大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng),由積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片、偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)組成。該定標(biāo)系統(tǒng)采用積分球、平行光管、光闌、干涉濾光片和PSG產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振定標(biāo)源,利用該定標(biāo)源產(chǎn)生的小視場(chǎng)、小口徑的平行光束,通過(guò)分視場(chǎng)、分步線(xiàn)性擬合的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振定標(biāo)。本發(fā)明具有對(duì)大視場(chǎng)偏振光譜儀進(jìn)行全視場(chǎng)偏振定標(biāo)的能力,定標(biāo)過(guò)程中采用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,大大提高了大視場(chǎng)成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于地基的半球視場(chǎng)下對(duì)天空光進(jìn)行全偏振多譜段成像探測(cè)的偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]長(zhǎng)期以來(lái),各國(guó)許多科學(xué)家們都致力于天空光的相關(guān)研究,早期主要專(zhuān)注于解釋天空光的現(xiàn)象,例如天空的顏色、彩虹等。在1809年Arago發(fā)現(xiàn)了天空光的偏振現(xiàn)象以后,天空光的偏振特性研究開(kāi)始受到一些科學(xué)家的重視。大量研究表明,天空光偏振分布信息在航空導(dǎo)航、天氣預(yù)測(cè)、云層分析和對(duì)地信息補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄种匾膬r(jià)值。而能否精確的探測(cè)到天空光的偏振分布信息取決于探測(cè)系統(tǒng)的偏振定標(biāo)精度。偏振定標(biāo)指的是建立成像光譜偏振探測(cè)系統(tǒng)每個(gè)探測(cè)單元的輸出信號(hào)與該單元對(duì)應(yīng)的實(shí)際地物偏振信息之間的定量關(guān)系,建立每一個(gè)像元的輻射響應(yīng)度公式和偏振響應(yīng)度的儀器矩陣,偏振定標(biāo)的最終目的是為了根據(jù)成像偏振探測(cè)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)能精確得到目標(biāo)反射光的偏振特性。偏振定標(biāo)需要定標(biāo)的是系統(tǒng)的儀器矩陣。
[0003]在偏振定標(biāo)的過(guò)程中,需要一個(gè)偏振光源,它能夠產(chǎn)生定標(biāo)過(guò)程中所需要的不同的偏振態(tài)。目前常用的偏振光源通常是由平行光源、偏振片和波片組成,通過(guò)調(diào)整偏振片的透偏方向和波片的光軸方向就可以在0°視場(chǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生任意偏振態(tài)的偏振光束。在該平行偏振光束后加入保偏擴(kuò)散器和準(zhǔn)直透鏡后,可以將偏振光擴(kuò)束至14°?36°視場(chǎng)范圍內(nèi)。但是由于待定標(biāo)系統(tǒng)是半球視場(chǎng)偏振光譜儀,它的視場(chǎng)角是180°,所以在定標(biāo)的過(guò)程中要保證偏振光源產(chǎn)生的偏振光束的視場(chǎng)范圍覆蓋待定標(biāo)系統(tǒng)的全部視場(chǎng)??墒窃诂F(xiàn)有的條件下,找不到視場(chǎng)覆蓋范圍能夠達(dá)到半球視場(chǎng)的光源,因此這種傳統(tǒng)的偏振定標(biāo)方法對(duì)于大視場(chǎng)的偏振光譜儀是不可行的。
[0004]綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有提出一種明確的、高精度的偏振定標(biāo)系統(tǒng),對(duì)半球視場(chǎng)的偏振光譜儀進(jìn)行精確的偏振定標(biāo)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種新型的大視場(chǎng)偏振精度定標(biāo)系統(tǒng),該定標(biāo)系統(tǒng)可以對(duì)半球視場(chǎng)成像偏振光譜系統(tǒng)進(jìn)行全視場(chǎng)偏振定標(biāo),定標(biāo)過(guò)程中采用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,大大提高了大視場(chǎng)成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。
[0006]本發(fā)明一種大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng),其技術(shù)解決方案:該系統(tǒng)包括下列部件:
[0007]積分球,位于整個(gè)定標(biāo)系統(tǒng)的最前端,用于提供波段為350nm-2500nm范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源;
[0008]平行光管,位于積分球的后面,將積分球發(fā)出的光源準(zhǔn)直,產(chǎn)生平行面光源;
[0009]光闌,位于平行光管的后面,限制平行面光源的出射孔徑,使得平行面光源以一定的孔徑入射到后續(xù)定標(biāo)系統(tǒng);[0010]干涉濾光片,位于光闌后面,對(duì)入射光進(jìn)行濾光,其中心波長(zhǎng)和波段的選擇與待定標(biāo)的偏振系統(tǒng)有關(guān);
[0011]偏振態(tài)發(fā)生器,位于干涉濾光片后面,由精確線(xiàn)偏振片和精確波片兩部分組成,通過(guò)旋轉(zhuǎn)線(xiàn)偏振片和波片,能夠產(chǎn)生6種標(biāo)準(zhǔn)偏振光源,即O度、45度、90度、135度線(xiàn)偏振光源和左、右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械精度為I,,產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。入射光經(jīng)過(guò)偏振態(tài)發(fā)生器后,能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振光源;
