靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像技術(shù)*

李杰 朱京平 齊春 鄭傳林 高博 張?jiān)茍?侯洵

1)(西安交通大學(xué)電信學(xué)院,陜西省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

2)(西安交通大學(xué)電信學(xué)院信息與通信工程系,西安 710049)

(2012年7月5日收到;2012年8月22日收到修改稿)

1 引言

成像光譜技術(shù)和偏振成像技術(shù)是空間成像技術(shù)與光譜分析及偏振測(cè)量技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,是近年發(fā)展起來(lái)的新型光學(xué)遙感探測(cè)技術(shù),是當(dāng)今光學(xué)遙感技術(shù)發(fā)展的前沿,相對(duì)于其他遙感探測(cè)手段(可見光、紅外、雷達(dá)等),這兩種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).

成像光譜技術(shù)獲取目標(biāo)的二維空間信息和一維光譜信息[1].地表、海洋和天空中的任何物體在反射、透射和輻射光波的過(guò)程中都會(huì)表現(xiàn)出不同的光譜特性,對(duì)這些特征光譜進(jìn)行分析,可識(shí)別出目標(biāo)的種類、材質(zhì)及物質(zhì)組成.

偏振成像技術(shù)獲取目標(biāo)的二維空間信息和偏振信息[2,3].偏振信息獨(dú)立于光強(qiáng)度和光譜信息,它能反映目標(biāo)形貌取向、表面粗糙度、致密度、電導(dǎo)率、含水量等材料理化特征,不同的物體由于其表面特征不同,偏振度會(huì)有很大的差異.通過(guò)這些差異可增強(qiáng)圖像的對(duì)比度,也能用于物質(zhì)的分類與識(shí)別.

這兩種技術(shù)都有著非常廣闊的應(yīng)用前景.例如,氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、星空探索等.因此,世界各國(guó)投入了大量的人力、物力,紛紛開展相關(guān)理論與器件研究,取得了一系列成果,并有部分儀器發(fā)射升空.我國(guó)的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星、神舟三號(hào)飛船、環(huán)境一號(hào)A衛(wèi)星、嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星都搭載有成像光譜或偏振成像設(shè)備,在我國(guó)空間光學(xué)遙感領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用.

近年來(lái),這兩種技術(shù)又出現(xiàn)了交叉融合的趨勢(shì),推動(dòng)著光學(xué)遙感技術(shù)朝著多維度、多信息融合的方向發(fā)展.大量理論及實(shí)踐表明,多種光學(xué)遙感技術(shù)相結(jié)合,必將大大增強(qiáng)光學(xué)遙感設(shè)備地物識(shí)別能力,擴(kuò)展儀器使用范圍,提高儀器工作效率.如果說(shuō)空間成像、光譜探測(cè)、偏振探測(cè)融合產(chǎn)生成像光譜和偏振成像技術(shù)是空間光學(xué)遙感技術(shù)的一次飛躍,那么成像光譜與偏振成像技術(shù)的融合則是一次新的飛躍,這方面的研究已引起歐美等先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視,成為空間光學(xué)遙感技術(shù)研究與發(fā)展的最前沿.

遺憾的是,受基礎(chǔ)原理限制,現(xiàn)有光譜偏振成像方法普遍需要旋轉(zhuǎn)、電控調(diào)制位相延遲器、偏振片,或采用微型偏光元件陣列,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制作工藝與裝配難度大,抗振能力及環(huán)境適應(yīng)性差,很難滿足航空航天遙感及野外探測(cè)的需要,已成為制約該技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的主要障礙[2].因此,必須從探測(cè)機(jī)理上進(jìn)行深入研究,提出新的探測(cè)方法,才能從根本上解決這一問(wèn)題.為此,本文作者于2010年首次在國(guó)際上提出了基于全光調(diào)制的靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像新方法,無(wú)需運(yùn)動(dòng)、電控調(diào)制部件,可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像、光譜及全偏振信息的一體化探測(cè)[4,5],受到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)[6].

