大视场偏振光谱仪的偏振精度定标系统

摘要

大视场偏振光谱仪的偏振精度定标系统，由积分球、平行光管、光阑、干涉滤光片、偏振态发生器(PSG)、电动转台和计算机组成。该定标系统采用积分球、平行光管、光阑、干涉滤光片和PSG产生标准偏振定标源，利用该定标源产生的小视场、小口径的平行光束，通过分视场、分步线性拟合的方法，实现对大视场偏振光谱仪的偏振定标。本发明具有对大视场偏振光谱仪进行全视场偏振定标的能力，定标过程中采用分步线性拟合的原理进行数据处理，大大提高了大视场成像偏振光谱仪的偏振定标精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于地基的半球视场下对天空光进行全偏振多谱段成像探测的偏振光谱仪的偏振精度定标系统。 

背景技术

长期以来，各国许多科学家们都致力于天空光的相关研究，早期主要专注于解释天空光的现象，例如天空的颜色、彩虹等。在1809年Arago发现了天空光的偏振现象以后，天空光的偏振特性研究开始受到一些科学家的重视。大量研究表明，天空光偏振分布信息在航空导航、天气预测、云层分析和对地信息补偿等方面有着十分重要的价值。而能否精确的探测到天空光的偏振分布信息取决于探测系统的偏振定标精度。偏振定标指的是建立成像光谱偏振探测系统每个探测单元的输出信号与该单元对应的实际地物偏振信息之间的定量关系，建立每一个像元的辐射响应度公式和偏振响应度的仪器矩阵，偏振定标的最终目的是为了根据成像偏振探测系统的输出数据能精确得到目标反射光的偏振特性。偏振定标需要定标的是系统的仪器矩阵。 

在偏振定标的过程中，需要一个偏振光源，它能够产生定标过程中所需要的不同的偏振态。目前常用的偏振光源通常是由平行光源、偏振片和波片组成，通过调整偏振片的透偏方向和波片的光轴方向就可以在0°视场范围内产生任意偏振态的偏振光束。在该平行偏振光束后加入保偏扩散器和准直透镜后，可以将偏振光扩束至14°～36°视场范围内。但是由于待定标系统是半球视场偏振光谱仪，它的视场角是180°，所以在定标的过程中要保证偏振光源产生的偏振光束的视场范围覆盖待定标系统的全部视场。可是在现有的条件下，找不到视场覆盖范围能够达到半球视场的光源，因此这种传统的偏振定标方法对于大视场的偏振光谱仪是不可行的。 

综上所述，目前国内外还没有提出一种明确的、高精度的偏振定标系统，对半球视场的偏振光谱仪进行精确的偏振定标。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种新型的大视场偏振精度定标系统，该定标系统可以对半球视场成像偏振光谱系统进行全视场偏振定标，定标过程中采用分步线性拟合的原理进行数据处理，大大提高了大视场成像偏振光谱仪的偏振定标精度。 

本发明一种大视场偏振光谱仪的偏振精度定标系统，其技术解决方案：该系统包括下列部件： 

积分球，位于整个定标系统的最前端，用于提供波段为350nm-2500nm范围内均匀稳定的光源； 

平行光管，位于积分球的后面，将积分球发出的光源准直，产生平行面光源； 

光阑，位于平行光管的后面，限制平行面光源的出射孔径，使得平行面光源以一定的孔径入射到后续定标系统； 

干涉滤光片，位于光阑后面，对入射光进行滤光，其中心波长和波段的选择与待定标的偏振系统有关； 

偏振态发生器，位于干涉滤光片后面，由精确线偏振片和精确波片两部分组成，通过旋转线偏振片和波片，能够产生6种标准偏振光源，即0度、45度、90度、135度线偏振光源和左、右旋圆偏振或椭圆偏振光源。其旋转机构的机械精度为1′,产生的标准偏振光源的Stokes参数精度为0.001。入射光经过偏振态发生器后，能够产生标准偏振光源； 

