留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

光谱偏振调制器的高精度装调方法

王东 颜昌翔 张军强

王东, 颜昌翔, 张军强. 光谱偏振调制器的高精度装调方法[J]. 中国光学, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
引用本文: 王东, 颜昌翔, 张军强. 光谱偏振调制器的高精度装调方法[J]. 中国光学, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
WANG Dong, YAN Chang-xiang, ZHANG Jun-qiang. High accuracy alignment of spectral-polarimetric modulator[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
Citation: WANG Dong, YAN Chang-xiang, ZHANG Jun-qiang. High accuracy alignment of spectral-polarimetric modulator[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144

光谱偏振调制器的高精度装调方法

doi: 10.3788/CO.20160901.0144
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A103);中科院长春光机所创新资助项目(No.Y4CX1SS143)
详细信息
    通讯作者: 王东(1989-),男,吉林榆树人,硕士研究生,2013年于哈尔滨工业大学获得学士学位,主要从事光谱偏振成像仪器研制和设计方面的研究。E-mail:wangdong718@126.com颜昌翔(1973-),男,湖北洪湖人,博士后,研究员,2001年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。E-mail:yancx@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TP731

High accuracy alignment of spectral-polarimetric modulator

  • 摘要: 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。
  • 图  1  偏振光谱强度调制原理图

    Figure  1.  Principle of polarimetric spectral intensity modulation

    图  2  调制器装调原理示意图

    Figure  2.  Alignment principle of the modulator

    图  3  偏振器件存在角度误差时两种方法调制光谱频谱对比

    Figure  3.  Contrast of the frequency spectrum when the polarizing devices exist angle errors

    图  4  传统成像方法下0.5°失调量下仿真结果

    Figure  4.  Simulation results when the misalignment is 0.5° by the conventional method

    图  5  失调量为0.5°下系统的装调过程

    Figure  5.  System alignment process when the misalignment is 0.5°

    图  6  不同失调量下装调过程中频谱的变化

    Figure  6.  Change of the frequency spectrum under different misalignments

    表  1  校准前后均方差的比较

    Table  1.   Comparison of variance before and after calibration

    Δ0Δ1Δ2Δ3
    校准前1.99×10-50.001 80.011 20.031 4
    校准后1.95×10-56.52×10-51.82×10-4 2.77×10-4
    下载: 导出CSV

    表  2  不同角度误差时不同通道频谱与中心通道频谱的高度比

    Table  2.   Height ratio of different channel frequency spectra and center channel frequency spectra in different angle error

    0.1°0.2°0.3°0.4°0.5°0.6°0.7°0.8° 0.9°1.0°
    hA/h00.000 70.001 40.002 20.002 90.003 7 0.004 50.005 20.006 00.006 70.007 5
    hR1,max/h00.000 40.000 70.001 10.001 5 0.001 80.002 20.002 60.003 00.003 40.003 7
    hR2/h00.000 70.001 40.002 20.002 9 0.003 70.004 40.005 20.006 00.006 70.007 5
    下载: 导出CSV
  • [1]

