高精度空间振幅调制光谱偏振探测技术研究

The approach explored in this paper is to encode the polarization information at each wavelength along the spatial dimension of a two-dimensional data array using static, robust optical wedge retarder components, a “spectral” dimension for the spectroscopy and a “spatial” dimension for the polarimetry. The amplitude modulation of the encoding of the polarization information is independent of the choice of spectral resolution. The two aspects of the measurement, the spectroscopy and the polarimetry, may be optimized independently. By acquiring full polarimetric information in a single observation, we simplify polarimetry of transient sources and in situations where the instrument and target are in relative motion. The robustness and simplicity of the approach, coupled with its potential for high sensitivity, and applicability over a wide wavelength range, is likely to prove useful for applications in planetary exploration in space.. The researches carry through the combination of theory analysis and experiment. Firstly, the research focus on the principle of Spatial Amplitude Modulation Spectropolarimetry, the key parameter is being obtained through the computer simulation and optimization. And then the experimental hardware of it is constructed based on the principle analysis, whose characters, such as the Mueller matrices and instrument estimation errors, is being researched, all the results of the research will promote the practical application of the Spatial Amplitude Modulation Spectropolarimetry.

空间振幅调制光谱偏振探测技术利用光劈延迟器将偏振信息调制在与光谱色散方向相垂直的空间方向上，“空间维”用于偏振测量，“光谱维”用于光谱测量。这使得偏振信息获取与光谱信息获取相互独立，避免了光谱强度调制方法中偏振信息获取对光谱分辨率的依赖，实现光谱测量和偏振测量同时优化。此技术单次测量即可获取全部光谱偏振信息，瞬态目标或仪器与目标存在相对运动的情形都能实现高精度偏振测量。通过工程化设计可实现结构紧凑，体积小巧，测量精度高的光谱偏振探测设备，将为我国行星空间探测提供一种新的测量手段。.在课题研究过程中采用理论分析与实验相结合的方法，首先进行高精度空间振幅调制光谱偏振探测技术的机理研究，利用计算机模拟分析来确定关键参数并评估误差来源；在机理研究的基础上搭建实验测量装置开展原理性实验研究，为高精度空间调制光谱偏振探测技术的空间实际应用奠定基础。

光谱偏振测量目前在天文学观测、航空航天遥感和生物医学诊断等诸多领域都得到了广泛的应用，其探测方法大致可归纳为分时调制、空间调制和光谱强度调制方法。分时调制和空间调制测量方法存在差分效应，导致偏振测量精度不高；光谱强度调制方法可获取宽带光谱偏振信息，但是会牺牲光谱分辨率。上述方法无法满足行星探测（特别是类地行星探测）必须同时实现高精度的光谱偏振测量、宽的光谱覆盖范围以及高的灵敏度的要求。空间振幅调制光谱偏振探测技术保留了光谱强度调制方法的优点，同时又避免了偏振信息与光谱信息获取过程中的相互干扰。本技术亦可实现结构紧凑，体积小巧，测量精度高的光谱偏振探测设备，可为我国行星空间探测提供一种新的测量手段。.在理论上推导了不同结构形式（特别是双复合光楔的组合形式）下空间调制光谱探测方法的米勒矩阵及其系数矩阵，基于理论推导结果编写完成相应的仿真软件程序，利用程序仿真获取各种结构形式下空间调制光谱表现形式的结果。利用程序仿真分析了器件加工误差的对于偏振测量精度的影响研究以及定标校正方法的研究。.依据理论推导完成原理实验方案设计与装置搭建。选用透射光栅作为分光元件，采用透射式准直与成像镜头重新构建光谱仪系统。通过理论分析，完成了光劈延迟器材料和结构参数设计。利用搭建的实验装置，采用积分球作为光源进行不同偏振态条件下2D光谱偏振调制图像的获取，通过与相应的仿真图像比较可证明此技术的原理可行性。.采用窄带滤光片和光谱定标光源相结合，获取了分立光谱通道下不同入射偏振态条件下2D光谱偏振调制的图像数据。采用最小二乘法方法对原始数据进行解调，在未定标的情况下，解调后的偏振度测量精度分别为Q≤2.5%；U≤4.2%；V≤7.1%，同时对于影响调制精度的因素进行了分析，主要是双复合光劈延迟器的轴心偏移造成的延迟器量变化导致不同参数之间的串扰。