集成PSIM偏振光谱仪系统设计

摘要

偏振光谱强度调制(PSIM)是一种可用于将普通光谱仪改造成偏振光谱仪，实现待测光四个Stokes矢量元素谱同步获取的新技术。其基本原理是:在普通光谱仪入射光路中，加装由两块延迟器和一块偏振器构成的调制器，当待测光通过调制器时，其四个Stokes矢量元素谱被调制到由调制器形成的、不同频率的载波上。调制器输出光的强度谱，是待测光各个已调制Stokes矢量元素谱的线性叠加。光谱仪探测器只需一次曝光，记录待测光经过调制器后的强度谱数据，即可经傅里叶逆变换、滤波、傅里叶变换及解调制等信号处理过程，还原出待测光的四个Stokes矢量元素谱。与传统偏振光谱测量仪器相比，PSIM偏振光谱仪具有时间分辨率高，系统结构简单，无转动件，可靠性高，特别适合运动目标偏振光谱测量等技术特点。在地球环境监测、农业遥感及伪装识别等遥感测量领域，具有明显应用优势。但该技术研究在国内目前仍处于实验室阶段，尚未见工程化应用报道。本论文在国家自然基金项目支持下，围绕该技术的工程化应用，开展了以下几方面的研究工作: (1)系统分析了PSIM偏振光谱仪实现待测光偏振光谱信息调制解调原理，给出了原理的数学推导; (2)在弄清了PSIM偏振光谱仪原理的基础上，确立了PSIM偏振光谱仪系统关键器件参数的匹配设计方法及测量数据处理算法流程; (3)结合PSIM偏振光谱仪设计指标，利用系统关键器件参数的匹配设计方法，完成了集成调制器的设计装调，实现了PSIM偏振光谱仪硬件一体化设计; (4)利用IDL程序设计语言，完成了PSIM偏振光谱仪数据处理软件的一体化设计与调试，并通过典型待测光源的测量实验及实验数据处理，验证了PSIM偏振光谱仪系统软硬件一体化设计过程的正确性; (5)完成了PSIM偏振光谱仪的偏振定标实验。经过定标校正后系统的全谱段偏振度测量精度优于0.5％。 论文的研究工作，验证了集成PSIM偏振光谱仪同步获取待测光四个Stokes矢量谱的测量能力，且具有较高的偏振度测量精度。为PSIM技术的工程化应用奠定了基础。