空间信息、光谱信息和偏振信息的同步获取将获得更多易于区分目标的特征信息。针对传统光谱偏振成像技术需要动态调制、光通量低、光谱分辨率有限和解算复杂等问题, 提出了一种基于光纤传像束和像元级偏振探测器的成像新模式, 将光纤成像光谱技术和像元级偏振信息快速提取技术结合, 以快照式方式同步获取目标的二维空间信息、一维光谱信息和四个角度的偏振信息。结合系统模型, 搭建了实验装置, 获取了 430~630nm(光谱分辨率约 1nm)的 200个谱段 4个角度的光谱偏振图像, 以及每个谱段的偏振度和偏振角。验证了该系统的光谱偏振成像数据同步获取能力, 技术原理正确可行, 未来将在天文观测、大气探测和目标识别等领域具有较高的应用价值。

针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)和液晶可变延迟器(Liquid crystal variable retarder, LCVR)的光谱偏振成像测量精度影响大, 且整个系统实现复杂等缺点; 考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小, 结合AOTF高光谱成像的优点, 提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理, 并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动, 进而分析了该波动对偏振测量的影响, 并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机, 对450~950 nm波段进行了偏振测量, 修正后偏振度测量误差≤1%, 对偏振方向的测量偏差≤1.8°, 以633 nm为例, 对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验, 结果表明, 该新技术原理正确, 修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。

为了同时获取目标光谱和偏振信息,基于正交双偏振法和声光可调谐滤光器,设计了一套分孔径同时式高光谱偏振成像系统。从高光谱偏振成像原理出发,介绍了成像系统的结构设计、光学设计和机械设计,利用穆勒矩阵理论对系统成像过程进行了分析。利用所设计的成像系统对三种伪装网和灌木丛进行检测分类实验。实验结果表明:伪装网与灌木丛的高光谱偏振特性存在较大差异,将光谱信息和偏振信息结合起来有利于提高检测能力和分类准确性;分孔径同时式高光谱偏振成像系统是一种有效、紧凑且可实时探测的高光谱偏振成像系统。

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、 测量精度低、 系统结构复杂等特点, 提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。 从AOTF和LCVR的工作原理出发, 介绍了系统的基本探测原理; 根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法——该方法选取四个固定的LCVR控制电压, 同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制, 得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。 此外, 设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器, 并对其进行定标, 实现了不同波长下光波的精确调制。 搭建实验样机, 以偏振方向分别为0°, 90°和45°的三个偏振片P1, P2, P3作为偏振测量目标, 测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图; 以画有夹角为30°的红色、 绿色、 蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标, 对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像, 得到了与红色、 绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。 结果表明, 该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量, 而且系统结构简单、 成像质量良好。

传统的偏振成像技术存在偏振成像实时性差、多光谱偏振成像困难和无法实现高光谱偏振成像等问题。针对这些问题，提出了一种新的基于信号调制解调理论的偏振成像理论，并根据该理论提出了一种基于光栅色散的光谱调制型高光谱偏振成像仪。该偏振成像仪首先测得被偏振调制过的光谱信号，再经过频域滤波与反演计算获得高光谱图像与偏振图像，因此该偏振成像仪可实现高光谱全偏振成像,并且可将高光谱成像与偏振成像完美融合。通过仿真实验验证了所提偏振成像仪在理论上的正确性。

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多, AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统，压缩被测目标视场角，使其满足AOTF视场角要求，并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF，以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF，在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关，可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系，进而得到CCD像元与中心波长的关系，并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明，修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级，且成像清晰，提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。

为了实现声光可调滤波器(AOTF)和液晶可调相位延迟器(LCVR)相结合的新型高光谱偏振成像系统全Stokes参量的快捷准确获取,提出了一种新的测量方法。该方法采用一个驱动信号源同时控制系统中两个LCVR，当LCVR在不同波长下进行相位调制时，依次取４个固定的驱动电压，求得不同波长下LCVR1和LCVR2的４组相位延迟，通过相应的数学计算即可快速精确求得目标光全部Stokes参量。波长为632 nm时，以偏振方向分别为0°、90°、45°的偏振片和1/4波片为目标物，毛玻璃为背景，通过系统成像后获取了全部Stokes参量的图像。结果表明，该测量方法不仅可以快速准确地获取目标物全部Stokes参量，而且系统成像质量良好。对532 nm波长下的真假树叶进行高光谱偏振成像，进一步验证了该测量方法的快捷准确和系统的可靠性。理论分析了影响Stokes参量测量精度的因素，为提高系统测量精度提供了理论基础。

为了提高光谱偏振调制器的探测精度, 提出了光谱偏振调制器的高精度装调方法。首先, 分析了光谱偏振调制器的调制原理, 提出了采用三片多级相位延迟器加线偏振器的装调方案; 然后, 建立了调制器装调的数理模型, 设计了校准多级相位延迟器的厚度; 最后, 对成像过程进行了计算机仿真实验验证, 并模拟了成像系统的装调过程。结果表明: 利用该方法能够灵敏检测偏振器件间的微小相对旋转角度误差, 可实现调制器的高精度装调, 在输入本文设定的校准光谱条件下, 绝对精度可达02°。该方法保留了传统光谱调制器充分利用通道带宽的优势, 保证了复原光谱的分辨率, 为强度调制型光谱偏振成像系统的精密装调提供了一定的理论参考。