    [1] PACE E,GAMBICORTI L,GHERARDI A,et al..An imaging spectropolarimeter for next UV space telescopes[J].SPIE,2008,7011:70111Z.
    [2] 李淑军,姜会林,朱京平,等.偏振成像探测技术发展现状及关键技术[J].中国光学,2013,6(6):803-809.LI SH J,JIANG H L,ZHU J P,et al..Development status and key technologies of polarization imaging detection[J].Chinese Optics,2013,6(6):803-809.(in Chinese)
    [3] 孙晓兵,乔延利,洪津.可见和红外偏振遥感技术研究进展及相关应用综述[J].大气与环境光学学报,2010,5(3):175-189.SUN X B,QIAO Y L,HONG J.Review of polarization remote sensing techniques and applications in the visible and infrared[J].J.Atmospheric and Environmental Optics,2010,5(3):175-189.(in Chinese)
    [4] 杨中光,周军,黄河,等.偏振导航传感器测角误差分析与补偿[J].光学精密工程,2014,22(6):1424-1429.YANG ZH G,ZHOU J,HUANG H,et al..Analysis and compensation if angle errors of polarization navigation sensors[J].Opt.Precision Eng.,2014,22(6):1424-1429.(in Chinese)
    [5] ZHAO Y Q,GONG P,PAN Q.Object detection by spectropolarimetric imagery fusion[J].IEEE Transctions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(10):3337-3345.
    [6] 徐参军,赵劲松,蔡毅,等.红外偏振成像的几种技术方案[J].红外技术,2009,31(5):262-266.XU C J,ZHAO J S,CAI Y,et al..Several schemes of infrared polarization imaging[J].Infrared Technology,2009,31(5):262-266.(in Chinese)
    [7] 崔文煜,张运杰,易维宁,等.多角度偏振辐射计系统设计与实现[J].光学学报,2012,32(8):0828003.CUI W Y,ZHANG Y J,YI W N,et al..System design and implementation of multi-angle polarimeter[J].Acta Optica Sinica,2012,32(8):0828003.(in Chinese)
    [8] OKA K,KATO T.Spectroscopic Polarimetry with a Channeled Spectrum[J].Opt.Lett.,1999,24:14751477.
    [9] IANNARILLI F J,JONES S H,et al..Polarimetric-spectral intensity modulation(P-SIM):enabling simultaneous hyperspectral and polarimetric imaging[J].SPIE,1999,3698:474-481.
    [10] 李杰,朱京平,齐春,等.静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术[J].物理学报,2013,62(4):044206.LI J,ZHU J P,QI CH,et al..Static Fourier-transform hyperspectral imaging full polarimetry[J].Acta Phys.Sin.,2013,62(4):044206.(in Chinese)
    [11] 梁静秋,梁中翥,吕金光,等.空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究[J].中国光学,2015,8(2):277-296.LIANG J Q,LIANG ZH ZH,LV J G,et al..Micro spatial modulation fourier transform infrared spectrometer[J].Chinese Optics,2015,8(2):277-296.(in Chinese)
    [12] LI J,ZHU J P,WU H Y.Compact static fourier transform imaging spectropolarimeter based on channeled polarimetry[J].Opt.Lett.,2010,35(22):37843786.
    [13] DAI H,YAN H X.Measurement errors resulted from misalignment errors of the retarder in a rotating-retarder complete Stokes polarimeter[J].Opt.Express,2014,22(10):11869-11883.
    [14] HAGEN N.Snapshot imaging spectropolarimetry[D].American:The University of Arizona,2007.
    [15] 代虎.偏振探测与成像系统研究及优化[D].长春:中科院长春光学精密机械与物理研究所,2015.DAI H.Investigation and optimization of polarimetry and polarimetric imaging system[D].Changchun:Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences,2015.(in Chinese)