本文在原有研究基礎(chǔ)上,給出了靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像具體實(shí)現(xiàn)方案,討論分析了新方案的技術(shù)原理,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證,并利用研制成功的原理樣機(jī)進(jìn)行了外場(chǎng)推掃實(shí)驗(yàn).模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新方法可有效解決成像光譜與偏振成像技術(shù)融合存在的一系列問(wèn)題,為光譜、偏振、圖像三位一體探測(cè)提供新的技術(shù)途徑;有效提高了儀器探測(cè)效率,為具有高光譜、高靈敏度、高穩(wěn)定度、實(shí)時(shí)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)的新型空間光學(xué)遙感器開發(fā)提供基礎(chǔ)理論與技術(shù)支持;極大地?cái)U(kuò)展空間光學(xué)遙感設(shè)備工作范圍,為地球資源普查(礦產(chǎn)、森林植被、海洋魚類與海藻),環(huán)境災(zāi)害預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)(森林草場(chǎng)火災(zāi)、水澇災(zāi)害、土地鹽堿化與沙化等),大氣氣溶膠、冰晶云、卷云的探測(cè),大氣與水體污染監(jiān)測(cè),大氣微量成分分析(溫室氣體、臭氧等),大氣垂直溫度與風(fēng)場(chǎng)、壓力場(chǎng)探測(cè),深空探測(cè)與天體物理研究等領(lǐng)域提供了新的信息獲取手段.

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及探測(cè)原理

本論文提出的靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀結(jié)構(gòu)如圖1所示[4],主要由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng),位相延遲器R1,R2,起偏器P,Wollaston棱鏡WP,檢偏器A,二次成像系統(tǒng)及焦平面探測(cè)器陣列FPA組成.目標(biāo)光經(jīng)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集、準(zhǔn)直之后,進(jìn)入由R1,R2組成的位相調(diào)制模塊進(jìn)行位相調(diào)制.調(diào)制后的光通過(guò)P變?yōu)榫€偏振光,接著又被WP分解為兩束振幅相等、振動(dòng)方向互相垂直、傳播方向成一定夾角的線偏振光.兩束線偏振光通過(guò)A后,振動(dòng)方向變?yōu)橐恢?最后被二次成像系統(tǒng)L匯聚到FPA上成像,并產(chǎn)生干涉.

圖1 靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀結(jié)構(gòu)示意圖

利用穆勒矩陣,可以很方便地研究靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光譜、偏振探測(cè)的原理,其獲得的干涉條紋強(qiáng)度為

其中σ1,σ2為入射光的波數(shù)范圍,z為雙折射干涉儀引入的光程差,Si(σ)為入射光的Stokes矢量,M=MAMWPMPMR2MR1為儀器各偏光元件偏振響應(yīng)的穆勒矩陣.

將各元件穆勒矩陣的值代入(1)式可以得到

式 中 ?z(σ)=2π?zσ, ?1(σ)=2π(no(σ) ?ne(σ))d1σ,?2(σ)=2π(no(σ)? ne(σ))d2σ, ?z 是光束通過(guò)WP棱鏡產(chǎn)生的光程差,no(σ)?ne(σ)為雙折射晶體的雙折射率之差,d1,d2分別是R1和R2的厚度.可見,由于位相調(diào)制模塊的作用,入射光的四個(gè)Stokes參數(shù)被調(diào)制上了不同的位相因子.對(duì)(2)式積分可得:

式中L1,L2為位相延遲器R1,R2在中心波段引入的光程差.從(3)式可以看出干涉條紋I(z)被分成了七個(gè)通道(C0,C1,C?1,C2,C?2,C3,C?3),其中心分別位于z=0,±(L1?L2),±L2和 ±(L1+L2).對(duì)其進(jìn)行傅里葉逆變換便可得到入射光的全部四個(gè)波長(zhǎng)相關(guān)Stokes參數(shù):

從物理意義上講,靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀實(shí)現(xiàn)全偏振探測(cè)的機(jī)理是:通過(guò)特定的位相延遲器將不同的位相因子分別調(diào)制到入射光的四個(gè)Stokes參數(shù)上,再利用雙光束干涉數(shù)學(xué)上的傅里葉變換性質(zhì)將不同的Stokes參數(shù)在光程差域上分開,最后對(duì)不同光程差位置上的Sokes參數(shù)進(jìn)行解調(diào),便實(shí)現(xiàn)了光譜及全部偏振信息的探測(cè).其中的S0(σ)表示入射光總強(qiáng)度的波數(shù)分布關(guān)系,就是平常所說(shuō)的光譜信息.

3 計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證探測(cè)原理的有效性,利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬.圖2為模擬輸入的入射光波長(zhǎng)相關(guān)Stokes矢量,波數(shù)范圍為25000—10000 cm?1(400—1000 nm).計(jì)算得到靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀的干涉強(qiáng)度分布如圖3所示.可以清楚地看到干涉圖分成了七個(gè)獨(dú)立的通道.對(duì)其進(jìn)行逆傅里葉變換解調(diào),得到的波長(zhǎng)相關(guān)Stokes矢量如圖4所示,可見其良好地再現(xiàn)了輸入目標(biāo)光譜.

