靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像技術*

李杰 朱京平 齊春 鄭傳林 高博 張云堯 侯洵

1)(西安交通大學電信學院,陜西省信息光子技術重點實驗室,電子物理與器件教育部重點實驗室,西安 710049)

2)(西安交通大學電信學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

成像光譜技術和偏振成像技術是空間成像技術與光譜分析及偏振測量技術的有機結合,是近年發展起來的新型光學遙感探測技術,是當今光學遙感技術發展的前沿,相對于其他遙感探測手段(可見光、紅外、雷達等),這兩種技術都有其獨特的優點.

成像光譜技術獲取目標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程中都會表現出不同的光譜特性,對這些特征光譜進行分析,可識別出目標的種類、材質及物質組成.

偏振成像技術獲取目標的二維空間信息和偏振信息[2,3].偏振信息獨立于光強度和光譜信息,它能反映目標形貌取向、表面粗糙度、致密度、電導率、含水量等材料理化特征,不同的物體由于其表面特征不同,偏振度會有很大的差異.通過這些差異可增強圖像的對比度,也能用于物質的分類與識別.

這兩種技術都有著非常廣闊的應用前景.例如,氣象預報、環境災害監測、資源調查、星空探索等.因此,世界各國投入了大量的人力、物力,紛紛開展相關理論與器件研究,取得了一系列成果,并有部分儀器發射升空.我國的風云三號衛星、神舟三號飛船、環境一號A衛星、嫦娥一號探月衛星都搭載有成像光譜或偏振成像設備,在我國空間光學遙感領域發揮了不可替代的作用.

近年來,這兩種技術又出現了交叉融合的趨勢,推動著光學遙感技術朝著多維度、多信息融合的方向發展.大量理論及實踐表明,多種光學遙感技術相結合,必將大大增強光學遙感設備地物識別能力,擴展儀器使用范圍,提高儀器工作效率.如果說空間成像、光譜探測、偏振探測融合產生成像光譜和偏振成像技術是空間光學遙感技術的一次飛躍,那么成像光譜與偏振成像技術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發達國家的重視,成為空間光學遙感技術研究與發展的最前沿.

遺憾的是,受基礎原理限制,現有光譜偏振成像方法普遍需要旋轉、電控調制位相延遲器、偏振片,或采用微型偏光元件陣列,結構復雜,制作工藝與裝配難度大,抗振能力及環境適應性差,很難滿足航空航天遙感及野外探測的需要,已成為制約該技術發展與應用的主要障礙[2].因此,必須從探測機理上進行深入研究,提出新的探測方法,才能從根本上解決這一問題.為此,本文作者于2010年首次在國際上提出了基于全光調制的靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像新方法,無需運動、電控調制部件,可實現目標圖像、光譜及全偏振信息的一體化探測[4,5],受到了國際同行的高度評價[6].

本文在原有研究基礎上,給出了靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像具體實現方案,討論分析了新方案的技術原理,進行了計算機模擬驗證,并利用研制成功的原理樣機進行了外場推掃實驗.模擬及實驗結果表明新方法可有效解決成像光譜與偏振成像技術融合存在的一系列問題,為光譜、偏振、圖像三位一體探測提供新的技術途徑;有效提高了儀器探測效率,為具有高光譜、高靈敏度、高穩定度、實時探測等優點的新型空間光學遙感器開發提供基礎理論與技術支持;極大地擴展空間光學遙感設備工作范圍,為地球資源普查(礦產、森林植被、海洋魚類與海藻),環境災害預報與監測(森林草場火災、水澇災害、土地鹽堿化與沙化等),大氣氣溶膠、冰晶云、卷云的探測,大氣與水體污染監測,大氣微量成分分析(溫室氣體、臭氧等),大氣垂直溫度與風場、壓力場探測,深空探測與天體物理研究等領域提供了新的信息獲取手段.

2 系統基本結構及探測原理

本論文提出的靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀結構如圖1所示[4],主要由前置望遠系統,位相延遲器R1,R2,起偏器P,Wollaston棱鏡WP,檢偏器A,二次成像系統及焦平面探測器陣列FPA組成.目標光經前置望遠系統收集、準直之后,進入由R1,R2組成的位相調制模塊進行位相調制.調制后的光通過P變為線偏振光,接著又被WP分解為兩束振幅相等、振動方向互相垂直、傳播方向成一定夾角的線偏振光.兩束線偏振光通過A后,振動方向變為一致,最后被二次成像系統L匯聚到FPA上成像,并產生干涉.

