强度调制偏振光谱仪的系统设计

　　1　引　言

　　强度调制是近年来快速发展的一种目标高光谱偏振信息同步获取技术。美国 Aerodyne　Re-search公司的P.Kebabian在20世纪90年代第一次提出了该技术概念[1]。由于偏振光谱信息在地球环境监测、大气气溶胶参数检测、目标识别、材料特性研究以及生物医学等领域具有独特的应用优势[2-6]，该技术一经提出即在美国、日本等发达国家得到积极发展[7-13]。1999年底，日本北海道大学在实验室搭建了基于该技术的偏振光谱仪试验装置，并进行了测量试验;2000年以来，美国的多所大学和研究所在强度调制成像和非成像偏振光谱信息获取技术领域进行了积极的研究和探索;2006年，NASA 开展了强度调制高光谱偏振信息获取技术在气溶胶参数反演方面的应用研究，取得了比较满意的试验结果，同时也针对存在的问题制定了后期的研究计划。中科院安徽光机所在偏振光谱信息获取系统研制及偏振信息解译方法研究领域积累了多年的经验[14-16]。针对目前国内普遍采用的偏振光谱信息获取方法存在的不足，2007年安徽光机所开始进行强度调制偏振光谱信息获取技术的研究工作，在国家相关项目支持下，已经完成了可见光波段的试验台原理实验装置的研制工作，取得了阶段性的研究成果。

　　与传统的偏振光谱信息测量方法相比，强度调制技术的优点主要体现在以下几个方面：一是采用单路光学系统，一次测量即可得到目标的高光谱偏振信息，解决了传统测量方法存在的时间配准或空间配准问题，有效提高了偏振测量精度;二是可以获取目标圆偏振和完整的高光谱偏振信息;三是获取系统无转动部件，硬件结构简单可靠，易于工程化，其性能主要由全新的调制解调机理及系统中选用的光谱仪性能决定。因此，调制器设计、光谱仪选型及解调算法设计是整个系统设计的关键。本文针对强度调制偏振光谱仪系统设计进行了探讨，给出了设计实验结果。

　　2　基本原理

　　强度调制偏振光谱仪系统结构原理如图1所示。

　　强度调制偏振光谱仪由准直系统、调制器、光栅光谱仪和计算机组成。其中，准直系统将入射光变成平行光后垂直正入射到调制器;调制器由两块延迟器和一块检偏器组成，延迟器1的快轴方向与延迟器2的快轴方向成45°;检偏器的透光轴方向与延迟器1的方向平行;光栅光谱仪用来测量调制器输出的功率谱;计算机执行解调算法程序从功率谱数据中解调出入 射 光的 4 个Stokes矢量元素谱，从而实现偏振光谱仪的功能。其原理的数学描述如下：

　　由偏振光学理论及矩阵的级联计算方法，可以得到调制器输出功率谱P(σ)的表达式如下[17]：