  • [1] 杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民.  Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调 . 中国光学, 2020, 13(6): 1-8. doi: 10.37188/CO.2020-0058
    [2] 罗敬, 张晓辉, 何煦, 叶露, 张天一.  自准直仪光电探测器失调对测角的影响 . 中国光学, 2020, 13(3): 558-567. doi: 10.3788/CO.2019-0207
    [3] 王洪亮, 梁静秋, 梁中翥, 王维彪, 吕金光, 秦余欣.  傅立叶变换型线偏振干涉成像系统分析与设计 . 中国光学, 2019, 12(3): 638-648. doi: 10.3788/CO.20191203.0638
    [4] 孙一书, 陈怡, 韩冰, 袁理.  应用最小偏向角法的液体折射率精密测试 . 中国光学, 2019, 12(4): 826-832. doi: 10.3788/CO.20191204.0826
    [5] 曹佃生, 林冠宇, 杨小虎, 张子辉, 闻宝朋.  紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析 . 中国光学, 2018, 11(2): 219-230. doi: 10.3788/CO.20181102.0219
    [6] 安岩, 李欣航, 赵义武, 董科研, 楚玉刚, 谢岩.  三同心球光学系统跟瞄误差分析 . 中国光学, 2016, 9(6): 687-694. doi: 10.3788/CO.20160906.0687
    [7] 梅贵, 翟岩, 苗健宇, 浦前帅, 余达, 张博研.  星载离轴多光谱相机焦平面的装调与检测 . 中国光学, 2016, 9(4): 491-500. doi: 10.3788/CO.20160904.0491
    [8] 戚子文, 刘炳国, 张仲海, 卢丙辉, 刘国栋.  双点干涉法位相缺陷检测中的解相算法比较 . 中国光学, 2016, 9(4): 483-490. doi: 10.3788/CO.20160904.0483
    [9] 张健, 张玲花, 刘立国, 张景国, 陈伟, 张雷.  全景式航空遥感器TDI CCD精密装调必要性分析及实现方法 . 中国光学, 2014, 7(6): 996-1002. doi: 10.3788/CO.20140706.0996
    [10] 高志良.  高光谱成像仪等效焦面装调模组设计 . 中国光学, 2014, 7(4): 644-650. doi: 10.3788/CO.20140704.0644
    [11] 汤兆鑫, 黄玮, 许伟才, 刘立峰, 徐象如.  差分五棱镜扫描法在波前检测中的应用 . 中国光学, 2014, 7(6): 1003-1011. doi: 10.3788/CO.20140706.1003
    [12] 夏蕾, 韩旭东, 邵俊峰.  激光波长合束精度研究 . 中国光学, 2014, 7(5): 801-807. doi: 10.3788/CO.20140705.0801
    [13] 田金荣, 宋晏蓉, 王丽.  常用激光峰值功率公式误差分析 . 中国光学, 2014, 7(2): 253-259. doi: 10.3788/CO.20140702.0253
    [14] 任玉, 蔡红星, 谭见瑶, 谭勇, 张喜和, 郑峰, 马文联.  声光调制光谱相机的成像漂移 . 中国光学, 2013, 6(2): 179-186. doi: 10.3788/CO.20130602.0179
    [15] 潘年, 马文礼.  拼接式钢带光栅编码器测角误差分析与修正 . 中国光学, 2013, 6(5): 788-794. doi: 10.3788/CO.20130605.0788
    [16] 朱时雨, 张新, 李威.  计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调 . 中国光学, 2011, 4(6): 571-575.
    [17] 刘伟.  小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析 . 中国光学, 2010, 3(2): 157-163.
    [18] 于杰.  用于相移点衍射干涉仪的加权最小二乘相位提取算法 . 中国光学, 2010, 3(6): 605-615.
    [19] 张新洁, 王树清, 颜昌翔.  空间相机调焦机构的设计与分析 . 中国光学, 2010, 3(5): 462-466.
    [20] 刘艳, 苏东奇, 杨怀江, 隋永新.  高精度干涉检验移相算法对振动误差的免疫能力 . 中国光学, 2010, 3(5): 500-508.
  • 加载中
图(6) / 表 (2)
计量
  • 文章访问数:  350
  • HTML全文浏览量:  45
  • PDF下载量:  885
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-11
  • 录用日期:  2015-11-13
  • 刊出日期:  2016-01-25

光谱偏振调制器的高精度装调方法

doi: 10.3788/CO.20160901.0144
    基金项目:  国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A103);中科院长春光机所创新资助项目(No.Y4CX1SS143)
    通讯作者: 王东(1989-),男,吉林榆树人,硕士研究生,2013年于哈尔滨工业大学获得学士学位,主要从事光谱偏振成像仪器研制和设计方面的研究。E-mail:wangdong718@126.com颜昌翔(1973-),男,湖北洪湖人,博士后,研究员,2001年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。E-mail:yancx@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TP731

