基于液晶调制的干涉型高光谱偏振成像技术研究

摘要

干涉型成像光谱偏振仪是一种基于傅里叶变换光谱学理论的能够同时获取目标图像信息、光谱信息和偏振信息的仪器，为目标探测与识别提供了丰富的光学信息。针对当下干涉型成像光谱偏振仪的发展趋势，即在高光谱分辨率与高信噪比的基础上实现快速测量，本文提出了一种基于液晶调制的新型傅里叶变换成像光谱偏振仪。铁电液晶（Ferroelectric Liquid Crystal，FLC）作为高速偏振调制器件被用于干涉型成像光谱偏振仪中，偏振态分析器(Polarization State Analyzer，PSA)利用FLC快速切换其快轴方位角的特性，实现全Stokes偏振态的高速获取。双折射干涉器由Wollaston棱镜和角锥反射体组成，具有光学装调和元件加工简单的优势。系统结合四倍率采样原理，将干涉光谱和高速液晶偏振调制两个模块有效融合，有效实现光谱与偏振信息的精细获取，并且4个偏振光谱分离没有空间混叠。 首先研究了干涉型成像光谱偏振仪的基本原理，讨论了偏振光谱的调制与解调机理，提出了四倍率采样原理。然后，对宽波段FLC偏振态分析器的优化设计方法进行了研究，推导了Stokes测量矩阵，设计了探测器数据采集的同步电控信号，研究了CN(Condition Number)和EWV（Equally Weighted Variance）等评价准则，采用遗传算法对快轴角度进行全局优化。确定了波片的组合形式，分析了CN和EWV评价下的优化结果。其次，研究了基于Wollaston棱镜的双折射干涉器，包括各器件的结构参数，光程差的非线性分布，及光谱与偏振信息的复原过程。最后，利用基于最大光强值的快轴校准方法搭建了实验装置，标定了波数采样间隔，对室内与室外目标进行测量实验，复原了测量目标的光谱和偏振信息，分析了误差来源与影响。结果表明，基于液晶调制的干涉型成像光谱偏振技术能够有效实现高信噪比、高精度的快速测量，该方法为光谱偏振成像与探测研究提供有意义的参考。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．3本论文的研究内容

2干涉型成像光谱偏振仪的理论基础

2．1基于液晶调制的干涉型光谱偏振成像方案

2．2偏振光谱的Stokes矢量表述

2．3干涉型光谱偏振成像仪的调制与解调机理

2．4四倍率采样

2．5本章小结

3 FLC偏振态分析器的设计

3．1 Stokes测量矩阵

3．1．1 Stokes测量矩阵的计算

3．1．2 FLC工作方式

3．1．3探测器数据采集同步控制

3．1．4快轴方位角度的优化

3．2优化的评价准则

3．2．1优化原理

3．2．2评价准则的比较与计算

3．3全局优化遗传算法

3．3．1宽波段遗传优化原理

3．3．2遗传算法的流程及参数设置

3．4优化设计结果与分析

3．4．1 FLC和相位延迟器参数的标定

3．4．2相位延迟器的组合形式与优化结果

3．4．3 CN与EWV评价下的优化结果

3．5本章小结

4基于Wollaston棱镜的双折射干涉器的设计

4．1基于Wollaston棱镜的双折射干涉器

4．2 Wollaston棱镜和角锥反射体的结构参数

4．3非线性光程差分布

4．4光谱与偏振信息的复原

4．5本章小结

5光谱偏振成像实验与分析

5．1偏振调制组件装调与系统集成

5．1．1基于最大光强值的快轴校准装调方法

5．1．2实验系统设计指标与装调集成

5．2光谱偏振成像验证实验

5．2．1波数采样间隔标定

5．2．2室内目标成像验证实验与分析

5．2．3外场实验与分析

5．3实验系统的误差来源与分析

5．3．1系统装调误差

5．3．2相位延迟量测量误差

5．3．3偏振光谱测量误差

5．4本章小结

6总结与展望

6．1主要研究内容

6．2创新点

6．3待解决的问题

致谢

参考文献

附录