紫外偏振成像系统定标实验方法研究

曾献芳,贾镕,王孙晨,王荣昌,任帅军

(1安徽水利水电职业技术学院,安徽 合肥 230601;2中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院信息工程系,安徽 合肥 230031;3偏振光成像探测技术安徽省重点实验室,安徽 合肥 230031)

0 引 言

偏振成像探测技术是一种新型光电成像探测技术,能够同时获取目标强度和偏振信息,通过强度信息和偏振信息融合实现目标检测。由于偏振信息是矢量信息,具有方向性、瞬态性等特点,与目标表面材质和理化特性密切相关,有利于在低对比度、低信噪比环境中实现目标探测[1]。紫外偏振成像探测技术结合了紫外探测和偏振探测的优势,在仿生导航、生物医学和宇航探测等方面有着广阔前景。例如,通过检测散射信号的强度和偏振信息,可以实现紫外偏振光的导航和通信研究[2,3];通过追加主动光并探测潜指纹辐射的紫外偏振信号,可以检测到不同介质上的潜指纹[4];通过探测星体的紫外偏振光,可以实现对星体组成及远距离紫外偏振光对宇宙双折射限制的研究[5,6]。

偏振成像技术的研究是从上世纪七十年代开始,科学家们陆续开展成像体制及系统的研究工作,其中可见光和红外波段偏振成像技术较为成熟[7,8],成像系统发展较快,而紫外偏振成像探测系统由于受到器件和材料的制约,研制较为缓慢。

为了保障测量数据的精确性,偏振成像系统需要进行定标。偏振成像系统的定标需要研究系统定标模型,然后制定定标链路,最后开展实验对系统的相关参数进行标定。在国外,Bret-Dibat等[9]针对法国POLDER仪器研究了一种实验室偏振定标方法,通过对系统仿真建立了偏振辐射模型,实现了对系统各项指标的分析和定标。在国内,中科院长春光机所张海洋等[10]针对分振幅偏振成像系统建立了海面耀光的在轨定标模型,并提出了星载检偏器定标法。合肥工业大学闫羽等[11]为了提升微偏振片阵列型长波红外成像系统精度,通过相关实验得到了入射光功率与系统像元的响应值之间的关系,计算了系统的消光比等相关参数,最终获取了高精度的偏振信息。

目前对于偏振系统的定标主要针对可见光和红外偏振成像系统,对于紫外偏振成像系统的定标实验方法研究较少。本文根据紫外偏振分时成像系统的设计原理提出了相应的实验定标方法,首先利用积分球辐射源对系统进行响应线性定标,得到系统响应随辐射变化的线性变化规律;然后获取系统的非均匀性校正参数,对系统均匀性进行校正;最后使用宽波段大范围偏振度可调光源对系统进行偏振定标,完成对紫外偏振成像系统的偏振信息误差校正。

1 定标实验方法研究

1.1 定标方法

偏振成像系统的定标按照系统工作模式主要分为实验室定标和在轨定标两类,实验室定标通过改变实验室的条件,对系统的各项参数进行标定,将偏振成像结果进行误差校正,获得精度更高的数据[12]。对于偏振成像系统的定标内容包括辐射定标和偏振定标两部分,其中辐射定标主要是检测系统的辐射响应误差并进行校正,是整个系统定标的基础;偏振定标是对系统探测得到的偏振信息进行校正,得到目标真实的偏振信息。定标流程图如图1所示。

图1 紫外偏振成像系统定标方法研究流程图Fig.1 Flow chart of calibration method of uv-polarization imaging system

1.2 辐射定标方法

紫外偏振成像系统的辐射定标是指确定成像系统各个波段的输入辐射量(具有辐射亮度值量纲的量)与输出辐射量之间的定量关系[13]。首先在图像采集过程中,需要采集成像系统的暗噪声图像,将正常采集图像减去暗噪声图像,便可以得到去噪后图像;然后对整个成像系统各个波段光谱响应曲线进行分析,通过响应线性分析,判断成像系统中前置光学设备的加入对系统的光谱响应线性关系是否产生影响;最后使用非均匀性校正因子对去噪后的图像进行非均匀性校正,校正不同像素点的光谱响应不均匀性,获得非均匀校正图像。辐射定标光路图如图2所示。

图2 辐射定标光路图Fig.2 Radiation calibration of optical path

1.3 偏振定标方法

偏振成像系统的偏振定标是指各个波段的标准偏振态参考光源输出偏振度与偏振成像探测系统输出偏振度之间的定量关系[14]。偏振定标方法根据使用的偏振定标光源的类型,主要分为自然景物光源定标、线偏振片定标、可调偏振度光源定标等方法。实验中选择可调偏振度光源定标法,该方法设计一个偏振度可以在一定范围内变化的偏振定标光源,通过它产生不同偏振度的光,并与成像系统的偏振探测结果进行比对,从而得到成像系统偏振定标数据,此方法的重点在于偏振度调节的原理和实现。在分时成像系统的单光路通道内,偏振定标光路传输示意图如图3所示。

图3 偏振定标光路传输示意图Fig.3 Transmission diagram of polarization calibration optical path