摘要: 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。

English Abstract

王东, 颜昌翔, 张军强. 光谱偏振调制器的高精度装调方法[J]. 中国光学, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
引用本文: 王东, 颜昌翔, 张军强. 光谱偏振调制器的高精度装调方法[J]. 中国光学, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
WANG Dong, YAN Chang-xiang, ZHANG Jun-qiang. High accuracy alignment of spectral-polarimetric modulator[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
Citation: WANG Dong, YAN Chang-xiang, ZHANG Jun-qiang. High accuracy alignment of spectral-polarimetric modulator[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1): 144-154. doi: 10.3788/CO.20160901.0144
    • 偏振信息能提供比强度信息和光谱信息更加丰富的目标信息,因此被广泛应用于天文观测、大气探测、生物医学诊断、地球环境监测、仿生导航、目标探测与识别等领域[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。偏振光谱强度调制技术(Polarimetric Spectral Intensity Modulation,PSIM)是偏振光谱探测领域的先进技术,最早由日本学者Oka[8]和美国学者Iannarilli[9]等人几乎同时提出,是一种空间域-频率域的光谱干涉技术,可在紫外(UV)至长波红外(LWIR)波段范围内对目标进行全静态、快照式、全Stokes参量测量[10]。PSIM主要应用于色散型光谱仪和傅里叶变换光谱仪[11, 12]进行光谱偏振成像,其核心部件是由两个多级相位延迟器R1、R2和一个线检偏器A构成的光谱偏振调制器。

      目前研究者们针对旋转波片等传统的偏振成像方法进行了大量的研究,如Dai[13]等人对偏振器的旋转方式进行了误差分析和优化;针对PSIM中多级相位延迟器厚度比例的设计和优化的相关研究也有报道,其中典型的R1和R2的厚度比例设计为1∶2或3∶1。Hagen[14]比较了两者的区别:后者较前者的优势在于能利用空白通道能够检测R2或A的角度误差,但缺点是不能充分利用通道带宽,复原光谱分辨率低。然而,在静态光谱偏振成像中,调制器中偏振器件间的相对旋转角度误差(下文简称为角度误差)也是影响PSIM偏振测量精度的主要因素之一[15],而针对调制器偏振器件装调精度的优化和分析的相关报道较少。因此,为了提高静态光谱偏振成像中复原偏振光谱的精度,需要研究者们对偏振器件的角度误差进行有效检测,提供更灵敏、更便捷的装调方法。

      本文在分析了偏振光谱强度调制技术的基础上,提出一种简单有效的方法,以辅助光学系统装调,并建立相应的数理模型。通过该方法能够在不损失通道带宽的情况下非常灵敏地检测偏振调制器中检偏器和多级相位延迟器的角度误差,从而保证成像系统的高精度装调,保证静态光谱偏振成像仪器的测量精度。

    • PSIM的原理是利用强度调制将入射光的4个Stokes参量调制到单幅光谱强度图像上,通过对光谱强度信息进行解调,实现入射光偏振信息和光谱信息的复原。调制过程如图 1所示,入射光偏振状态随着波数变化,并依此通过由多级相位延迟器R1、R2和线偏振器A组成的偏振调制器,其中R1和R2的快轴方向分别为0°和45°,A的通光轴与R1的快轴平行,调制后的光谱从A出射后被探测器接收,对采集数据进行傅里叶变换即可得到不同偏振参量光谱的频谱,通过适当的滤波和解调从而复原偏振光谱。

      图  1  偏振光谱强度调制原理图

      Figure 1.  Principle of polarimetric spectral intensity modulation

      探测器最终接收的数据为: 其中 式中,v为波数,φ为光通过R时寻常光和异常光之间产生的相位差。Dj表示Rj的厚度(j=1,2),B(v)表示它们的双折射率。将调制器放置成像光谱仪系统中(如色散型光谱仪或傅里叶变换型光谱仪),结合一定的优化设计,即可实现静态光谱偏振成像。
    • 多级相位延迟器R1和R2的厚度比是影响调制结果的关键参量,通过光学器件的穆勒矩阵特性可知,传统设计中D1D2=1∶2时,调制后的光谱经过傅里叶变换产生7个频谱通道,能够充分地利用带宽,提供复原光谱的分辨率,但是不能检测偏振器件的角度误差;当D1D2=3∶1时,调制后的光谱经过傅里叶变换能够产生9个通道,并且其中两个通道为空通道,当调制器中的R2或A的旋转角度存在误差时,原本为空白通道将出现频谱数据,可用于检测偏差噪声,这种结构设计的缺点是不能充分利用通道带宽。

