剪切量δ/2＝ltanθλ，當(dāng)角度足夠小時，上述關(guān)系近似為即得到了與波長正相關(guān)的剪切量。

如圖3，兩束光經(jīng)過偏振調(diào)制模塊之后，各個波段的剪切量與波長正相關(guān)，并調(diào)制上了不同相位因子。

偏振調(diào)制模塊200由第一偏振分束器211、22.5°放置的第一寬帶半波片221、第一衍射光柵231、第二衍射光柵232、平面反射鏡241以及0°放置的寬帶1/4波片250組成；其中閃耀光柵位于馬赫澤德光路分支上，兩組光柵之間的距離相同，且兩支路長度相等；在第一偏振分束器211的作用下，s光反射，p光透射，分為兩路；光束經(jīng)過22.5°放置的寬帶半波片之后，振動方向旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)過第一衍射光柵231之后發(fā)生色散現(xiàn)象，不同的波長有不同的衍射角，滿足衍射公式，經(jīng)過第二衍射光柵232之后，光線的傳播方向又發(fā)生變化，光束變?yōu)槠叫泄?；?jīng)過45°放置的平面反射鏡之后，改變傳播路線；同理，另一路光經(jīng)歷相同的改變。兩束光在第二偏振分束器212處相遇，經(jīng)過第二偏振分束器212之后，兩束光分別進(jìn)行了第二次分光。光束經(jīng)過第一偏振片301之后，振動方向相同，在第一成像透鏡401的作用下于焦平面匯聚，發(fā)生干涉現(xiàn)象，第一面陣探測器501可以捕獲到一組干涉條紋圖。另，光束首先經(jīng)過快軸方向0°放置的寬帶1/4波片250，其攜帶的線偏振信息s1與圓偏振信息s3互換位置，偏振態(tài)由s＝[s0,s1,s2,s3]^t轉(zhuǎn)變?yōu)閟＝[s0,s3,s2,s1]^t，再經(jīng)過第二偏振片302，振動方向相同，在第二成像透鏡402的作用下第二面陣探測器502可以探測到一組干涉條紋。理論上發(fā)生干涉時兩束光存在一個波長的相位差(此處機械加工精度及其高，馬赫澤德干涉儀四條邊，臂長完全相等)，發(fā)生干涉時，中心條紋有所偏移，但是不影響測量結(jié)果；最后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、提取和處理即可得到線偏振信息對應(yīng)的二維空間分布圖。

本發(fā)明基于馬赫澤德干涉儀的寬波段全偏振成像方法，包括以下步驟：

攜帶有空間目標(biāo)偏振信息的光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)入射到偏振探測成像系統(tǒng)中，光束在偏振分束器的作用下分為反射光和透射光，兩束光分別經(jīng)過衍射光柵，實現(xiàn)了色散，經(jīng)過平面反射鏡，改變傳播方向，接著入射到分束器中，其中一半的光反射一半的光透射，其中透射的兩束光匯聚之后經(jīng)過偏振片之后，振動方向相同，在成像透鏡的作用下，在ccd探測陣列上可以獲得穩(wěn)定的干涉條紋，最后對干涉條紋進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換、濾波及傅里葉逆轉(zhuǎn)換，從而獲得線偏振分量的二維圖像，而反射的兩束光經(jīng)過快軸方向0°放置的1/4波片，將目標(biāo)的線偏振信息s1與圓偏振信息數(shù)值進(jìn)行了互換，在經(jīng)過偏振片之后振動方向相同，在成像透鏡的作用下，在ccd探測陣列上可以獲得穩(wěn)定的干涉條紋，最后對干涉條紋進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換、濾波及傅里葉逆轉(zhuǎn)換，從而獲得線偏振分量的二維圖像，綜合兩個探測器獲得的信息，即可同時得到目標(biāo)的全偏振信息。

閃耀光柵為衍射光柵元件的理想情況，將利用衍射效率極高的一級衍射光，分光器將均勻地把光分為兩部分，不會引入偏振誤差。通過基于馬赫澤德干涉儀的色散型偏振調(diào)制模塊的光具有橫向剪切作用，且剪切量與波長近似成正比例關(guān)系。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。