2 定标实验及分析

2.1 辐射定标

2.1.1 辐射定标设备

积分球辐射源选用的是可提供均匀稳定亮度(辐亮度)的标准源,具有亮度均匀性好、亮度调节范围大、稳定度高、使用方便、输出电流可设定等优点,技术指标如表1所示。

表1 积分球技术指标Table 1 Technical indicators of the integrating sphere

成像系统为分时型紫外偏振成像系统[4],其中系统的电动转轮模块安装有4个窄带滤光片,可以探测254、280、340、365 nm等4个紫外波段的目标信息;电动谐振滑动模块安装了3个金属线栅偏振片,可以采集0°、60°、120°方向的偏振信息,如图4所示。这种分时型结构紫外偏振成像系统设计可以获取对实时性要求较低目标的偏振信息,有助于对目标的紫外偏振反射特性进行分析。

图4 紫外偏振成像探测系统。(a)外观图;(b)俯视图Fig.4 UV polarization imaging detection system.(a)Visual drawings,(b)top view

整个测试过程在室内实验室中进行,实验室温度保持在20～25°C,湿度保持在50%以下。将系统放置在高度调整架上,设置调整架使系统的通光孔位于积分球辐射源或偏振度可调光源的中心,将出射面充满系统视场,并使系统的光轴垂直于光源。

2.1.2 系统响应线性定标

系统的暗电流是指系统在无光信号条件下系统的响应,主要是系统中转轮、探测器等器件产生热信号造成的系统误差,与所处的实验环境也有关系。测试方法是让系统在典型的工作条件下,挡住系统的入光孔进行测量,从获得的16位图上分析其亮度DN值,其中DN值取探测器所有像素的平均值。经过检测可以得到暗电流平均值为14.5,标准偏差为0.41。

稳定度是指系统在运行状态下一段时间内系统响应的重复精度。对紫外偏振成像探测系统测试时需打开积分球辐射源及系统至稳定状态,每隔10分钟测量记录一次,连续测量5次,测量的相对偏差即表示稳定度的大小。

对测量的一组数值进行数理统计,给出相对标准偏差(Relative standard deviation)DRS作为稳定性评估。其计算公式为

系统响应线性是指系统在均匀辐射条件下,响应随辐射亮度变化应呈线性变化规律[10]。系统入瞳处的光强I0与探测器响应值DN值之间的关系为

式中:A是系统的线性响应系数,C为系统的暗电流响应,B是常数项响应系数,该系数包括了系统的透过率和光电转化因子等相关参数。

实验在暗室条件下开展,为减小外界环境光照对系统的影响,选取系统积分时间为1/100 s。根据对系统稳定度的测量,系统的响应特性稳定,在一段时间内不会随着时间和环境改变而变化,即可得到入射光强I0与系统的DN值之间的线性对应关系,采用线性方程[15]表示为

其中c和b的表达式分别为

式中:xi和yi是实验中积分球第i个等级对应的系统响应DN值和入射光强I0。通过改变入射光强I0,便可以得到系统响应线性关系,从而得到c和b的值。

实验利用图2的辐射定标装置,按照系统响应范围将积分球辐射光强调整不同等级变化,每组实验采集10幅数据取平均值,在扣除系统暗电流响应后,运用最小二乘法将系统获取的不同波段的信号进行数值拟合计算,将获得数据进行线性校正获得校正参数,拟合结果如表2所示。图5为系统经过最小二乘法校正后的线性响应曲线。

表2 系统线性响应的多项式拟合结果Table 2 Polynomial fitting results of linear response of the system

图5 系统不同波段线性响应曲线Fig.5 Linear response curves of different bands of the system

由表3和图5可知,系统经过多次调整积分球相对强度对定标结果进行了验证,不同波段响应经过校正后均有良好的线性关系。通过以上辐射定标数据分析,可初步得出紫外偏振成像系统辐射稳定性优良,充分说明了定标方案的可行性,对紫外偏振成像系统的定标具有重要参考意义。

表3 不同波长对应的折射率和出射光偏振度范围Table 3 Refractive index and the range of polarization degree of emitted light for different wavelengths

2.1.3 系统均匀性定标

系统均匀性定标主要是检测均匀辐射条件下系统像元响应误差并进行校正,定标方法是选用均匀性较好的光源对系统进行照射,选择实验方法将系统像元响应校正到相同数值上。由于紫外偏振成像探测系统校正后不同波段线性响应较好,实验选用两点法对系统进行均匀性定标[16],该方法包含了系统的增益系数和偏置误差等相关参数,具有定标精度高的优势。

由于探测器每个像元输出信号都不相同,会存在增益和偏置的现象。所以希望通过“两点校正法”对各像元的原始输出响应进行增益校正和偏置误差校正,即对每一个光敏像素的实际输出响应与探测器视场的面阵范围内所有光敏像素输出响应值的平均值做相对校正。

式中:V(i,j,φ1)和V(i,j,φ2)分别是系统取两个光辐射亮度φ1和φ2后探测器像元实际输出响应,和分别是系统取两个光辐射亮度φ1和φ2后探测器视场的面阵范围内所有光敏像素输出响应的平均值。由式(6)可以得到

