《偏振成像与光谱偏振成像技术》在现有偏振成像、成像光谱技术发展历程及现状的基础上，从偏振光学的基本理论、偏振成像方法和干涉成像光谱技术基本原理出发，阐述通道调制宽波段全偏振同时成像技术的波段限制和扩展原理、典型双折射干涉成像光谱仪、大视场静态双折射干涉成像光谱技术实现机理和方法、光谱分辨率可调的新型静态双折射干涉成像光谱技术以及基于通道调制的静态傅里叶变换高光谱全偏振成像技术等创新性技术和方法。

目录
“偏振成像探测技术学术丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 成像光谱技术 3
1.2 偏振成像技术 10
1.3 光谱偏振成像技术 15
1.4 本章小结 19
参考文献 19
第2章 偏振光学基本理论 25
2.1 光的偏振态定义 25
2.1.1 线偏振与圆偏振 25
2.1.2 椭圆偏振 26
2.2 光的偏振态描述 26
2.2.1 电场矢量法 27
2.2.2 琼斯矢量法与琼斯矩阵 28
2.2.3 Stokes矢量法与缪勒矩阵 28
2.2.4 庞加莱球法 29
2.3 偏振光学器件 30
2.3.1 光在单轴晶体中的传播 31
2.3.2 线偏振器 33
2.3.3 相位延迟器 34
2.3.4 旋光器 35
2.3.5 偏振分束器 35
2.4 本章小结 37
参考文献 38
第3章 通道调制宽波段全偏振同时成像技术 39
3.1 通道调制型偏振成像的波段限制 40
3.2 通道调制型偏振成像的波段扩展原理 42
3.3 基于双Sagnac 光栅的通道调制宽波段全偏振成像技术 43
3.3.1 基本原理 43
3.3.2 系统光学效率与干涉调制度 46
3.3.3 原理样机 48
3.3.4 验证实验 48
3.4 本章小结 51
参考文献 51
第4章 干涉成像光谱基本理论 53
4.1 光谱重建原理 53
4.2 切趾 57
4.3 光程差与分辨率 60
4.4 采样间隔与采样间隔误差校正 61
4.4.1 采样间隔 61
4.4.2 采样间隔误差校正 62
4.5 干涉成像光谱的优越性 68
4.5.1 多重优越性 68
4.5.2 通量优越性 69
4.5.3 信噪比优越性 69
4.6 干涉成像光谱仪的成像方式 70
4.6.1 推扫型 71
4.6.2 凝视型 72
4.6.3 窗扫型 73
4.6.4 快照型 73
4.7 双折射干涉成像光谱仪 74
4.7.1 基于Wollaston棱镜的双折射干涉成像光谱仪 74
4.7.2 基于Savart偏光镜的双折射干涉成像光谱仪 75
4.7.3 基于双Wollaston棱镜的双折射干涉成像光谱仪 76
4.7.4 横向剪切量可调的双Wollaston平行平板分束器 76
4.8 本章小结 77
参考文献 77
第5章 大视场静态双折射干涉成像光谱技术 79
5.1 大视场成像光谱技术的需求和发展 79
5.2 双折射干涉成像光谱仪的视场角限制 81
5.2.1 Wollaston棱镜分束器的视场角限制 81
5.2.2 Savart偏光镜分束器的视场角限制 84
5.3 双Wollaston棱镜视场补偿技术 85
5.3.1 视场补偿原理概述 85
5.3.2 视场补偿方案设计 86
5.3.3 仿真实验与分析 89
5.3.4 鲁棒性分析 97
5.4 双Savart偏光镜视场补偿技术 99
5.4.1 影响Savart偏光镜视场角的因素 100
5.4.2 光程差二次项的消除 103
5.5 基于双Savart偏光镜的宽波段大视场双折射干涉成像光谱技术 107
5.5.1 总体设计 107
5.5.2 系统组成部件设计 107
5.5.3 视场扩大方案模拟及其与其他干涉成像光谱仪的比较 111
5.6 本章小结 113
参考文献 114
第6章 光谱分辨率可调的新型静态双折射干涉成像光谱技术 116
6.1 光谱分辨率可调的新型静态双折射干涉成像光谱技术原理 117
6.2 双Wollaston棱镜平行平板分束器的横向剪切量 118
6.3 光谱分辨率调节原理 121
6.4 分辨率调节实验 124
6.4.1 装置及系统参数 124
6.4.2 单色光及复色光干涉成像光谱实验 125
6.4.3 调节实验 127
6.5 系统光程差的详细计算 128
6.6 信噪比分析 131
6.6.1 干涉条纹信噪比 132
6.6.2 光谱信噪比 134
6.6.3 信噪比仿真 135
6.7 本章小结 139
参考文献 139
第7章 基于通道调制的静态傅里叶变换高光谱全偏振成像技术 141
7.1 基本结构及探测原理 142
7.1.1 系统基本结构 142