保偏扩散器，位于偏振态发生器之后，通过采用微透镜阵列实现保偏作用，将入射光以一定角度均匀发散出去，并保持出射光与入射光的偏振态，其保偏性能优于99%； 

准直透镜，位于保偏扩散器之后，其焦距和直径的选取与待定标偏振系 统的通光孔径、视场角以及保偏扩散器上的光斑孔径有关； 

电动转台，将待定标的系统放置在转台上，通过电动转台的转动，使偏振光源与待定标系统之间的相对角度发生变化，从而完成在定标过程不同视场的偏振光源的要求。电动转台的转动精度是2′，满足定标系统的要求。 

计算机，通过计算机程序控制，采集定标过程中的图像数据，利用分步线性拟合的原理进行数据处理，得到偏振系统的定标结果。 

本发明的工作原理为：积分球产生均匀的入射光，经平行光管准直，通过滤光片、偏振态发生器后产生相应光谱范围内的特定偏振状态的平行光光，再经过保偏扩散器和准直透镜之后，产生小视场范围的偏振光源，能够对应大视场偏振光谱仪的一部分视场。由于偏振光谱仪的光学结构是轴旋转对称的，所以CCD成像面上各像素的仪器矩阵也是以成像面中心O点呈轴旋转对称分布的，即像面上与O点距离相等的各个像素点的仪器矩阵是相同的。因此理论上只需对CCD成像面上任一半径OR上的各像素点的仪器矩阵进行定标，即可推算出整个CCD成像面上所有像素点的仪器矩阵。基于此定标原理，本文提出一种分视场、分步线性拟合的偏振定标方法。定标的基本方法：在初始视场下，使偏振定标系统与待定标的系统之间的角度为0度，即将偏振光源的光轴与系统的光轴对准。旋转精确偏振片和精确波片使得入射光分别转换为6种偏振态的偏振光，利用线偏振光定标仪器矩阵的前三列，利用圆偏振光（或椭圆偏振光）定标仪器矩阵第四列，完成一个视场内的偏振定标。之后通过电动转台转动，调节偏振系统和待定标系统之间的相对角度，在不同的视场下，重复上述操作，完成全视场的定标。定标过程中采用分步线性拟合的原理进行数据处理，完成对半球视场的偏振光谱仪的偏振定标，大大提高了大视场成像偏振光谱仪的偏振定标精度。定标出仪器矩阵之后，将若干组偏振态的光源（不同于定标时采用的偏振态）入射到定标后的偏振探测系统上，将系统探测结果与入射光偏振态相比，即可求得偏振定标精度。 

本发明与现有定标技术相比较具有如下优点： 

（1）在没有半球视场的偏振光源的条件下，利用分视场的定标方法，解决了半球视场偏振光谱仪全视场定标的问题。 

（2）利用分步线性拟合的原理进行数据处理，提高了偏振定标精度。 

附图说明

图1为本发明的系统组成原理框图； 

图2为本发明的旋转偏振光源示意图； 

图3为本发明的定标过程中CCD成像面X方向上的定标区域示意图； 

图4为本发明的定标CCD成像面上视场矩形； 

图5为本发明的偏振定标流程图。 

图中具体标号如下： 

1、积分球       2、平行光管       3、光阑 

4、干涉滤光片   5、偏振态发生器   6、保偏扩散器 

7、准直透镜     8、待定标系统     9、电动转台 

10、计算机 

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。 

如图1所示，本发明包括：积分球1、平行光管2、光阑3、干涉滤光片4、偏振态发生器5、保偏扩散器6、准直透镜7、待定标系统8、电动转台9、计算机10。首先，将偏振光源的光轴与系统的光轴对准，如图2中的光源位于位置1时的定标光路示意图所示（沿着系统光轴，光线传播的方向规定为Z轴，垂直于Z轴的平面规定为XOY面，根据左手定则建立坐标系）。利用该位置下的定标系统对CCD成像面上沿x轴方向上0°～8°视场内的矩形A1中的每个像素进行偏振定标，如图3所示。然后，以系统第一片透镜的顶点为圆心，以该圆心至光源中心的距离为半径，将光源在xz平面内转过18°至位置2，如图2所示。转动前后的视场重合角度为2°，对8°～24°视场内的矩形A2中每个像素进行偏振定标，如图3所示。将光源继续转动，每 转动一次，完成一次16°视场范围内的特定矩形区域内每个像素的偏振定标。将光源转动5次之后，便完成了0°～+90°视场范围内的矩形A₁至A₆区域内所有像素点的偏振定标，如图4所示。由矩形A₁至A₆所组成的矩形MNN’M’沿X轴方向的长度为350个像素大小，等于CCD成像面的半径值，该矩形内任意一个的像素的仪器矩阵为 