系统均匀性定标实验是通过选用的积分球辐射源对紫外偏振成像探测系统进行共孔径均匀照射,其中设置两组系统响应范围内的辐射亮度,每组辐射亮度选取连续的10组数据做平均处理即为该亮度下的图像V(i,j,φ),取该图像所有像素输出响应的平均值为图像,通过式(7)获得系统的增益校正系数和偏置误差。如图6中对280 nm波段非均匀性校正原始图进行均匀性定标,可以看到图像均匀性有了明显提高,系统的非均匀性误差从9.5%降到了0.735%。

图6 280 nm波段均匀性定标前后的图像。(a)原始图;(b)校正后图像Fig.6 Images of 280 nm bands before and after nonuniformity correction.(a)Original image,(b)corrected image

2.2 偏振定标

2.2.1 偏振定标设备

光源选用宽波段大范围偏振度可调光源,该光源是由光源模块和起偏器模块组成,其中四片熔石英窗口搭载超高精度电动旋转台的组合可以使光源的出射光变成偏振度可调的宽波段光源,如图7所示。

图7 偏振度可调光源实物图Fig.7 Physical picture of a light source with adjustable polarization

2.2.2 偏振片绝对方位角定标

三个检偏通道中线偏振片方位角的误差也是影响系统采集数据精度的重要因素。偏振片绝对方位角主要利用偏振分析仪进行定标,使用单波段的偏振光源并产生固定方向的线偏振光,当旋转偏振片使得偏振分析仪接收到的能量最弱时,此时得到与该偏振方向垂直的角度即为偏振片绝对方位角。图8为0°偏振片绝对方位角的定标,设置光源产生90°的线偏振光,调整0°偏振片相对位置使得偏振分析仪接收到的能量最弱,调整后的位置即为0°偏振片绝对方位角,方位角校正后角度误差为±2°。

图8 偏振片0°偏振方向绝对方位角定标。(a)未加偏振片光源邦加球;(b)加0°偏振片光源邦加球Fig.8 Absolute azimuth calibration of polarizer 0°polarization direction.(a)Bunga sphere of light source without polarizer,(b)light source bunga sphere with 0°polarizer

2.2.3 偏振度定标

使用宽波段大范围偏振度可调光源对紫外偏振成像探测系统进行偏振测量精度分析,实验方法主要是调节偏光源模块使出射光变成准直光,并通过调节光源辐射亮度保证系统响应值在工作范围;将准直出射光对准起偏器腔体的入光口;调整起偏器模块中的高精度电动转台,改变熔石英窗口与入射光线的夹角,从0°开始旋转至70°,每隔5°进行偏振度采集;最后利用实验室的偏振度可调光源产生的线偏振光对紫外偏振成像系统进行偏振度检测。根据熔石英窗口的色散公式可以计算出不同波长入射光窗口的理论折射率,即

表3给出了不同波长对应的折射率和出射光偏振度范围。分别调节偏振度可调光源的熔石英窗口的旋转角度对340 nm和365 nm不同部分偏振光状态下的偏振度进行测试。起偏器模块旋转角度为0°～70°,宽波段大范围偏振度可调光源的偏振度范围在0°～0.75°。在30°～40°的旋转范围内,偏振可调光源的实测线性偏振度与理论偏振度吻合度较好,误差范围为0.69%～0.95%,均小于1%;在50°～70°的旋转范围内,误差较大,最大值达到了6.47%,主要是旋转角度造成的误差。总的来看宽波段大范围偏振度可调光源的装配和测试结果良好,表明该光源设计合理。

对紫外偏振系统进行定标处理,首先记录偏振光源不同旋转角度产生的偏振度,对紫外偏振成像探测系统各个通道接收到的光强进行计算,从而能够获取整个探测系统未定标前偏振度结果;然后将实测偏振度与理论偏振度进行对比,对偏振度误差进行校正;最后将校正前后的结果进行统计。以340 nm波段为例,偏振度定标结果统计表如表4所示。

表4 偏振度定标结果统计Table 4 Polarization calibration results statistics

根据表4的定标结果来看,未定标前,紫外偏振成像探测系统采集的偏振度与理论偏振度的误差随着偏振光源产生的偏振度增加逐渐增加,可能是因为起偏器角度过大带来的误差逐渐增加造成的。对系统进行偏振度定标后,使得系统偏振度的相对偏差控制在2%范围内,满足系统设计指标和实际需求。

3 结 论

根据紫外偏振分时成像系统的原理,设计了相应的定标方法和实验,完成了紫外偏振成像系统的辐射定标和偏振定标。通过辐射定标获取了系统响应线性关系、均匀性校正参数,并分析了其与波长的关系;通过偏振定标获取了系统的偏振定标参数,系统均匀性误差经定标后降至1%以内,偏振度测量误差小于2%,满足精度要求。紫外偏振分时成像系统定标实验方法推动了定标技术的发展,为紫外偏振目标探测提供了重要支撑。