基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

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武锦辉, 喻俊志, 刘汉琦, 王高. 基于正交调制的偏振光谱成像系统研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(7): 2315-2319.
WU Jin-hui, YU Jun-zhi, LIU Han-qi, WANG Gao. Research on Polarization Spectrum Imaging System Based on Orthogonal Modulation[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(7): 2315-2319.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)07-2315-05 复制到剪切板

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《光谱学与光谱分析》期刊社所有

基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

武锦辉^1,², 喻俊志^1,^*, 刘汉琦³, 王高^2,⁴

1. 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室, 北京 100190

2. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西太原 030051

3. 北京市自动化控制设备研究所, 北京 100074

4. 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西太原 030051

*通讯联系人　　e-mail: yujunzhinuc@sina.com

作者简介: 武锦辉, 1978年生, 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副教授 e-mail: wujinhuinuc@sina.com

收稿日期: 2017-08-10

基金: 国家自然科学基金项目(61573323, 11304289), 国防基金项目(9140A08080115BG04119), 山西省留学人员科研项目(2014054, 2015076)资助

摘要

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息, 设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。该系统由光学接收模块、相位调制器、 Wollaston棱镜、 Savart偏光镜、检偏器以及成像模块组成。其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光, 并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上, 从而构成两幅偏振图像。两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消, 从而获得目标的纯图像信息, 两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消, 从而获得目标的纯干涉条纹。通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板, 完成了全偏振图像的实时采集。经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变, 又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响, 从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。该系统具有稳定性高、光谱分辨率可调、信噪比高、可识别能力强等特点, 对在复杂背景中提取目标图像、光谱及偏振态信息具有重要意义。

关键词: 目标识别; 正交调制; 全偏振光谱; 干涉分布

中图分类号:O436 文献标志码:A

Research on Polarization Spectrum Imaging System Based on Orthogonal Modulation

WU Jin-hui^1,², YU Jun-zhi^1,^*, LIU Han-qi³, WANG Gao^2,⁴

1. State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Taiyuan 030051, China

3. Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China

4. Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China

*Corresponding author

Abstract

In order to obtain the complete polarized two-dimensional image information and its spectrum information at the same time, a new polarized spectrum imaging system based on orthogonal modulation is designed. The system consists of optical antenna, phase modulator, Wollaston prism, Savart polarizer, analyzer and imaging module. The original optical signal is decomposed into two beams of mutually orthogonal polarized light, and they are respectively imaged in the upper and lower portions of the focal plane of the CCD, so that it forms two full polarization images. The superposition of the two sets of images can cancel the data of the interference fringes to obtain pure image information of the target. The subtraction of the two sets of images can cancel the target gray scale images to obtain the pure interference fringes of the target. The light intensity distribution function and spectrum variation form were obtained by theoretical calculation. High contrast targets with background plates were used in the experiment, real-time acquisition of fully polarized images was completed in a stable light source environment. The distortion of the interference image is improved by phase correction and apodization, through high-pass filtering and threshold filtering, the influence of background noise in the image is suppressed, so that the extraction of the target image and the restoration of the polarization spectrum are realized. It has the characteristics of high stability, adjustable spectrum resolution, high signal-to-noise ratio and strong ability to identify. It is important to extract the target image, spectrum and polarization information in complex background.

Keyword: Target recognition; Orthogonal modulation; Complete polarization spectrum; Interference distribution

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引言

在目标探测与识别领域, 快速并准确地判断目标位置及种类具有重要意义^[1]。传统的目标识别技术一般都是基于已采集的可见光图像或者红外图像, 再由图像识别算法完成目标的提取^{[2, 3, 4, 5]}; 星载、机载设备中, 有些还通过增大光源波段覆盖范围实现多光谱成像、超光谱成像, 再由特征提取或数据挖掘等技术实现目标识别^{[6, 7, 8, 9]}; 除此之外, 还有利用目标偏振特性与背景存在巨大差异的特点, 通过偏振光源与检偏系统实现目标识别。偏振成像技术对于反伪装的作用较为明显, 因为目标常常与背景的偏振特性具有较大差异, 从而较容易区分与识别, 但是影响目标偏振回波信号的因素很多, 例如入射角度、目标材料、表面形式等, 所以单纯采用偏振成像容易引入虚假目标。美国Arizona大学研究团队采用空间Sagnac干涉具与可变相位调制器联用, 实现了对目标不同偏振态的同时采集^[10]; 美国North Carolina团队采用多级相位延迟与Wollaston棱镜联用, 实现了红外波段的干涉图样与偏振图像的同时采集^[11]; 我国西安光机所首次提出了一种静态光谱偏振的成像方案, 并且在室外获得了光谱图像数据立方体^[12]。以上方法各有特色, 但也存在不足, 例如有些需要狭缝、有些需要电控相位器件, 光谱数据与偏振数据重叠等问题。本文针对以上问题提出了一种正交调制的控制方法, 通过Stokes参量运算完成了光谱信息与偏振信息的同时获取与分离。