7.1.2 系统探测原理 142
7.2 原理样机设计 145
7.2.1 设计技术指标 145
7.2.2 光学系统设计 145
7.2.3 焦平面阵列 147
7.2.4 数据处理 148
7.3 原理验证实验 149
7.3.1 实验光路及装置 149
7.3.2 实验测试 150
7.4 变型方案 156
7.5 本章小结 156
参考文献 157

第1章绪论
　　现代科学技术的发展使得人类对世界认知产生了巨大变化。1957年，苏联发射了世界上**颗人造卫星，自此人类进入太空时代。1960年，美国发射了世界上**颗气象遥感卫星，开启了航天遥感技术的大门。在此后的半个世纪，出于政治、军事、经济等目的，美国、俄罗斯、法国、德国、英国、日本、以色列、印度等投入了大量的人力、物力对航天遥感技术进行了研究，先后发射了数百颗遥感卫星，搭载了上千台不同类型的遥感器，在宇宙空间探索、地球环境资源保护、国家安全、国民经济建设等领域发挥了重要作用。航天遥感技术已成为衡量一个国家工业发展水平、科技实力、政治实力、军事实力的重要指标。
　　成像光谱技术和偏振成像技术是空间成像技术与光谱分析及偏振测量技术的有机结合，是近年来发展起来的新型光学遥感探测技术，是当今光学遥感技术发展的前沿，相较于其他遥感探测手段(可见光、红外、雷达等)，这两种技术都有其*特的优点。
　　成像光谱技术获取目标的二维空间信息和一维光谱信息。其中，一维光谱信息能精确反映目标的材料成分。地表、海洋和天空中的任何物体在反射光波、透射光波和辐射光波的过程中都会表现出不同的光谱特性，对这些特征光谱进行分析，可识别出目标的种类、材质及物质组成[1]。相同油漆下不同屋顶钢材的高光谱识别如图1-1所示。
　　图1-1相同油漆下不同屋顶钢材的高光谱识别
　　偏振成像技术获取目标的二维空间信息和偏振信息。偏振信息能够反映目标表面的折射率、粗糙度、致密度、电导率、含水量等材料物理化学特征，不同的地物由于其表面特征不同，偏振度会有很大的差异，这些差异可以明显增强微弱目标与背景辐射之间的对比，也可以用于物质的分类与识别[2-4]。三种遥感效果的对比(目标为隐蔽在树林中的卡车)如图1-2所示。
　　图1-2三种遥感效果的对比(目标为隐蔽在树林中的卡车)
　　成像光谱技术和偏振成像技术都具有非常广阔的应用前景，例如，地球资源普查(矿产、森林植被、海洋鱼类与海藻)，环境灾害预报与监测(森林草场火灾、水涝灾害、土地盐碱化与沙化等)，大气气溶胶、冰晶云、卷云的探测，大气与水体污染的防控，大气微量成分的分析(温室气体、臭氧等)，大气垂直温度与风场、压力场探测，深空探测与天体物理研究等。因此，世界各国投入了大量的人力、物力，纷纷开展相关的理论研究与器件研究，取得了一系列成果，并有部分仪器发射升空。我国的碳卫星、高分五号卫星、珠海一号卫星、宽幅高光谱微纳卫星SPARK、风云三号气象卫星、环境一号A卫星、神舟三号、嫦娥一号等都搭载有成像光谱仪器或多波段成像偏振设备，在气象预报、环境灾害监测、资源调查、星空探索等领域发挥着不可替代的作用。
　　近年来，成像光谱技术和偏振成像技术出现了交叉融合的趋势，推动着光学遥感技术朝着多维度、多信息融合的方向发展。大量的理论研究及实践表明，多种光学遥感技术相结合必将大大增强光学遥感设备的地物识别能力，扩展仪器的使用范围，提高仪器的工作效率。如果空间成像、光谱探测、偏振探测融合产生的成像光谱技术和偏振成像技术是空间光学遥感技术的一次飞跃，那么成像光谱技术与偏振成像技术的融合则是一次新的飞跃，这方面的研究已引起欧美发达国家的关注[5-13]，成为空间光学遥感技术研究与发展的*前沿。在这种情况下，追赶世界先进水平，防止他国技术突袭，发展我国自有的成像光谱偏振探测技术具有十分重要的意义和应用价值。
　　1.1成像光谱技术
　　成像光谱技术是20世纪80年代发展起来的一种能够同时获取目标图像及图像上每一点光谱信息的先进光学探测技术，其获取的数据称为数据立方体[14]，如图1-3所示，实现这一功能的仪器即为成像光谱仪。
　　图1-3成像光谱仪获取的数据立方体
　　按光谱通道数及光谱分辨率的高低，成像光谱仪有多光谱、高(超)光谱、超高光谱之分。其中，多光谱通道数一般少于40个，光谱分辨率为几十至数百纳米；高(超)光谱通道数一般为100～1000个，光谱分辨率达到几纳米；超高光谱通道数在1000个以上，光谱分辨率达到零点几纳米，甚至更高。
　　按照光谱获取原理不同，成像光谱仪一般可分为色散型、干涉型(傅里叶变换型)、滤光片型、计算型四种，其中应用*多的是色散型和干涉型。
