阅读说明：本技术 一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法 (Bandwidth design method for spatial modulation full-polarization imaging system ) 是由 叶松 郝平波 张文涛 张紫杨 陈妮艳 李树 汪杰君 王方原 王新强 甘永莹 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法,其特征在于,包括如下步骤：1)通过空间调制全偏振成像系统数学模型推导干涉光强与Stokes参量之间的关系式；2)确定S<Sub>1</Sub>、S<Sub>23</Sub>通道的主瓣信息；3)获取空间调制全偏振成像系统的极限带宽；4)设计空间调制全偏振成像系统的带宽。这种方法可作为系统带宽设计依据,进而选择满足带宽要求的滤光器件,在保证解调精度的前提下可获得最大的光通量、可提高探测系统的灵敏度及信噪比。(The invention discloses a bandwidth design method for a space modulation full-polarization imaging system, which is characterized by comprising the following steps of: 1) deducing a relational expression between interference light intensity and Stokes parameters through a space modulation full-polarization imaging system mathematical model; 2) determination of S 1 、S 23 Main lobe information of the channel; 3) acquiring the limit bandwidth of a spatial modulation full-polarization imaging system; 4) the bandwidth of the spatially modulated full polarization imaging system is designed. The method can be used as a design basis of system bandwidth, and further selects a filter device meeting the bandwidth requirement, so that the maximum luminous flux can be obtained on the premise of ensuring demodulation precision, and the sensitivity and the signal-to-noise ratio of a detection system can be improved.)

一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法

技术领域

本发明涉及偏振成像探测领域，具体是一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法。

背景技术

近年来，偏振成像技术是近些年来在光学遥感领域中新发展的一种新兴探测技术，受到国内外研究者的重视。作为一种新兴的遥感探测技术，偏振成像技术可以同时获取目标物体的强度信息和偏振信息，该技术广泛应用于空间遥感、农林分析、军事侦察、大气探测、环境监测等应用领域。

随着偏振探测技术的研究与发展，对偏振数据的探测精度及实时性要求也越来越高。传统的分时偏振图像探测方法通过转动件来实现分时测量，但由于其复杂的机械结构和光学系统，会产生噪声以及像元不匹配等问题，而且对运动物体的探测和实时测量等均具有局限性。直到21世纪初，空间调制偏振成像技术以其具有高空间分辨率、可同时获得多个Stokes参量、紧凑型、无运动器件、对动态目标成像等优点逐渐成为研究热点。2003年，美国亚利桑那大学Oka等提出基于双折射楔形棱镜的偏振成像探测仪，实现了对同一目标不同偏振参量的同时探测，该系统具有小型化、紧凑化、可以使用快照成像的优点；2006年，Oka提出基于Savart偏光镜型的单色光偏振成像系统。

基于Savart偏光调制器的空间调制全偏振成像系统可以采用一个焦平面面阵探测器同时获取目标的全Stokes参量，但该系统仅适用于单色光，对于复色光在频域会出现通道混叠、降低Stokes参量的解调精度，甚至无法解调，因此，该系统对带宽有严格的限制，该系统通过前置窄带滤光片进行控制实现单色光调制，该系统带宽的限制则降低了探测系统的灵敏度及信噪比、在极限带宽范围内，空间调制全偏振成像系统可有效解调Stokes参量，超出极限带宽范围，Stokes参量的解调精度严重降低，甚至无法解调，有效的带宽设计方法可以保证空间调制全偏振成像系统的解调精度，同时提高探测系统的灵敏度及信噪比。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法。这种方法可作为系统带宽设计依据，进而选择满足带宽要求的滤光器件，在保证解调精度的前提下可获得最大的光通量、可提高探测系统的灵敏度及信噪比。

实现本发明目的的技术方案是：

一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法，包括如下步骤：

1)通过空间调制全偏振成像系统数学模型推导干涉光强与Stokes参量之间的关系式：所述空间调制全偏振成像系统结构包括顺序设置的滤光片、第一Savart偏光镜、半波片、第二Savart偏光镜、检偏器、成像透镜和CCD探测器，入射光线经过滤光片入射到第一Savart偏光镜，依次经过半波片、第二Savart偏光镜、检偏器，实现双折射分光、振动方向旋转、再次双折射分光后成四束光线，经成像透镜会聚到CCD探测器的焦平面上，发生干涉，通过CCD探测器记录偏振干涉强度图像，设主光轴为x轴，构建xy坐标系，依据波动光学理论，推导出干涉光强与Stokes参量S₀-S₃的关系为：

其中，I为输出的干涉光强，S₀-S₃为输入的Stokes参量，Ω为载波频率，f为成像透镜的后焦距，Δ为第一Savart偏光镜和第二Savart偏光镜引入的横向剪切量，λ为入射光中心波长，x_i、y_i为像平面坐标，S₂₃为S₂与S₃结合的复数矢量，i为虚数，cos()为余弦函数，π为圆周率对应的弧度值180°，arg()表示幅角；

2)确定S₁、S₂₃通道的主瓣信息：采用离散傅里叶变换推导S₁、S₂₃通道的频谱函数表达式，以确定S₁、S₂₃通道的主瓣信息，对于空间调制全偏振成像系统，在积分范围[-L,L]内对公式(1)式做二维离散傅里叶变换，其中，L*L为焦平面上的成像面积，得到公式(3)：

其中，u、v表示频域的坐标；

3)获取空间调制全偏振成像系统的极限带宽：为了完整解调出各个Stokes参量信息，各个通道必须保证其主瓣信息的完整性，根据瑞利判据可知，当通道内某一波长的峰值与中心波长的第一级零点重合时，二者刚好处于通道重叠的边界，定义这波长为中心波长所对应的有效光谱带宽的极限波长，两个第一级零点所对应的极限波长之间的范围即为极限带宽范围，对于S₁通道，S₁通道频谱函数表达式F₁为公式(4)：