1 正交调制系统设计

基于正交调制的偏振光谱成像系统如图1所示, 系统主要包括四个模块: 光学接收模块(①)、相位调制模块(②③④)、正交调制模块(⑤⑥⑦)及成像模块(⑧⑨)。光学接收模块由前置光学棱镜组构成, 目的是将待测区域的光收集准直进入测试系统, 其还可通过可调光阑对入射孔径进行调节; 光学调制模块由两组相位延迟器和起偏器构成, 相位延迟器1的快轴方向平行于x轴, 相位延迟器2的快轴方向与x轴夹角为π /4, 起偏器与x轴夹角为π /4; 正交调制模块由Wollaston棱镜、 Savart偏光镜与检偏器构成, 其中, Wollaston棱镜使入射光分离为能量相等、偏振态正交的两束偏振光, 其对应的主界面与x和y轴分别平行; Savart偏光镜中两部分的偏振方向是正交的, 与y轴的夹角均为π /4, 与x轴夹角分别π /4和3π /4; 检偏器与y轴平行。成像模块由成像透镜与CCD构成, 实现对目标的二次成像。系统对入射光进行相位调制后, 经起偏器变成线偏振光, 再通过Wollaston棱镜分束为两组正交偏振光, 这两组光在Savart偏光镜的作用下分别再次分为两组正交偏振光, 最终, 通过检偏器使偏振态相同的两束光形成干涉, 则由成像透镜在CCD焦平面上下两部分分别成像, 该图像为包含背景及干涉条纹的全偏振图像。

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	图1 基于正交调制的偏振光谱成像系统Fig.1 Polarization spectral imaging system based on orthogonal modulation

2 理论分析

由以上结构设计可以看出, 本系统的设计是将入射光通过相位调制的方式转变为线偏振光, 然后通过分光使入射光变为四束分别相互正交的线偏振光, 最终通过二次成像的方式在CCD上获得两幅全偏振图像。在系统成像过程中, 平行于y轴的两幅图像相关像点的光程差一致, 而平行于x轴的光程差随入射角的变化而同步改变。

2.1 工作机理

采用Stokes参量法对系统光学变换过程进行分析, 设待测光的Stokes参量为S_i, 其矩阵形式有

$\begin{array}{l} S_{i} (x, y, ν) = [\begin{array}{l} S_{0} (x, y, ν) \\ S_{1} (x, y, ν) \\ S_{2} (x, y, ν) \\ S_{3} (x, y, ν) \end{array}] = \\ [\begin{array}{l} I_{0} (x, y, ν) + I_{π / 2} (x, y, ν) \\ I_{0} (x, y, ν) - I_{π / 2} (x, y, ν) \\ I_{π / 4} (x, y, ν) - I_{- π / 4} (x, y, ν) \\ I_{R} (x, y, ν) - I_{L} (x, y, ν) \end{array}] (1) \end{array}$

其中, ν 为波数, S₀为总光强, S₁为x, y轴间线偏振光的光强差, S₂为± π /4方向间线偏振光的光强差, S₃为左、右旋间圆偏振光的光程差。由于出射光ST可以表示为系统穆勒矩阵(Muller Matrix)与出射光的积, 故有

$\{\begin{array}{l} S_{T 1} = M_{1} (π / 4) M_{2} (0) M_{3} (π / 4) M_{4} (0) \times \\ M_{5} (π / 4) M_{6} (π / 2) S_{i} \\ S_{T 2} = M_{1} (π / 4) M_{2} (0) M_{3} (π / 4) M_{4} (π / 2) \times \\ M_{5} (π / 4) M_{6} (π / 2) \times S_{i} \end{array} (2)$

