强度调制偏振光谱仪傅里叶变换解调原理研究

　　0　引言

　　目标光辐射的偏振、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广阔的应用前景[1-5].偏振光谱信息可用Stokes矢量元素谱完整描述,偏振光谱仪正是通过测量目标的Stokes矢量元素谱获取目标的偏振光谱信息.现有偏振光谱信息获取技术因为测量方法存在缺陷,光谱分辨力及偏振测量精度不高,且只能限定在时间上相对静止或空间上均匀一致的应用领域,偏振、光谱信息在目标特性感知方面的作用没有得到充分发挥[6-7].

　　强度调制偏振光谱仪采用全新的方法获取目标的偏振光谱信息.该方法通过引入偏振光谱调制模块[8],将待测光信号的四个Stokes矢量元素谱调制到不同频率的载波上,调制模块输出的功率谱是各个已调信号的线性叠加.用光谱仪进行一次测量记录该功率谱,再采用适当的解调算法即可将入射光的Stokes矢量元素谱从测量的功率谱中解调出来,实现偏振光谱仪的功能.强度调制偏振光谱仪结构简单、紧凑,无转动部件,只需一次测量即可得到待测目标完整的Stokes矢量元素谱,很好地弥补了现有偏振光谱信息获取技术存在的不足.但是,强度调制偏振光谱仪的解调过程较复杂,需要从类似于“频分多路复用”的信号中解调出各个调制信号.国外有采用线性算子解调算法的研究报道[9],但是算法实现复杂,缺少直观性.该类信号的解调可采用傅里叶变换法[10-11].本文结合强度调制偏振光谱仪实现偏振光谱信息调制的原理,研究将傅里叶变换方法应用于实现其偏振光谱信息解调的完整过程,并对该过程进行了计算机数值模拟,给出了模拟结果和结果分析.

　　1　强度调制偏振光谱仪原理

　　强度调制偏振光谱仪的组成原理如图1.仪器由准直系统、调制器、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;调制器在入射光的波数范围内,产生不同频率的载波信号,分别用来调制入射光的四个Stokes矢量元素谱,并将它们线性叠加到其输出的功率谱中;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四个Stokes矢量元素谱,实现偏振光谱仪的功能.

　　在强度调制偏振光谱仪中调制器是最核心的硬件模块,由两个延迟器和一个检偏器组成.设计安装时延迟器1的快轴方向与延迟器2的块轴方向成45度角,检偏器的透光轴方向与延迟器1的快轴方向平行.调制器的调制原理是解调算法的设计依据.由偏振光学理论可知,入射光在经过调制器前后其Stokes矢量元素谱间的关系可用级联矩阵表示为：