基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法 下载: 1110次
1 引言
干涉光谱成像技术是结合光谱处理技术和成像技术的多维信息获取处理技术,可获得目标的二维空间信息及一维光谱信息,得到三维数据立方体,且具有高通量和多通道的优点[1-3]。干涉型高光谱偏振成像技术在干涉光谱成像技术的基础上,实现偏振信息的测量,能够在获取目标三维数据立方体的同时,获得目标的第四维偏振信息。通过分析多维信息可以更好地对目标进行识别鉴定,该高新光学探测技术在天文物理研究、地球资源普查和生物医学等领域具有巨大的发展潜力[4-6]。近年来,国内外研究人员对干涉型高光谱偏振成像技术进行了深入的研究,提出了各具特色的技术方案。Oka等[7]提出了一种通道调制光谱偏振探测技术,通过在光谱探测系统中加入由一个线偏振片和两个相位延迟片组成的偏振调制器,在不同光程差处获得不同偏振态组合的干涉信息,提取各通道的干涉信息进行光谱反演,组合分析后可得到探测目标的全Stokes光谱偏振信息[8]。但由于将干涉采样空间分为不同的偏振通道,降低了系统光谱成像的空间分辨率,每个通道的光程差受到限制,且干涉信息之间存在混叠,降低了系统的光谱分辨率。Goldstein等[9]搭建了一种分时调制的偏振探测装置,通过多次旋转相位延迟器的光轴方向,改变系统Muller调制矩阵,采集多组光强信息进行解算处理,得到探测目标的偏振信息。该系统需要动态调制,无法实现偏振信息的实时探测。此类偏振技术与光谱探测技术相结合,可同步获取光谱信息和偏振信息,但也使得光谱偏振成像系统普遍存在系统结构复杂、需要动态调制等问题。Gupta等[10]研制了一种基于AOTF声光调制和LCVR电控液晶调制的光谱偏振成像系统,同样存在探测时间长和系统透光效率低的缺点。Pezzaniti等[11]提出一种基于孔径分割的偏振成像方法,该方法通过在探测器靶面上获得4个视场相同、偏振态不同的目标场景图像实现实时偏振成像。但该系统需要引入由准直物镜、微透镜阵列和偏振阵列组成的中继成像系统,结构复杂,且光谱成像空间分辨率仅为探测器全分辨率的1/4。另外,国内多家研究机构也对干涉光谱成像以及光谱偏振成像技术进行了大量研究[12-22]。
针对光谱技术与偏振技术的快速融合以及光谱偏振测量过程中光谱成像空间分辨率降低的问题,本文提出一种双通道剪切高分辨率光谱与偏振成像方法。基于剪切干涉光谱成像方法,提出利用双矩形横向剪切干涉器实现双通道剪切干涉,两个通道分别进行高分辨率干涉光谱成像以及光谱偏振成像探测。在光谱偏振成像通道中,利用微偏振阵列进行偏振调制,实现光谱信息与偏振信息的同步快速探测。
2 双通道高光谱偏振成像原理
2.1 双通道剪切干涉光谱成像原理
双通道干涉成像系统在无限远成像系统中加入双矩形横向剪切分束器。双矩形横向剪切分束器的两个通道分别对入射光线进行横向剪切,引入光程差信息。每个通道的出射光可分别在像面上得到探测目标通过自相关调制的干涉图像,利用光谱信息与干涉信息之间的傅里叶变换关系获得目标光谱信息。如
成像物镜L1的后焦面与L2的前焦面重合,目标光线经过由L1和L2组成的前置光学系统后被准直为平行光进入横向剪切系统。双通道剪切干涉装置由两个分束镜BS1和BS2与4个反射镜M1、M2、M3和M4组成,光线在双通道剪切器中的传播路径形成两个矩形,如
图 1. 双通道横向剪切干涉光谱成像原理示意图
Fig. 1. Schematic of dual-channel lateral shearing interferometric spectral imaging
图 2. 双矩形横向剪切分束器光路展开示意图
Fig. 2. Unfolded optical layout of dual-rectangle lateral shearing beam splitter
这种结构的横向剪切干涉仪的优点是能够在产生光束横向剪切的同时使光路分开,光线在同一分束膜处只通过一次,因此不会产生回溯光,能够充分利用入射光能量。另外,该横向剪切干涉仪充分利用双通道优势,可实现目标的光谱和偏振多项特征的同步测量。