其中, M₁— M₆分别对应图1中②— ⑦的6个光学器件。其中, 相位延迟器的穆勒矩阵有

$\begin{array}{l} M_{1} (π / 4) = [\begin{array}{l} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \cos δ_{1} & 0 & - \sin δ_{1} \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & \sin δ_{1} & 0 & \cos δ_{1} \end{array}] \\ M_{2} (0) = [\begin{array}{l} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \cos δ_{2} & \sin δ_{2} \\ 0 & 1 & - \sin δ_{2} & \cos δ_{2} \end{array}] (3) \end{array}$

其中, δ ₁和δ ₂为②和③的相位延迟量, 有

$\{\begin{array}{l} δ_{1} (ν) = 2 π ν L_{1} \\ δ_{2} (ν) = 2 π ν L_{2} \end{array} (4)$

其中, L₁和L₂为②和③上的光程差。

对于Wollaston棱镜而言, 其传输矩阵可表示为

$M_{4} (π / 4) = \frac{1}{2} [\begin{array}{l} 1 & \cos 2 β & \sin 2 β & 0 \\ \cos 2 β & co s^{2} 2 β & \sin 2 β \cos 2 β & 0 \\ \sin 2 β & \sin 2 β \cos 2 β & si n^{2} 2 β & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}] (5)$

其中, β 为线偏振光快轴与x轴之间的夹角。

对于Savart偏光镜而言, 其传输矩阵可表示为

$M_{5} (π / 4) = [\begin{array}{l} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \cos ϕ & 0 & \sin ϕ \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & - \sin ϕ & 0 & \cos ϕ \end{array}] (6)$

其中, ϕ 为Savart偏光镜的相位延迟量, 有

$ϕ (ν) = 2 π ν L_{P} (7)$

其中, ν 为入射光对应的波数, L_P为光束经Savart偏光镜产生的光程差。

由以上矩阵推导可知, 待测光入射系统后主要通过相位延迟器实现相位调制, 通过Wollaston棱镜和Savart偏光镜实现分光, 最终由⑧⑨完成两幅偏振方向正交图像的采集, 从而实现同一时刻的双方向正交调制。其得到的四个Stokes参量值采用了不同的相位因子, 最终通过傅氏变换在频域中完成分离。

2.2 光强分布函数

在CCD上采集得到的光强分布分为两部分, 分别由S_T1和S_T2提供, 则测试光强可表示为

$\{\begin{array}{l} I_{T 1} = \frac{1}{8} (1 - \cos ϕ) \times (S_{0} + S_{1} \sin δ_{1} \sin δ_{2} + \\ S_{2} \cos δ_{2} + S_{3} \cos δ_{1} \sin δ_{2}) \\ I_{T 2} = \frac{1}{8} (1 + \cos ϕ) \times (S_{0} + S_{1} \sin δ_{1} \sin δ_{2} + \\ S_{2} \cos δ_{2} + S_{3} \cos δ_{1} \sin δ_{2}) \end{array} (8)$

由于两组光强的干涉信号均在与光程差相关的频率上, 将式(4)和式(7)代入式(8)可得, 干涉条纹的位置分布在0, ± L₂, ± (L₁-L₂), ± (L₁+L₂)上, 更重要的是其表达形式中存在大小相等、符号相反的对应参量, 而这两组参量的物理意义分别对应的是图像信息和干涉条纹信息, 则通过简单的累加和差分运算就能分别获得纯图像信号和纯干涉条纹信号, 即得

$\{\begin{array}{l} I_{T 1} + I_{T 2} = \frac{1}{4} (S_{0} + S_{1} \sin δ_{1} \sin δ_{2} + \\ S_{2} \cos δ_{2} + S_{3} \cos δ_{1} \sin δ_{2}) \\ I_{T 2} - I_{T 1} = \frac{1}{4} S_{0} (L_{P}) - \frac{1}{16} S_{1} [L_{P} \pm (L_{1} + L_{2}), \\ L_{P} \pm (L_{1} - L_{2})] + \frac{1}{8} S_{2} (L_{P} \pm L_{2}) + \\ \frac{1}{16} S_{3} [L_{P} \pm (L_{1} + L_{2}), L_{P} \pm (L_{1} - L_{2})] \end{array} (9)$

由式(9)可以看出, 两个输出的累加结果和差分结果实现了对之前推导中的重要参量(相位延迟量(δ 和光程差L)的有效分离。也就是累加实现去高频, 输出图像信息, 而差分实现去低频, 输出干涉条纹信息。