[0012]保偏擴(kuò)散器,位于偏振態(tài)發(fā)生器之后,通過(guò)采用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)保偏作用,將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去,并保持出射光與入射光的偏振態(tài),其保偏性能優(yōu)于99% ;
[0013]準(zhǔn)直透鏡,位于保偏擴(kuò)散器之后,其焦距和直徑的選取與待定標(biāo)偏振系統(tǒng)的通光孔徑、視場(chǎng)角以及保偏擴(kuò)散器上的光斑孔徑有關(guān);
[0014]電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),將待定標(biāo)的系統(tǒng)放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng),使偏振光源與待定標(biāo)系統(tǒng)之間的相對(duì)角度發(fā)生變化,從而完成在定標(biāo)過(guò)程不同視場(chǎng)的偏振光源的要求。電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度是2',滿(mǎn)足定標(biāo)系統(tǒng)的要求。
[0015]計(jì)算機(jī),通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制,采集定標(biāo)過(guò)程中的圖像數(shù)據(jù),利用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到偏振系統(tǒng)的定標(biāo)結(jié)果。
[0016]本發(fā)明的工作原理為:積分球產(chǎn)生均勻的入射光,經(jīng)平行光管準(zhǔn)直,通過(guò)濾光片、偏振態(tài)發(fā)生器后產(chǎn)生相應(yīng)光譜范圍內(nèi)的特定偏振狀態(tài)的平行光光,再經(jīng)過(guò)保偏擴(kuò)散器和準(zhǔn)直透鏡之后,產(chǎn)生小視場(chǎng)范圍的偏振光源,能夠?qū)?yīng)大視場(chǎng)偏振光譜儀的一部分視場(chǎng)。由于偏振光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)是軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的,所以CCD成像面上各像素的儀器矩陣也是以成像面中心O點(diǎn)呈軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的,即像面上與O點(diǎn)距離相等的各個(gè)像素點(diǎn)的儀器矩陣是相同的。因此理論上只需對(duì)CXD成像面上任一半徑OR上的各像素點(diǎn)的儀器矩陣進(jìn)行定標(biāo),即可推算出整個(gè)CXD成像面上所有像素點(diǎn)的儀器矩陣?;诖硕?biāo)原理,本文提出一種分視場(chǎng)、分步線(xiàn)性擬合的偏振定標(biāo)方法。定標(biāo)的基本方法:在初始視場(chǎng)下,使偏振定標(biāo)系統(tǒng)與待定標(biāo)的系統(tǒng)之間的角度為O度,即將偏振光源的光軸與系統(tǒng)的光軸對(duì)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)精確偏振片和精確波片使得入射光分別轉(zhuǎn)換為6種偏振態(tài)的偏振光,利用線(xiàn)偏振光定標(biāo)儀器矩陣的前三列,利用圓偏振光(或橢圓偏振光)定標(biāo)儀器矩陣第四列,完成一個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的偏振定標(biāo)。之后通過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)偏振系統(tǒng)和待定標(biāo)系統(tǒng)之間的相對(duì)角度,在不同的視場(chǎng)下,重復(fù)上述操作,完成全視場(chǎng)的定標(biāo)。定標(biāo)過(guò)程中采用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成對(duì)半球視場(chǎng)的偏振光譜儀的偏振定標(biāo),大大提高了大視場(chǎng)成像偏振光譜儀的偏振定標(biāo)精度。定標(biāo)出儀器矩陣之后,將若干組偏振態(tài)的光源(不同于定標(biāo)時(shí)采用的偏振態(tài))入射到定標(biāo)后的偏振探測(cè)系統(tǒng)上,將系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果與入射光偏振態(tài)相比,即可求得偏振定標(biāo)精度。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有定標(biāo)技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)在沒(méi)有半球視場(chǎng)的偏振光源的條件下,利用分視場(chǎng)的定標(biāo)方法,解決了半球視場(chǎng)偏振光譜儀全視場(chǎng)定標(biāo)的問(wèn)題。
[0019](2)利用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,提高了偏振定標(biāo)精度。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成原理框圖;
[0021]圖2為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)偏振光源示意圖;[0022]圖3為本發(fā)明的定標(biāo)過(guò)程中CXD成像面X方向上的定標(biāo)區(qū)域示意圖;
[0023]圖4為本發(fā)明的定標(biāo)CXD成像面上視場(chǎng)矩形;
圖5為本發(fā)明的偏振定標(biāo)流程圖。
[0024]圖中具體標(biāo)號(hào)如下:
[0025]1、積分球2、平行光管3、光闌
[0026]4、干涉濾光片 5、偏振態(tài)發(fā)生器 6、保偏擴(kuò)散器
[0027]7、準(zhǔn)直透鏡 8、待定標(biāo)系統(tǒng) 9、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)