式中，F₁表示S₁在频域上对应的函数表达式，A为信号的振幅，F()表示S₁的傅里叶变换表达式，

中心波长的第一级零点满足公式(5)：

2πL(Ω₀-u)＝±π (5)，

依据公式(5)得到S₁对应的极限光谱带宽范围为公式(6)：

同理可得S₂₃对应的极限光谱带宽范围为公式(7)：

比较公式(6)和公式(7)，由于所以S₂₃对应的极限光谱带宽范围为空间调制全偏振成像系统的极限带宽；

4)设计空间调制全偏振成像系统的带宽：以步骤3)获得的极限带宽作为系统带宽设计依据，系统设计时带宽不可超过步骤3)获得的极限带宽。

所述第一Savart偏光镜和第二Savart偏光镜均由两块等厚度的Savart单板即单轴双折射晶体构成，第二Savart偏光镜的光轴方向与第一Savart偏光镜的光轴方向正交。

本技术方案在极限带宽范围内，空间调制全偏振成像系统可有效解调Stokes参量，通过计算系统的极限带宽，作为系统带宽设计依据，选择满足带宽要求的滤光器件，在保证解调精度的前提下尽可能保证最大的光通量，为空间调制全偏振成像系统的整体设计提供参考依据。

这种方法可作为系统带宽设计依据，进而选择满足带宽要求的滤光器件，在保证解调精度的前提下可获得最大的光通量、可提高探测系统的灵敏度及信噪比。

附图说明

图1为实施例中设计方法流程示意图；

图2为实施例中空间调制全偏振成像系统结构示意图；

图3为实施例中输入测试的S₀-S₃参量图像；

图4为实施例中不同带宽的解调结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种用于空间调制全偏振成像系统的带宽设计方法，包括如下步骤：

1)通过空间调制全偏振成像系统数学模型推导干涉光强与Stokes参量之间的关系式：所述空间调制全偏振成像系统结构包括顺序设置的滤光片1、第一Savart偏光镜2、半波片3、第二Savart偏光镜4、检偏器5、成像透镜6和CCD探测器7，入射光线经过滤光片1入射到第一Savart偏光镜2，依次经过半波片3、第二Savart偏光镜4、检偏器5，实现双折射分光、振动方向旋转、再次双折射分光后成四束光线，如图2中的插图II，经成像透镜6会聚到CCD探测器7的焦平面上，发生干涉，通过CCD探测器7记录偏振干涉强度图像，如图2所示，设主光轴为x轴，构建xy坐标系，半波片3的快轴与x轴成22.5°，使第一Savart偏光镜2的视场增大，检偏器5的透过方向与x轴成45°，使得之前通过半波片3的光线成为线偏振光，第二Savart偏光镜4的光轴方向与第一Savart偏光镜2的光轴方向正交，CCD探测器7的焦平面位于成像透镜6的后焦面处，依据波动光学理论，推导出干涉光强与Stokes参量S₀-S₃的关系为：

其中，I为输出的干涉光强，S₀-S₃为输入的Stokes参量，Ω为载波频率，f为成像透镜6的后焦距，Δ为第一Savart偏光镜2和第二Savart偏光镜4引入的横向剪切量，如图2中的插图I，λ为入射光中心波长，x_i、y_i为像平面坐标，S₂₃为S₂与S₃结合的复数矢量，i为虚数，cos()为余弦函数，π为圆周率对应的弧度值180°，arg()表示幅角；

2)确定S₁、S₂₃通道的主瓣信息：采用离散傅里叶变换推导S₁、S₂₃通道的频谱函数表达式，以确定S₁、S₂₃通道的主瓣信息，对于空间调制全偏振成像系统，在积分范围[-L,L]内对公式(1)式做二维离散傅里叶变换，其中，L*L为焦平面上的成像面积，得到公式(3)：

其中，u、v表示频域的坐标；

3)获取空间调制全偏振成像系统的极限带宽：为了完整解调出各个Stokes参量信息，各个通道必须保证其主瓣信息的完整性，根据瑞利判据可知，当通道内某一波长的峰值与中心波长的第一级零点重合时，二者刚好处于通道重叠的边界，定义这波长为中心波长所对应的有效光谱带宽的极限波长，两个第一级零点所对应的极限波长之间的范围即为极限带宽范围，对于S₁通道，S₁通道频谱函数表达式F₁为公式(4)：

式中，F₁表示S₁在频域上对应的函数表达式，A为信号的振幅，F()表示S₁的傅里叶变换表达式，

中心波长的第一级零点满足公式(5)：

2πL(Ω₀-u)＝±π (5)，

依据公式(5)得到S₁对应的极限光谱带宽范围为公式(6)：

同理可得S₂₃对应的极限光谱带宽范围为公式(7)：

比较公式(6)和公式(7)，由于所以S₂₃对应的极限光谱带宽范围为空间调制全偏振成像系统的极限带宽；

4)设计空间调制全偏振成像系统的带宽：以步骤3)获得的极限带宽作为系统带宽设计依据，系统设计时带宽不可超过步骤3)获得的极限带宽。

在极限带宽范围内，本例中输入偏振态S＝[1,1,0,0]^T的全偏振测试图像，如图3所示，得到不同带宽对应的解调结果：图4(a)为极限带宽范围内单色光理想情况下的干涉图像解调后得到的偏振度图像；图4(b)为临界条件下带宽为极限带宽时干涉图像解调后得到的偏振度图像；图4(c)为带宽大于极限带宽时干涉图像解调后得到的偏振度图像。