目标上不同的物点对应不同入射角
双矩形剪切干涉器中,两路光线经过分束镜BS2后形成双通道横向剪切光束,由于存在一路光线由空气介质入射到分束镜介质,因此反射光线存在π相位变化,导致两个通道的干涉数据具有相位相反的特点,相位相反不影响光谱复原结果。像面上得到的干涉光强分布为
式中
在M3和M4的偏移量
系统采用整体推扫方式进行干涉数据采集时,获得的干涉图像中干涉条纹位置不变,场景位置横向平移。提取某一物点对应的干涉数据时,需要对干涉图像进行处理,以确保从每幅干涉图上提取的干涉数据属于同一个物点。整体推扫方式下干涉数据的采集过程如
2.2 基于微偏振阵列调制的光谱偏振成像原理
双通道干涉高光谱成像系统的光谱偏振通道中,在探测器靶面前放置微偏振阵列(MPA)作为偏振调制器实现光谱偏振信息测量,如
图 5. 基于微偏振阵列的光谱偏振成像方法示意图。(a) 干涉偏振成像示意图;(b)线偏振子图像重构
Fig. 5. Schematic of imaging spectropolarimeter based on mirco-polarization array. (a) Schematic of polarization interference imaging; (b) reconstruction of line polarization sub-images
首先,线偏振器的Muller矩阵为
式中
由(4)式可知,目标光线通过偏振方向为0°的线偏振片后出射Stokes矢量为
式中[
目标光线通过偏振方向为90°的线偏振片后出射Stokes矢量为
目标光线通过偏振方向为135°的线偏振片后出射Stokes矢量为
探测器只能探测到调制光束的光强分量。光束经过微偏振阵列调制后,由(6)~(8)式可知,每个偏振调制单元的4个线偏振子单元采集到4个光强信息[
对采集到的干涉光强信号进行傅里叶变换处理,由(9)式即可得到探测目标各偏振分量的光谱强度
3 实验与分析
在研究系统干涉调制原理以及偏振调制原理的基础上,搭建了
3.1 高分辨率光谱图像复原
在整体推扫工作方式下对目标场景进行成像实验,高分辨率干涉光谱成像通道采集到3000幅干涉图像。对实验采集到的干涉图像序列进行1/100 pixel精度的配准处理[23],经过快速亚像素图像配准处理后的干涉图像序列如
图 7. 探测目标与系统获取的干涉图像。(a)实验目标场景;(b)(c)(d)干涉图像
Fig. 7. Target and interference images. (a) Experimental target scene; (b)(c)(d) interference images
图 8. 点A的光谱复原过程示意图。(a)配准后的干涉图序列;(b)从干涉图序列中提取的点A的干涉信息;(c)实验系统以及海洋光学USB4000分别获取的点A的光谱信息
Fig. 8. Spectral reconstruction of point A. (a) Interference image sequence after registration; (b) interferogram of point A extracted from the interference image sequence; (c) spectrum of point A obtained by the proposed method and the USB4000
可以看出配准后的图像序列具有背景图像位置不变、干涉条纹位置移动的特点。在此基础上,提取干涉图序列中同一位置像点
对干涉图像中所有像点分别进行光谱信息复原,即可获得整个探测场景的光谱图像。
3.2 光谱偏振图像复原
光谱偏振测量通道采集到探测场景的干涉图如
同样通过横向推扫实现对实验场景中各目标点的光程差调制。实验系统扫描过程中,探测器采集到2000多幅干涉序列图像。根据微偏振阵列的调制原理,分别提取4个线偏振通道的光强信息组成4个线偏振子图像,如