圖1 靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀結構示意圖

利用穆勒矩陣,可以很方便地研究靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀實現目標光譜、偏振探測的原理,其獲得的干涉條紋強度為

其中σ1,σ2為入射光的波數范圍,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WP棱鏡產生的光程差,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,由于位相調制模塊的作用,入射光的四個Stokes參數被調制上了不同的位相因子.對(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).對其進行傅里葉逆變換便可得到入射光的全部四個波長相關Stokes參數:

從物理意義上講,靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀實現全偏振探測的機理是:通過特定的位相延遲器將不同的位相因子分別調制到入射光的四個Stokes參數上,再利用雙光束干涉數學上的傅里葉變換性質將不同的Stokes參數在光程差域上分開,最后對不同光程差位置上的Sokes參數進行解調,便實現了光譜及全部偏振信息的探測.其中的S0(σ)表示入射光總強度的波數分布關系,就是平常所說的光譜信息.

3 計算機模擬實現

為驗證探測原理的有效性,利用計算機對系統進行了模擬.圖2為模擬輸入的入射光波長相關Stokes矢量,波數范圍為25000—10000 cm?1(400—1000 nm).計算得到靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀的干涉強度分布如圖3所示.可以清楚地看到干涉圖分成了七個獨立的通道.對其進行逆傅里葉變換解調,得到的波長相關Stokes矢量如圖4所示,可見其良好地再現了輸入目標光譜.

圖2 模擬輸入的波長相關Stokes矢量

圖3 靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀干涉強度分布模擬計算結果

圖4 模擬解調出的四個波長相關Stokes參數

圖5 靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像原理驗證樣機

4 實驗驗證

為了驗證靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀探測原理的有效性及系統設計方案的可實施性,本課題組研制了靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀原理驗證裝置(Φ80 mm×260 mm)如圖5所示,進行了復色無偏光與線偏振光的測量實驗.驗證裝置采用1280×1024 CMOS相機為接收器,系統工作波段為450—900 nm,光譜分辨率約為105 cm?1(633 nm時為4.3 nm),達到了超光譜分辨能力的要求.圖6為實驗室構造的復色線偏振光成像驗證實驗示意圖.線偏振光則由鹵鎢燈照射可旋轉的線偏振片P產生.

圖7為實驗獲取的復色線偏振光干涉圖,圖8為解調得到的鎢燈光譜及代表入射光全偏振狀態的波長相關Stokes矢量,其中虛線代表理論數據,實線代表實驗解調得到的數據.從圖8中可以發現實驗與理論數據符合較好,在絕大部分波段范圍內準確度優于5%.

圖6 復色線偏振光成像實驗

圖7 復色線偏振光(60°)成像干涉圖

圖8 干涉圖解調復原得到的入射光光譜與偏振譜信息(虛線,理論值;實線,實驗值)

圖9 靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀外場推掃實驗獲取的圖像效果與彩色數碼相機拍攝的真實場景的對比 (a)光譜圖像“數據立方體”;(b)全色450—900 nm全偏振度圖像;(c)彩色數碼相機照片

圖9 為外場推掃實驗獲取的成像光譜“數據立方體”和代表全偏振信息的全色(450—900 nm)全偏振度圖像.

對比圖9(a)—(c)可見,靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像儀外場推掃實驗獲得了非常好的效果.圖9(a)利用光譜數據合成的真彩色強度圖像真實再現了實驗場景;陰影中的黑色汽車在強度圖像中較暗,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立于強度、光譜信息這一特征.另外需要指出的是,由于靜態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,且實驗選用的CCD幀頻很低,當運動目標(如圖9中的騎自行車的行人)沿垂直于推掃方向的運動較快時會出現失真.通過增加CCD幀頻,提高推掃速度可以解決這一問題.

5 結論

本文闡述了新型靜態傅里葉變換超光譜全偏振成像探測的基本原理,給出了新方法的具體實現結構,并從各結構元件的穆勒矩陣出發,推導出了新方案的調制干涉強度數據表達式及Stokes矢量解調公式,分析了新方法實現光譜、全偏振探測的物理過程.對新方案進行了計算機數值模擬驗證,研制了原理驗證樣機,開展了室內、室外驗證實驗.模擬及實驗結果均表明新方案原理正確,技術可行,同時具有無運動部件、電控調制部件,無復雜的微型偏光元件陣列,光通量大,信噪比高,結構簡單緊湊,重量輕、體積小,環境適應性好等諸多優點.

[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)]

[2]Tyo J S,Goldstein D L,Chenault D B,Shaw J A 2006 Appl.Opt.45 5453

[3]Hyde M W,Schmidt J D,Havrilla M J,Cain S C 2010 Opt.Lett.35 3601

[4]Li J,Zhu JP,Wu H Y 2010 Opt.Lett.35 3784

[5]Li J,Zhu J P 2010 China Patent ZL201010127388.3[2010-3-18][李杰,朱京平2010 ZL201010127388.3中國專利2010-3-18]

[6]Craven J 2011 Ph.D.Dissertation(U.S.:the University of Arizona)