[发明专利]快照式全偏振成像探测装置

说明书

【技术领域】

本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振辐射探测领域的偏振成像装置，特别涉及一种可实时获取二维空间目标全偏振信息的快照式全偏振成像探测装置。

【背景技术】

物体反射的电磁波中含有重要偏振遥感信息，不仅能用于去除背景噪声，提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息，还可以用于反演目标的尺寸、浓度等物理化学特性。偏振成像是一种同时获取目标空间和偏振信息先进遥感探测技术，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。虽然偏振成像技术是一项新型的前沿遥感探测技术，但其独特的遥感探测优势已引起国内外重要研究机构的重视。国外研究机构主要集中在美、日、欧等国家的重大工程项目依托单位、军方、大学等；国内研究机构目前主要有安徽光机所、西安光机所、西安交通大学、西北工业大学、南京理工大学、北京航空航天大学等等，已报道的偏振辐射探测技术各具特色。

全偏振成像探测的主要原理首先是探测各偏振分量（0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量）对应的二维图像（I₀、I₉₀、I±₄₅、I_L、I_R），然后进行反演得到全Stokes参数的偏振图像（S₀=I₀+I₉₀、S₁=I₀–I₉₀、S₂=I₄₅–I_-45、S₃=I_L–I_R）。全偏振成像技术是由全偏振调制模块和成像模块融合而成，全偏振调制模块的工作方式决定着系统的工作特性。若按获取二维空间目标的全偏振信息的方式来分，可分为时序式和快照式偏振成像两大类。当前，大多数偏振成像技术都采用时序获取方式（如旋转元件型和电调谐元件型）获取二维场景的偏振图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振图像。根据矢量形式的双向反射分布函数，外场遥感探测中二维空间目标的偏振辐射分布具有时间门和方位角效应。因此时序获取技术的时间分辨率将受限，不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性会影响成像质量，需要精确的空间定位系统。

相比之下，发展快照式偏振成像技术则是大势所趋，它可以实时探测目标在特定时刻特定方位角的偏振光谱分布，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响。文献【1】曾报道了一种基于偏振立方体分束器和波片组合的快照式全偏振成像装置，该装置体积庞大，且偏振立方体分束器的消光比不高，难以实现偏振信息的精确编解码。最近，文献【2】曾报道了一种利用偏振片阵列和延迟器阵列组合的四分区方案实现全偏振信息的获取，但是偏振片阵列通常由为二向色性偏振片、线栅偏振片、极化偏振片等组成，消光比也相对较低。渥拉斯顿棱镜是一种具有比较流行的偏振分束器，它分开的两束光的消光比可达10^-5，常被用于偏振探测领域。文献【3】曾报道了一种采用单渥拉斯顿棱镜的快照式线偏振成像仪，系统一次曝光只能获取0°和90°偏振分量对应的二维图像。文献【4】曾报道了一种基于双渥拉斯顿棱镜组合的一维图像快照获取装置，两渥拉斯顿棱镜的结构相反，由于利用一个成像镜进行成像，因此它需要采用前置狭缝限制偏振通道之间的混淆，后焦面上的面阵探测器一次曝光获可取0°、90°、±45°线偏振分量对应的一维图像（平行于狭缝长度方向）。为了获取全偏振信息，最近文献【5】报道了一种基于三渥拉斯顿棱镜组合的一维图像快照获取装置，主要是在文献【4】的装置中引入另一个渥拉斯顿棱镜和延迟器的组合，且三个渥拉斯顿棱镜的结构各不相同，一次曝光在成像镜后焦面上可获取0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量对应的一维图像（平行于狭缝长度方向）。对于上述两种装置，为了获取另一维相应偏振图像（垂直于狭缝长度方向），目标和系统之间需要相对移动，往往采用推扫模式获取数据，因此二维数据的不是同时得到的，难以真实反映特定时刻特定方位角下二维空间目标的偏振辐射分布信息。

参考文献