[0028]10、計(jì)算機(jī)
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0030]如圖1所示,本發(fā)明包括:積分球1、平行光管2、光闌3、干涉濾光片4、偏振態(tài)發(fā)生器5、保偏擴(kuò)散器6、準(zhǔn)直透鏡7、待定標(biāo)系統(tǒng)8、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)9、計(jì)算機(jī)10。首先,將偏振光源的光軸與系統(tǒng)的光軸對(duì)準(zhǔn),如圖2中的光源位于位置I時(shí)的定標(biāo)光路示意圖所示(沿著系統(tǒng)光軸,光線(xiàn)傳播的方向規(guī)定為Z軸,垂直于Z軸的平面規(guī)定為XOY面,根據(jù)左手定則建立坐標(biāo)系)。利用該位置下的定標(biāo)系統(tǒng)對(duì)C⑶成像面上沿X軸方向上0°~8。視場(chǎng)內(nèi)的矩形Al中的每個(gè)像素進(jìn)行偏振定標(biāo),如圖3所示。然后,以系統(tǒng)第一片透鏡的頂點(diǎn)為圓心,以該圓心至光源中心的距離為半徑,將光源在Xz平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)18°至位置2,如圖2所示。轉(zhuǎn)動(dòng)前后的視場(chǎng)重合角度為2°,對(duì)8°~24°視場(chǎng)內(nèi)的矩形A2中每個(gè)像素進(jìn)行偏振定標(biāo),如圖3所示。將光源繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),每轉(zhuǎn) 動(dòng)一次,完成一次16°視場(chǎng)范圍內(nèi)的特定矩形區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素的偏振定標(biāo)。將光源轉(zhuǎn)動(dòng)5次之后,便完成了 0°~+90°視場(chǎng)范圍內(nèi)的矩形A1至A6區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的偏振定標(biāo),如圖4所示。由矩形A1至A6所組成的矩形MNN’ M’沿X軸方向的長(zhǎng)度為350個(gè)像素大小,等于CCD成像面的半徑值,該矩形內(nèi)任意一個(gè)的像素的儀器矩陣為
【權(quán)利要求】
1.大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng),其特征在于:包括下列部分: 積分球,位于整個(gè)定標(biāo)系統(tǒng)的最前端,用于提供波段為350nm-2500nm范圍內(nèi)均勻穩(wěn)定的光源; 平行光管,位于積分球的后面,將積分球發(fā)出的光源準(zhǔn)直,產(chǎn)生平行面光源; 光闌,位于平行光管的后面,限制平行面光源的出射孔徑,使得平行面光源以一定的孔徑入射到后續(xù)定標(biāo)系統(tǒng); 干涉濾光片,位于光闌后面,對(duì)入射光進(jìn)行濾光,其中心波長(zhǎng)和波段的選擇與待定標(biāo)的偏振系統(tǒng)有關(guān); 偏振態(tài)發(fā)生器,位于干涉濾光片后面,由精確線(xiàn)偏振片和精確波片兩部分組成,通過(guò)旋轉(zhuǎn)線(xiàn)偏振片和波片,能夠產(chǎn)生6種標(biāo)準(zhǔn)偏振光源,即O度、45度、90度、135度線(xiàn)偏振光源和左、右旋圓偏振或橢圓偏振光源。其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械精度為T(mén),產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)偏振光源的Stokes參數(shù)精度為0.001。入射光經(jīng)過(guò)偏振態(tài)發(fā)生器后,能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏振光源; 保偏擴(kuò)散器,位于偏振態(tài)發(fā)生器之后,通過(guò)采用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)保偏作用,將入射光以一定角度均勻發(fā)散出去,并保持出射光與入射光的偏振態(tài),其保偏性能優(yōu)于99% ; 準(zhǔn)直透鏡,位于保偏擴(kuò)散器之后,其焦距和直徑的選取與待定標(biāo)偏振系統(tǒng)的通光孔徑、視場(chǎng)角以及保偏擴(kuò)散器上的光斑孔徑有關(guān); 電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),將待定標(biāo)的系統(tǒng)放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng),使偏振光源與待定標(biāo)系統(tǒng)之間的相對(duì)角度發(fā)生變化,從而完成在定標(biāo)過(guò)程不同視場(chǎng)的偏振光源的要求。電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度是2',滿(mǎn)足定標(biāo)系統(tǒng)的要求。 計(jì)算機(jī),通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制,采集定標(biāo)過(guò)程中的圖像數(shù)據(jù),利用分步線(xiàn)性擬合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到偏振系統(tǒng)的定標(biāo)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)偏振光譜儀的偏振精度定標(biāo)系統(tǒng),其特征在于:提出一種分視場(chǎng)、分步線(xiàn)性擬合的偏振定標(biāo)方法,使得系統(tǒng)在沒(méi)有大視場(chǎng)的偏振光源的情況下,依然能夠精確地對(duì)大視場(chǎng)偏振光譜儀進(jìn)行偏振定標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01J3/447GK103776535SQ201410022417
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】張穎, 趙慧潔, 師少光, 宋平 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)