3 实验结果与讨论

3.1 条件及结果

本实验中采用美国COHU公司的4910型高性能单色CCD, 其单帧分辨率为1 376× 1 032, 像元尺寸为6.45 × 6.45 μ m, 有效光谱响应范围为400~800 nm。相位延迟器为SiO₂材质(折射率为0.008 57), ②的厚度为5 mm, ③的厚度为10 mm, 由此可以构成不同的光程差。 Wollaston棱镜和Savart偏光镜均为方解石材质, Wollaston棱镜的结构角为27° , Savart偏光镜的厚度为10 mm。照射目标的光源采用的是530 nm半导体激光器。被测目标采用高反射比材料作为背景和高吸光比材料作为目标的方式, 目的是提高系统信噪比, 目标尺寸为5 mm× 35 mm, 横条间距为5和10 mm, 两边采用横条倾斜30° 放置, 则测试结果如图2所示。

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	图2 CCD上一帧内的两幅全偏振干涉图Fig.2 Two full-polarized interferograms in a frame on the CCD

由图2可知, CCD采集得到的是被测目标的全偏振干涉图, 两幅图由CCD焦平面上下两部分分别成像得到, 其是目标图像、背景与干涉条纹的混迭图。虽然实验室环境光线稳定, 但由于目标与背景板都为漫反射体, 所以目标的外边缘出现了一定程度的失真, 为了降低外部环境低频噪声的影响, 在图像预处理中加入了滤波, 所以两幅图像的边缘略有差异, 但整体结构依然清晰可见。同时, 经调制后的干涉条纹的主条纹位置十分明显, 与式(8)得到的结论一致。

3.2 分析与讨论

(1)干涉光谱的获取

为了更清晰地观察目标的干涉谱信息, 将任意目标点(像元点)的不同时刻的数据保存成一组新的数据, 即某一个空间点上时间维的不同数据的集合。也可以理解成当空间位置不变时, 通过调制产生不同光程差构成的时域干涉信号。由于实际光谱调制模块存在误差, 所以需要对干涉条纹数据进行相位校正及对反演的光谱分布进行切趾处理后才能得到较为理想的干涉强度分布图, 如图3所示。

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	图3 时间维上的干涉强度分布Fig.3 Interference intensity distribution over time dimension

由图3可知, 调制光谱产生的干涉分布分别在中心光程差为0, ± 0.075, ± 0.150和± 0.225 cm的位置上, 与干涉条纹位置分布0, ± L₂, ± (L₁-L₂), ± (L₁+L₂)是一一对应的, 并且每个间隔的光程差约为0.075 cm。其中每个干涉段分别对应的是S₀, S₁, S₂和S₃的干涉图, 每个对应的Stokes分量均可以采用该种方法实现光谱复原。

(2)目标的获取

根据式(9)可知, 对于全偏振图像而言, 通过叠加与相减可以获得目标的纯图像与干涉条纹, 将图2(a)和图2(b)的数据叠加, 从而将干涉条纹相抵消, 而目标图像信号相叠加, 从而得到目标纯图像, 如图4(a)所示。由该图可以看出, 图像的清晰度要优于CCD采集的原始图像, 同时, 利用阈值滤波的方法可以大幅地降低背景噪声的影响, 从而得到具有高对比度、高信噪比的纯图像信息; 同理, 将图2(a)和图2(b)的数据进行相减, 从而将图像信息相抵消, 由此可以获得一帧的纯干涉条纹数据, 如图4(b)所示。

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	图4 全偏振干涉图处理结果Fig.4 Processing results of polarization interferogram

由该图可以看出, 调制后的两组具有光程差的光干涉后形成的干涉条纹十分明显, 其干涉条纹宽度由光谱调制模块控制。这两部分都是某一时刻采集得到的一帧图像的数据信息, 当对调制过程中所有时刻获得的图像数据进行遍历分组后, 就能得到目标的累计纯图像(也可以理解成目标的积分像)和时域干涉分布图(如图3)。由此可见本系统可以有效地同时获取目标的纯图像信息与干涉条纹信息, 对于抑制背景噪声及提高目标识别能力具有重要意义。

4 结论

研究了一种基于正交调制的全偏振光谱成像系统, 其可同时解析得到目标的图像信息、光谱信息及偏振态信息。通过相位调制与正交分解的方法将目标光信号变为两组不同偏振态的干涉图样, 再由叠加和相减的方式实现纯图像与纯干涉条纹的提取, 解决了图像与干涉条纹混叠的问题。最后, 利用实验测试的方法完成了对目标图像与干涉条纹的重建, 验证了其可行性。该设计对于在复杂环境中高效地完成目标识别、目标谱分析等具有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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