强度调制型偏振光谱成像系统测量误差及定标研究

CIOMP OpenIR

	强度调制型偏振光谱成像系统测量误差及定标研究
	杨斌
学位类型	博士
导师	颜昌翔
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	偏振光谱成像光谱强度调制保偏优化偏振定标
摘要	近年来,随着光学技术的发展和各领域对光学遥感信息量需求的增加,出现了一种新型光学探测技术——偏振光谱成像技术,其将偏振成像技术与光谱成像技术融为一体,可以获取目标的空间强度分布及理化特征等信息,获取信息量相比于传统光学探测技术大大增加,因而逐渐在各领域得到广泛应用。强度调制型偏振光谱成像技术作为偏振光谱成像领域的一种先进技术,可以实现对目标光的静态、快照式、全斯托克斯光谱测量,这对于保证探测的实时性,尤其是对于运动目标信息获取的准确性,具有重要意义。但是,强度调制型偏振光谱成像技术自提出以来,尚未得到广泛的工程应用,主要是因为针对该技术的测量误差分析及补偿体系有待完善,对误差源的作用机理研究不够深入,且关于该系统偏振定标的研究也较少。因此,系统测量误差及定标研究是推动强度调制型偏振光谱成像技术发展的关键。本论文针对强度调制型偏振光谱成像系统的测量误差及定标,主要开展了以下研究工作:对强度调制型偏振光谱成像技术的调制过程以及斯托克斯光谱的傅里叶变换复原法进行了研究,通过综合考虑通道分离条件、复原光谱分辨率以及光谱仪分辨能力等因素,给出了多级波片厚度的计算公式,并对其正确性进行了仿真验证。在此基础上,提出了一种包含前置镜组、强度调制模块、成像镜组和Offner成像光谱仪的强度调制型偏振光谱成像系统的光学方案,根据此方案设计了一套机载强度调制型偏振光谱成像遥感系统,其结构简单紧凑,且该方案可以实现大视场强度调制型偏振光谱成像系统的设计。分析系统的偏振光谱测量误差时,分别对系统中的强偏振元件与弱偏振元件进行了研究。其中,强偏振元件主要包括强度调制模块中的多级波片和线偏振片,而弱偏振元件则指的是由透镜界面、反射镜界面和衍射光栅组成的光学系统,强偏振元件与弱偏振元件均会使入射光束的偏振态发生改变,从而影响系统的斯托克斯光谱测量结果,但是两类偏振元件与光的相互作用不同,因此采取的描述及分析方法也存在差异。对于强偏振元件,主要研究了强度调制模块中偏振元件方位角误差以及多级波片相位延迟量误差两种偏振误差对测量结果的影响。运用蒙特卡洛法分析了强度调制模块偏振误差与系统测量结果之间的定量关系,发现偏振元件方位角的误差和多级波片相位延迟量的误差会降低目标偏振光谱的复原精度。为了抑制强度调制模块偏振误差的影响,首先推导了强度调制模块含偏振误差的解析模型,根据此模型创新性的提出了一种基于辅助多级波片的偏振元件方位角误差标定方法,该方法只需单次测量即可标定多级波片的快轴方位角误差以及线偏振片的通光轴方位角误差,且辅助多级波片不影响强度调制模块的正常使用。经过研究发现,偏振元件方位角误差亦会影响多级波片相位延迟量误差的标定结果,为此对22.5°线偏振参考光标定法进行了改进。在标定强度调制模块偏振误差的基础上,重新推导了斯托克斯光谱的复原模型,并提出一种强度调制模块偏振误差的补偿算法。仿真及实验结果表明:本论文提出的标定方法能够精确、高效的标定强度调制模块的偏振误差,运用补偿算法可以有效降低强度调制模块偏振误差对测量结果的影响,但该补偿算法仅适用于光学系统偏振效应可忽略的情况。为了使研究成果更具有普适性,进一步研究了弱偏振元件偏振效应的影响,分析了光学系统二向衰减和位相延迟对测量误差的影响规律。在此基础上,逐界面分析了透镜、反射镜和衍射光栅的偏振效应,采用偏振光线追迹法计算透镜及反射镜界面的偏振效应,发现偏振敏感界面的存在显著增强了整个系统的偏振敏感性;采用FDTD法研究了光栅的周期、槽深以及光线入射角对其偏振特性的影响。基于光学系统偏振效应的研究结果,提出了一种光学系统的保偏优化方法,通过对自主设计的机载强度调制型偏振光谱成像遥感系统进行保偏优化,表明该方法可以降低光学系统的偏振效应,为在设计阶段减小系统测量误差提供了有效途径。在强度调制模块偏振误差和光学系统偏振效应研究的基础上,从一般性系统的整体出发,研究了多种误差源的耦合效应及其综合影响。通过详细推导论证了系统模块化建模方法的可行性,并重点研究了强度调制模块在光线倾斜入射时的穆勒矩阵,在此基础上建立了全系统的偏振辐射传输模型。根据此模型提出了一种针对全系统的偏振定标方法,该方法分别运用三种不同偏振状态的线偏振光和非偏振光作为参考光,并运用一片多级波片作为辅助器件,对光学系统偏振效应、系统偏振辐射传递系数、偏振元件方位角误差以及多级波片相位延迟量等系统偏振参数进行标定,在标定某一参数时充分抑制其他参数的影响以保证标定精度。同时,改进了斯托克斯光谱复原模型,将偏振参数的标定结果代入斯托克斯光谱的复原运算中,对各影响因素所引入的复原误差进行补偿。最后,通过分析仿真及验证性实验的结果可以得出结论:本文提出的系统偏振定标方法将全视场下的斯托克斯光谱复原误差降低了一个数量级,运用该方法可以有效保证系统的偏振光谱测量精度。本文构建的数理模型以及提出的分析、保偏优化和定标方法对于强度调制型偏振光谱成像系统的实际工程应用具有重要意义。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61674
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	杨斌. 强度调制型偏振光谱成像系统测量误差及定标研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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强度调制型偏振光谱成像系统测量误差及定标（7342KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文