$M_{\mathrm{INS}(i,j)}=\left(\begin{array}{cccc}{\left(a_{00}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{01}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{02}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{03}\right)}_{(i,j)}\\ {\left(a_{10}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{11}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{12}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{13}\right)}_{(i,j)}\\ {\left(a_{20}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{21}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{22}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{23}\right)}_{(i,j)}\\ {\left(a_{30}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{31}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{32}\right)}_{(i,j)}& {\left(a_{33}\right)}_{(i,j)}\end{array}\right)$

其中，i和j均为整数且-3≤i≤3，0≤j≤350。i=0时，M_INS(0,j)为成像面OR半径上各像素的仪器矩阵。对于CCD成像面上全视场内任意一个像素点N，通过分步线性拟合即可求出该像素点的仪器矩阵。设像素点N距离成像面中心O点为n个像素，对n取整得到[n]和[n+1]，则根据线性拟合的公式： 

$\frac{M_{\mathrm{INS}(x_N,y_N)}-M_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)}}{n-\left[n\right]}=\frac{M_{\mathrm{INS}(0,[0+1\left]\right)}-M_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)}}{1}$

即 

$M_{\mathrm{INS}(x_N,y_N)}=(M_{\mathrm{INS}(0,[n+1\left]\right)}-M_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)})(n-[n\left]\right)+M_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)}$

其中代表像素点N的仪器矩阵，和分别代表X轴上与原点O相距分别为[n]和[n+1]个像素点处的仪器矩阵。 

由于定标的过程中系统误差、操作误差等误差源的存在，会导致OR半径方向上部分像素点的仪器矩阵的误差较大。对于该半径方向上的任意一个像素点与其在y方向上的相邻像素点之间的视场差异值在0°～0.257°之间，这样小的视场差异，可以认为它们的仪器矩阵只有特别微小的差异。为了提高定标精度，将该像素点的仪器矩阵与y方向上相邻两个像素点的仪器矩阵取平均值，得到新的仪器矩阵作为该像素点的最终定标的仪器矩阵值，如公式所示， 

${\bar{M}}_{\mathrm{INS}(0,j)}=\frac{M_{\mathrm{INS}(-1,j)}+M_{\mathrm{INS}(0,j)}+M_{\mathrm{INS}(1,j)}}{3}$

则，对于全视场内任意一个像素点N的仪器矩阵为： 

${\bar{M}}_{\mathrm{INS}(x_N,y_N)}=({\bar{M}}_{\mathrm{INS}(0,[n+1\left]\right)}-{\bar{M}}_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)})(n-[n\left]\right)+{\bar{M}}_{\mathrm{INS}(0,[n\left]\right)}$

定标出仪器矩阵M_INSTRUMENT之后，将若干组偏振态的光源（不同于定标时采用的偏振态）入射到定标后的偏振探测系统上，将系统探测结果与入射光偏振态相比，即可求得偏振定标精度。 

本发明的偏振定标流程图如图5所示。首先按照图1所示的原理框图搭建出定标系统，首先，将偏振光源的光轴与系统的光轴对准放置，旋转偏振片使得PSG产生4种线偏振光和两种圆偏振光（或椭圆偏振光），每种偏振态重复利用5次，采集图像，记录CCD上探测到的光强，计算得到该视场下各点的仪器矩阵；然后调整视场，重复上述操作过程，完成对半径OR方向上，所有视场内各点仪器矩阵的计算。再利用分步线性拟合的方法，计算出整个系统的仪器矩阵；最后利用若干组不同于定标时采用的偏振态来验证偏振定标精度。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。