由于场景中偏振眼镜右侧镜片的光轴方向与微偏振阵列中0°线偏振子单元的透光轴方向一致,因此图像中右侧镜片区域的光强在90°线偏振子图像中最弱,在0°线偏振子图像中最强。实验结果与理论分析结果吻合,初步验证了基于微偏振阵列的偏振调制方案的可行性。
为了进一步验证本文所研究方法的光谱偏振成像特性,利用傅里叶变换算法对干涉数据进行光谱复原。首先,对横向推扫成像获得的干涉图像序列进行亚像素配准处理,分别提取探测场景中物点
图 12. 点A不同线偏振态的光谱复原曲线
Fig. 12. Reconstructed spectra curves of point A at four linear polarization states
根据(10)式可知,通过探测目标的4种线偏振态光谱信息可得到其前3个Stokes偏振分量的光谱信息。同样以点
利用上述方法对目标图像中所有像素点进行分析,得到3个Stokes分量对应的光谱偏振图像,
图 13. 4种线偏振态光谱复原图像
Fig. 13. Reconstructed spectral images at four linear polarization states
4 结论
针对光谱技术与偏振技术的快速融合以及光谱偏振测量过程中光谱成像空间分辨率降低的问题,提出一种双通道剪切高分辨率光谱与偏振成像方法,实现了光谱偏振成像以及高空间分辨率光谱成像双模态同步探测。
所提出的系统具有较高的能量利用效率。不同于共光路系统,双矩形横向剪切分束器采用非共光路结构。光经过第一个分束镜后沿两路行进,每一路光在同一分束镜处只通过一次,避免产生返回光源的光线,最终每个通道获得与共光路系统相等的光通量。基于剪切干涉光谱成像方法,提出利用双矩形干涉器实现双通道剪切干涉。一个通道进行高分辨率干涉光谱成像,另一个通道进行光谱偏振成像探测。在光谱偏振成像通道中,在探测器靶面前加入微偏振阵列进行偏振调制,实现光谱信息与偏振信息的同时快速探测。系统在实现快速获取偏振图像的同时,兼顾光谱成像的空间分辨率。相比于传统光谱偏振成像方法,避免了获取目标偏振信息时光谱图像的空间分辨率的降低。在两个通道的探测器像元尺寸相同的情况下,系统可保持光谱图像空间分辨率为偏振图像的4倍。
详细论述了双通道横向剪切干涉器的原理以及设计方法,阐述了光谱复原方法,详细讨论了光谱偏振融合成像原理。搭建实验系统,对实际目标场景进行探测实验,结合实验结果论述了光谱与偏振信息提取和复原等数据处理过程。实验结果表明,提出的光谱偏振成像系统可准确有效地进行目标的光谱成像探测,并获得目标的2个Stokes偏振分量,且在获取偏振信息的同时,保持光谱成像的高空间分辨率。
此外,双通道系统还有很多优点,如两个通道可分别用于不同谱段探测,一路可用于接收可见光波段的信息,另一路可用于接收红外波段的信息;两个通道也可用来进行视场分割,从而扩大系统空间维的视场,拓展仪器的应用范围;还可分别获取相同目标不同视角图像,实现立体成像探测。系统的多通道、高空间分辨率以及光谱和偏振的快速融合等优势,使其在高光谱偏振成像领域极具发展前景。
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刘成淼, 李建欣, 朱日宏, 崔向群. 基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法[J]. 光学学报, 2017, 37(10): 1011002. Chengmiao Liu, Jianxin Li, Rihong Zhu, Xiangqun Cui. Interferometric Imaging Spectropolarimeter Using Dual-Channel Lateral Shearing Beam Splitter[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(10): 1011002.