　　色散型成像光谱仪采用棱镜或光栅作为色散组件获取目标光谱，其典型代表有美国的机载可见光/红外成像光谱仪(airborne visible/infrared imaging spectrometer，AVIRIS)、澳大利亚的HyMap(hyperspectral mapper)等，如图1-4所示，目前商用成像光谱仪大多采用色散结构，如芬兰Specim公司基于棱镜-光栅-棱镜(prism-grating-prism，PGP)结构的成像光谱仪产品、美国Headwall Photonics公司基于凹面衍射光栅的成像光谱仪产品等(图1-5)，其工作波段主要集中在400～1000nm和900～2500nm。此类成像光谱仪具有技术成熟、性能稳定等优点，但高空间及光谱分辨率均需要小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比[15]，十分不利于弱光目标的探测。同时，光栅、棱镜分光成像结构存在谱线弯*、畸变等问题，影响了光谱成像质量，需要专门设计以进行校正。
　　图1-4两种典型的国外色散型成像光谱仪
　　图1-5两种商用微型成像光谱仪
　　20世纪80～90年代，干涉成像光谱仪出现，其具有光通量大、波长精度高、光谱探测范围宽等优点[16-18]，早期结构多为迈克耳孙型，在相同光谱分辨率下，光通量约为光栅型成像光谱仪的100倍[19]。但其在工作时，需要精密、稳定的动镜扫描，因此无法对目标光谱信息进行实时探测，应用环境和应用条件也受到了极大限制。为解决这一问题，人们研制出了空间调制型干涉成像光谱仪，典型代表有：美国佛罗里达理工学院研制的Sagnac型干涉成像光谱仪[20-22]、美国华盛顿大学研制的数字阵列扫描干涉成像光谱仪[23，24]等。空间调制型干涉成像光谱仪的特点如下[25]：
　　(1)光谱分辨率较高，在102～103量级，可达100个波段以上；
　　(2)光谱分辨率与狭缝大小无关，在空间分辨率允许的情况下，狭缝可加宽，大大提高了仪器的光通量和信噪比；
　　(3)波长精度高，可达1/106.(色散型成像光谱仪为1/102～1/103.)；
　　(4)可实现光谱数据的实时测量；
　　(5)结构简单紧凑。表1-1列举了部分国外典型成像光谱仪性能参数。
　　需要指出的是，近年来具有快照型光谱成像能力的计算光谱成像技术和焦平面集成微滤光片阵列光谱成像技术获得了飞速发展，已有部分商用产品推出。由于二者具有光谱视频获取能力，在计算机视觉领域获得了广泛关注。然而，计算光谱成像技术重建光谱数据的准确率低，焦平面集成微滤光片阵列光谱成像技术的像元串扰、相邻像元空间光谱失配等问题制约了两种技术的实际应用。
　　我国成像光谱技术和偏振成像技术的研究起步较晚，主要始于20世纪80年代末。从事成像光谱技术研究的机构主要有中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、西安交通大学、北京理工大学、南京理工大学、清华大学、南京大学、哈尔滨工业大学等。其中，研究出机载或星载成像光谱仪的机构主要有中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。其中，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所主要研究色散型成像光谱仪，中国科学院西安光学精密机械研究所主要研制干涉成像光谱仪。国内高等院校在新体制成像光谱技术研究方面非常活跃，西安交通大学开展了基于双折射晶体干涉器件的偏振干涉成像光谱技术研究，北京理工大学开展了声光可调谐滤波器(acousto-optic turnable filter，AOTF)成像光谱技术研究，清华大学、南京大学、西安电子科技大学、西安交通大学等开展了计算成像光谱技术研究。
　　中国科学院上海技术物理研究所于20世纪80年代中后期开展了成像光谱技术研究，先后开发出一系列航空型成像光谱仪：多角度成像光谱辐射计(multi-angle imaging spectro-radiometer，MAIS)、海洋和陆地多角度成像光谱辐射计(ocean and l and multiple-angle imaging spectro-radiometer，OMIS-1，OMIS-2)(图1-6(a))、偏振和超光谱成像仪(polarimetric and hyperspectral imager，PHI)、水超光谱成像仪(waterhyperspectral imager，WHI)(由两台PHI组成)、航天型中分辨率成像光谱仪(神舟三号、风云三号卫星)、大气超光谱成像仪(atmospheric hyper-spectral imager，AHSI)(高分五号卫星)等[26-30]。