      为了能够保留以上两种方法的优点,既能充分利用带宽,又能实时监测偏振调制器中A、R1及R2三者的角度误差,在检测过程中,为了避免解调频谱通道干扰噪声检测,先要对正常的频谱通道压缩,预留空白通道,用于检测偏振器件的角度误差噪声。在偏振器件角度校正后光谱通道需要恢复原来的状态,以保证带宽的充分利用。根据这样的需求提出了3片多级相位延迟器和一片线偏振器组合的方案,即在传统偏振调制器基础上,在R1前面加入一多级相位延迟器R3,且R3的快轴方向与R1的快轴方向垂直,如图 2所示。实际装调过程中R3放置后的快慢轴方向即为系统基准,其他偏振器件的旋转角度即为与R3的相对角度。

      图  2  调制器装调原理示意图

      Figure 2.  Alignment principle of the modulator

      图 3(a)、3(b)为偏振器件存在角度误差时传统方法和所提方法调制光谱频谱对比图,其中图 3(a)为传统方法调制后偏振光谱的频谱图,图 3(b)为本文提出的方法调制后偏振光谱的频谱图。可以看到图 3(b)相对图 3(a)将解调通道的带宽压缩,留出空白通道来检测偏振器件的角度误差。由式(1)可知偏振器件无角度误差时,图 3(a)S23峰和S*23峰的高度应该一样,它们都为|S23(σ)|,当两峰值不一致时即可说明A或R2出现角度误差。实际成像过程中,偏差非常小,而且考虑到探测器有一定的测量误差,峰值的微小差异难以说明是否存在偏差。因此,采用空白频谱通道检测角度误差的方式更为有效。

      图  3  偏振器件存在角度误差时两种方法调制光谱频谱对比

      Figure 3.  Contrast of the frequency spectrum when the polarizing devices exist angle errors

      引入R1、R2、A的角度误差分别为θ、ε、τ,并且sin2θ=a,cos2θ=b,sin2ε=c,cos2ε=d,sin2τ=e,cos2τ=f。根据偏振器件的穆勒矩阵及偏振特性可分析计算出调制器的穆勒矩阵和出射斯托克斯光谱: 其中:
      入射光通过光谱偏振调制器进行强度调制,计算过程中θ、ω、τ为小量,结果忽略二阶小量,则探测器接收到的光强为: 式中,φi(v)=2πB(v)Div=2πLiv+Φi(v)(i=1,2,3),常数项分别为κ1=b2d2fκ2=adfκ3=abd2fκ4=bd2eκ5=b2d2eκ6=bcdfκ7=b2cdfκ8=dfκ9=ad2fκ10=bdfκ11=bcdf。由此可知式(11)由9项构成,其中,第3项、第4项、第5项、第6项的调制频率依次为(L1+L2)、(L2-L1)、(L2-L3)、(L2+L3),且其系数κ2=adfκ3=abd2f,是否为0由θ决定,即频谱中这4个位置是否存在数据由R1的角度误差决定,而第7项的调制频率为(L1-L3),其系数(κ4+κ5-κ6-κ7)是否为0由ετ决定,即频谱中(L1-L3)这一位置是否存在数据由R2和A的角度误差决定。

      根据装调方法的数理模型及调制器的载波特性,将三片多级相位延迟器的厚度比例设计为D3D1D2=0.7∶1∶2性能最优,这样的设计一方面能够灵敏地检测R1、R2和A的角度误差,使频谱通道不被解调频谱通道干扰;另一方面当角度校准后,撤掉R3,恢复传统的偏振调制器状态,又保证了通道带宽的充分利用。

      因此调制光谱的频谱中特定位置出现数据可以反映特定的偏振器件存在角度误差。而当R1、R2、A均不存在角度误差时,则相应频率位置不出现数据,为空白通道,频谱恢复正常的7个通道。从式(11)的第4项可以看到,该项只能检测R2或A存在角度误差,但不能分辨误差来源于R2还是A,并且当R2和A同时存在同方向的等量偏差时,该项常数项(κ4+κ5-κ6-κ7)为0,检测不出存在偏差,因此装调过程中需要先利用R3装调A,A校准后再装调R1和R2,详细过程见下面装调方法。

    • 首先将R3和A放置成像系统光路中,此时探测器接收到的光强为:

      将数据进行傅里叶变换后可知,中心位置为L3的通道出现的噪声频谱可唯一确定了检偏器A是否存在角度误差,通过连续调制A的旋转角度,直至噪声频谱消失,说明A完成装调。

    • 检偏器A校准完成后,τ=0,sin2τ=e=0,cos2τ=f=1,此时式(11)中κ4=0,κ5=0,因此探测器接收到的光强应为: 式中,常数项分别为κ1=b2d2κ2=adκ3=abd2κ6=bcdκ7=b2cdκ8=dκ9=ad2κ10=bdκ11=bcd。式(13)由13项构成,其中第7项能够确定R2是否存在角度误差,而第3、4、5、6项能够确定R1是否存在角度误差,这样频谱中不同中心位置的通道中出现频谱能够唯一确定偏振器件存在角度误差。
    • 设定输入光光谱范围为400~700 nm,对应的波数范围为14 280~25 000 cm-1,并对各个偏振参量强度进行了归一化处理,如图 4(a)中所示。光谱调制器中多级相位延迟器的材料为石英晶体,其双折射率为0.009 2,R1、R2、R3的厚度分别为2 mm、4 mm、1.4 mm,产生的光程差分别为18.4 μm、36.8 μm、12.88 μm。引入光谱调制器失调量,θ=0.5°ε=0.5°,τ=0.5°入射光经过光谱调制器后出射的调制光谱如图 4(b)所示。对调制光谱进行傅里叶变换和解调,其相应频谱及复原结果如图 4(c)和4(d)所示。

      图  4  传统成像方法下0.5°失调量下仿真结果

      Figure 4.  Simulation results when the misalignment is 0.5° by the conventional method

      图 4中可以看到传统成像方法不能检测偏振器件是否存在角度误差,且复原的斯托克斯光谱与输入光谱相比存在一定误差,其中S2和S3较为明显。下面利用所提方法分步模拟调制器的系统装调过程:

      (1)在成像光路中摆放R3和A,输入光谱不变,如图 5(a)所示,经过A调制后探测器接受到的光谱,如图 5(b)所示,将其进行傅里叶变换得到其频谱,如图 5(c),可以看到在中心位置为12.88 μm处频谱通道出现数据,说明A存在角度误差,这与前面的理论分析相符。

      图  5  失调量为0.5°下系统的装调过程

      Figure 5.  System alignment process when the misalignment is 0.5°

      (2)连续调整A的角度,直至调制光谱的频谱中该通道不再出现噪声频谱,此时说明A以完成校准。

      (3)在成像光路中加入R1和R2,调制光谱变为图 5(d),将调制光谱数据进行傅里叶变换,得到其频谱如图 5(e)所示,可以看到由于R1和R2存在失调量,导致中心位置在5.52 μm和18.4 μm、23.92 μm、49.68 μm、55.2 μm 5处的频谱通道中出现噪声频谱。

      (4)通过连续旋转R1和R2调整它们角度,直至这5处的噪声频谱消失,说明此时R1和R2已完成校准,至此调制器装调完成。校准后的调制器复原的偏振光谱如图 5(f)所示,可见复原的斯托克斯光谱与输入的斯托克斯光谱相吻合,成像复原精度较高。

      图 5(c)和(e)中分别用插图局部放大以便于观察,从图 5(e)中看到调制器将正常的频谱通道压缩,利用空白通道检测出了偏振调制器的角度误差,并且不同的通道上出现频谱代表不同器件出现角度误差,这样能够地识别和校准调制器中不同的偏振器件。从图 5(f)中可以看到:由于不同斯托克斯光谱的频谱通道分布的特殊性,偏振调制器存在角度误差时,S0的复原光谱不受噪声影响,S1的复原光谱受噪声影响较小,S2、S3受噪声影响较强,说明S0和S1的抗噪声能力更强,角度误差对它们的复原精度影响较小,这一点从式(11)中也可以看出。

      为了更客观地评价复原结果的质量,下面采用均方差函数来量化斯托克斯光谱的复原程度,即 式中,S′i,j为复原斯托克斯光谱数据,Si,j为输入斯托克斯光谱数据,n为光谱数据的