基于积分视场和孔径分割的快照式偏振光谱成像技术研究

Imaging spectropolarimetry (ISP) is a cutting-edge remote sensing technique for target identification, classification and detection. ISP can acquire spatial, spectral and polarimetric information simultaneously, and thus has wide application in fields of space exploration, earth remote sensing, machine vision, and biomedical diagnosis, etc. In this project, an innovative snapshot imaging spectropolarimetry (SISP) is presented. The advantages of integral field spectroscopy, division-of-aperture polarimetry and dispersion imaging spectrometry are integrated into the SISP. Therefore, it can improve temporal resolution of detection, reduce the complexity and computing time of data reconstruction, and achieve the real-time acquisition and recovery of the complete-polarization and hyperspectral image of two-dimensional spatial target. The basic issues in SISP are treated in this project. Firstly, the principles, theories and fusion method of the three key unit techniques will be studied theoretically and experimentally. Correspondingly, the problems for the snapshot acquisition and real reconstruction of the multi-dimensional information of two-dimensional spatial targets will be resolved. Secondly, to explore the restriction mechanisms and balance methods among the detection efficiency, accuracy, precision, sensitive and signal-to-noise ratio, the trade-off among spatial information, spectral information and polarimetric information will be treated carefully. Therefore, an effective detection mode will be established. The research of the project will play a significant role to promote the development of practical ISP.

偏振光谱成像技术是一项前沿遥感探测技术，可实现空间、光谱、偏振多维信息的一体化获取，为目标探测提供丰富信息源，在空间探测、地球遥感、机器视觉、生物医学诊断等领域将具有重要应用价值和广阔应用前景。本项目创新性地提出了一种快照式偏振光谱成像技术，它融合积分视场光谱术、分孔径偏振术和色散光谱成像术三者优势于一体，可提高探测时间分辨率，降低后续数据反演复杂度及计算时间，实现二维空间目标全偏振与高光谱图像信息的实时获取与复原。本项目开展快照式偏振光谱成像技术的基础研究，拟针对各关键单元技术的工作机理与融合方法进行理论分析和实验研究，解决二维空间目标多维信息的快照式获取与实时反演问题；研究空间、光谱、偏振多维信息同时获取的矛盾权衡问题，探索测量精确度与探测效率、灵敏度及信噪比的制衡机理和协调方法，建立有效的探测模式。本项目研究对推进实用型偏振光谱成像技术的发展具有积极意义。

偏振光谱成像是一项实现空间、光谱、偏振多维光信息一体化获取的前沿光学遥感技术，但是传统的时序式获取方案存在时间分辨率低的局限性，不适于捕捉动态目标或者处于动态环境的静态目标。本课题围绕空间、光谱、偏振多维信息单次快照获取这一关键问题展开研究，首次将积分视场成像术、分孔径/分焦平面偏振术、及积分视场色散光谱术进行有机融合，利用它们所具有的快照式被动探测和数据重建算法简单明快的优势。项目研究了各关键单元技术的工作机理与融合方法，设计出关键单元并进行融合，搭建成原理样机，开发出数据采集和处理算法，实现了静态目标和动态目标的实时获取和数据重建。针对系统中常见的高斯噪声和光子噪声对重建斯托克斯参数的影响，利用系统误差和噪声传输理论，在分析现有偏振调制器局限性的基础上，研究了一种光子噪声平衡条件（BCPN），据此设计出基于单/双延迟器的通道数（≥4）各异的偏振调制器；并将其拓展到宽谱段偏振调制器的设计中，设计出工作谱段在0.4-1.1um的四通道优化偏振调制器。优化的偏振调制器对高斯或光子噪声或组合噪声均不敏感，具体表现为反演的斯托克斯参数总噪声方差最小化，后三个斯托克斯参数的噪声方差等量化，这有利于增强偏振图像信噪比和公平比较各偏振组分的含量，适于探测具有微弱偏振信号的目标。研究了基于沃拉斯顿棱镜阵列的六通道静态快照式偏振成像技术及参考光定标技术，优化的六通道使得系统具有噪声免疫特性，在室内外获取了多种场景的偏振图像。根据理查德-沃尔夫衍射积分近似理论，研究了一种在同一平面同时产生多种可调偏振光的方法，适于快照式偏振系统的实时定标。根据矢量光线追迹理论，研究了直视色散棱镜优化设计的评价函数，用于控制棱镜的色散线性度、波段宽度和畸变，从而实现积分视场色散光谱术与多通道偏振调制器的融合。在权衡图像、光谱、偏振同时获取利弊基础上，研究了多种新型快照式多维信息获取方案，为偏振光谱成像技术的实用化提供新思路。