光谱与偏振信息的融合成像及精细复原

The spectrum and polarization which are often used to identify the target are important radiation characteristics of the target. The detection technology that fuses spectral and polarization information and owns the advantages of both significantly improves the ability to effectively indentify the target in a complex background. It plays an important role in the field of military reconnaissance, disaster estimation and resource exploration. Around the problem of detecting the target spectra and polarization information, we are committed to research a fusing imaging method to detect hyperspectral and all Stokes polarization information. We detect all Stokes polarization information with the principle of light field imaging on the basis of the image plane interference imaging spectrometer. We get the pushbroom interference signals and recover the spectral information of the targets which have different spectral width by using the method of compressive samplingin order to improving the detection efficiency. As the same time, we research the high precision spectrum recovery method and super-resolution recovery method so as to find a good detection technology that can be used to get multi-scale spectrum and full polarization of targets. This project is the further research of hyperspectral imaging detection and spectral information recovery. And it plays an important role to broaden the idea of interference imaging spectropolarimeter technology.

光谱和偏振辐射特性是识别目标的重要光学参量，融合光谱和偏振信息的成像光谱偏振探测技术能有效利用两者的互补性，提高在复杂背景环境中有效识别目标的能力，在军事侦察、灾害估计、资源调查等领域将发挥重要作用。围绕目标的光谱和偏振信息探测问题，本项目研究一种能够探测高光谱、全Stokes偏振信息的融合成像方法。在像面干涉型成像光谱技术的基础上，研究利用光场成像的原理引入全Stokes偏振信息探测探测方法；对具有不同光谱宽度的目标采用压缩采样的方法进行干涉信号推扫和复原，提高像面干涉型成像光谱技术探测效率；研究干涉型成像光谱技术中光谱高精度复原方法和超分辨率复原方法；形成一种多尺度高光谱、全Stokes偏振信息的精细探测技术。本项目是对高光谱成像探测和光谱信息复原的更进一步研究，对拓宽干涉成像光谱偏振技术的思路具有积极意义。

光谱偏振融合成像技术集成了光谱成像技术和偏振成像技术，能够同时探测目标的图像信息、光谱信息以及偏振信息，为目标的探测与识别提供丰富可靠的信息依据，在环境监测、精准农业、伪装识别及矿物勘探等领域具有巨大的应用前景。本项目围绕光谱偏振融合成像问题，提出一种基于光场成像的光谱偏振成像方法，能够同时获取探测目标的高光谱、全Stokes偏振信息。.为获取目标的光谱信息，本项目首先研究了视场调制干涉成像技术的基本原理，提出基于二次成像的视场调制干涉成像光谱方法，可用于远场、近场及显微成像光谱探测。为实现偏振光谱信息的同步探测，在光场成像的基础上引入偏振调制技术，通过在成像系统中加入四组偏振元件，引入四组空间分离的偏振态光谱，实现目标高光谱、全Stokes偏振信息的精细探测，避免了通道偏振调制干涉成像光谱偏振技术中可能出现的偏振光谱干涉信号混叠的问题。此外，根据偏振调制组件特点，研究了偏振调制方案的优化方法。针对系统不同推扫模式下干涉信息的提取问题，研究了一种干涉图像亚像素级配准方法，提高干涉信息的提取准确度。针对偏振调制组件中存在的偏振元件角度误差，提出了基于傅里叶级数的玻片快轴与偏振片通光轴之间夹角的精确标定方法，用于计算偏振调制组件准确的系统矩阵，提高Stokes偏振参量光谱信息的计算精度。针对窄带宽偏振光谱信号存在采样冗余的问题，提出了窄带宽偏振光谱压缩采样方法，研究了多个非重叠窄带宽偏振光谱干涉信号压缩采样频率的计算方法，分析结果表明，在压缩采样情况下，复原窄带宽偏振光谱与模拟偏振光谱具有较高的吻合度。.在理论研究的基础上，本项目搭建了相关的实验装置进行了原理验证性实验。首先搭建了Sagnac型视场调制干涉成像光谱实验装置，光谱范围为450-700nm，平均光谱分辨率优于8nm。在此基础上设计了偏振调制组件，构建了基于光场成像的成像光谱偏振装置，探测目标的S0、S1、S2和S3偏振分量信息。利用实验装置对室内目标进行了成像光谱偏振探测，目标场景的偏振光谱复原图像准确清晰，所构建的数据立方体能够真实反映出对应目标的光谱及偏振特性。本项目的研究成果可以实现光谱信息、偏振信息以及图像信息的同步探测，为高维信息成像及精细目标分析提供一种新的研究思路及技术途径。