圖2 模擬輸入的波長(zhǎng)相關(guān)Stokes矢量

圖3 靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀干涉強(qiáng)度分布模擬計(jì)算結(jié)果

圖4 模擬解調(diào)出的四個(gè)波長(zhǎng)相關(guān)Stokes參數(shù)

圖5 靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像原理驗(yàn)證樣機(jī)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀探測(cè)原理的有效性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性,本課題組研制了靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀原理驗(yàn)證裝置(Φ80 mm×260 mm)如圖5所示,進(jìn)行了復(fù)色無(wú)偏光與線偏振光的測(cè)量實(shí)驗(yàn).驗(yàn)證裝置采用1280×1024 CMOS相機(jī)為接收器,系統(tǒng)工作波段為450—900 nm,光譜分辨率約為105 cm?1(633 nm時(shí)為4.3 nm),達(dá)到了超光譜分辨能力的要求.圖6為實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造的復(fù)色線偏振光成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖.線偏振光則由鹵鎢燈照射可旋轉(zhuǎn)的線偏振片P產(chǎn)生.

圖7為實(shí)驗(yàn)獲取的復(fù)色線偏振光干涉圖,圖8為解調(diào)得到的鎢燈光譜及代表入射光全偏振狀態(tài)的波長(zhǎng)相關(guān)Stokes矢量,其中虛線代表理論數(shù)據(jù),實(shí)線代表實(shí)驗(yàn)解調(diào)得到的數(shù)據(jù).從圖8中可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)符合較好,在絕大部分波段范圍內(nèi)準(zhǔn)確度優(yōu)于5%.

圖6 復(fù)色線偏振光成像實(shí)驗(yàn)

圖7 復(fù)色線偏振光(60°)成像干涉圖

圖8 干涉圖解調(diào)復(fù)原得到的入射光光譜與偏振譜信息(虛線,理論值;實(shí)線,實(shí)驗(yàn)值)

圖9 靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀外場(chǎng)推掃實(shí)驗(yàn)獲取的圖像效果與彩色數(shù)碼相機(jī)拍攝的真實(shí)場(chǎng)景的對(duì)比 (a)光譜圖像“數(shù)據(jù)立方體”;(b)全色450—900 nm全偏振度圖像;(c)彩色數(shù)碼相機(jī)照片

圖9 為外場(chǎng)推掃實(shí)驗(yàn)獲取的成像光譜“數(shù)據(jù)立方體”和代表全偏振信息的全色(450—900 nm)全偏振度圖像.

對(duì)比圖9(a)—(c)可見,靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀外場(chǎng)推掃實(shí)驗(yàn)獲得了非常好的效果.圖9(a)利用光譜數(shù)據(jù)合成的真彩色強(qiáng)度圖像真實(shí)再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景;陰影中的黑色汽車在強(qiáng)度圖像中較暗,但在圖9(b)全偏振圖像中,由于其表面光滑,且為金屬材料,具有較高的偏振度,因此較為明亮,也表明了偏振信息獨(dú)立于強(qiáng)度、光譜信息這一特征.另外需要指出的是,由于靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像儀采用的是推掃式成像方式,且實(shí)驗(yàn)選用的CCD幀頻很低,當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如圖9中的騎自行車的行人)沿垂直于推掃方向的運(yùn)動(dòng)較快時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真.通過(guò)增加CCD幀頻,提高推掃速度可以解決這一問(wèn)題.

5 結(jié)論

本文闡述了新型靜態(tài)傅里葉變換超光譜全偏振成像探測(cè)的基本原理,給出了新方法的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),并從各結(jié)構(gòu)元件的穆勒矩陣出發(fā),推導(dǎo)出了新方案的調(diào)制干涉強(qiáng)度數(shù)據(jù)表達(dá)式及Stokes矢量解調(diào)公式,分析了新方法實(shí)現(xiàn)光譜、全偏振探測(cè)的物理過(guò)程.對(duì)新方案進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬驗(yàn)證,研制了原理驗(yàn)證樣機(jī),開展了室內(nèi)、室外驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明新方案原理正確,技術(shù)可行,同時(shí)具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、電控調(diào)制部件,無(wú)復(fù)雜的微型偏光元件陣列,光通量大,信噪比高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,重量輕、體積小,環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn).

[1]Tong Q X,Zhang B,Zheng L F 2006 Hyperspectral Remote Sensing(Beijing:Higher Education Press)(in Chinese)[童慶禧,張兵,鄭蘭芬2006高光譜遙感(北京:高等教育出版社)]

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