本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振辐射探测领域的偏振成像装置，特别涉及一种可实时获取二维空间目标全偏振信息的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及探测方法。
背景技术：
：：物体辐射的电磁波中含有目标的空间、光谱和偏振等重要遥感信息，不仅能用于反演目标的形态及物理化学等特性，还能去除背景噪声提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息。为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，应运而生了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术：偏振光谱成像技术。其数据产品既可视为每个波长对应的多维偏振图像，也视为每个偏振态对应的光谱图像，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。若按获取二维空间目标的偏振和光谱信息的方式来分，偏振调制模块和光谱分光模块均可分为时序式和快照式两大类【1,2】。当前，大多数偏振光谱成像技术都采用时序扫描方式(如画幅式、推扫式或窗扫式)获取二维场景的偏振光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。涉及的技术主要是将时序式偏振调制模块与快照式光谱分光模块结合。根据矢量形式的双向反射分布函数，外场遥感探测中二维空间目标的偏振辐射分布具有时间门和方位角效应。因此时序获取技术的时间分辨率将受限，不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性会影响成像质量，需要精确的空间定位系统。相比之下，快照式成像技术则可以实时探测目标在特定时刻特定方位角的偏振光谱分布，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响，确保图像、光谱、偏振的一致性。当前快照式偏振光谱成像主要采用色散光谱成像配合全偏振调制的方式进行，比如：通道偏振调制计算层光谱成像技术【3】、通道偏振调制图像分割光谱成像技术【4,5】、积分视场光谱偏振成像技术【6,7】等等，这些系统相对比较庞大，结构复杂。基于棱镜的通道偏振调制技术具有结构紧凑微型化的优点【8-10】，但是仅能测量单色光的全偏振信息；基于滤光片阵列的光谱成像技术也具有结构紧凑的优点【11-15】，但是仅能测量光谱信息。参考文献【1】j.s.tyo,d.l.goldstein,d.b.chenault,andj.a.shaw,"reviewofpassiveimagingpolarimetryforremotesensingapplications,"appl.opt.45,5453-5469(2006).【2】n.hagenandm.w.kudenov,"reviewofsnapshotspectralimagingtechnologies,"opt.eng.52,090901(2013).【3】d.s.sabatke,a.m.locke,m.r.descour,e.l.dereniak,j.p.garcia,t.k.hamilton,andr.w.mcmillan,"snapshotimagingspectropolarimeter,"opt.eng.41,1048-1054(2002).【4】美国发明专利，“imagemappedspectropolarimetry”，授权公告号：us9239263b2.【5】j.craven-jones,b.m.way,j.hunt,m.w.kudenov,andj.a.mercier,"thermallystableimagingchanneledspectropolarimetry,"proc.spie8873,88730j(2013).【6】中国发明专利，“快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置”，授权公告号：cn103592030b.【7】h.j.hoeijmakers,m.l.j.arts,f.snik,c.u.keller,d.m.stam,andj.m.kuiper,"designtrade-offandproofofconceptforloupe,thelunarobservatoryforunresolvedpolarimetryofearth,"opt.express24,21435-21453(2016).【8】美国发明专利，“imagingpolarimetry”，美国专利号：us7,336,360b2.【9】k.okaandt.kaneko,"compactcompleteimagingpolarimeterusingbirefringentwedgeprisms,"opt.express11,1510-1519(2003).【10】h.luo,k.oka,n.hagen,t.tkaczyk,ande.l.dereniak,"modelingandoptimizationforaprismaticsnapshotimagingpolarimeter,"appl.opt.45,8400-8409(2006).【11】r.shogenji,y.kitamura,k.yamada,s.miyatake,j.tanida,“multispectralimagingusingcompactcompoundoptics,”opt.express12(8),1643(2004).【12】b.geelen,n.tack,a.lambrechts,“asnapshotmultispectralimagerwithintegrated,tiledfiltersandopticalduplication,”spievol.8613,861314(2013).【13】美国发明专利，“snapshotspectralimagingsystemsandmethods”，美国专利号：us8081244b2.【14】美国发明专利，“snapshotspectralimagingoftheeye”，美国专利号：us8109634b2.【15】p.lapray,x.wang,j.thomas,andp.gouton,“multispectralfilterarrays:recentadvancesandpracticalimplementation,”sensors14,21626-21659(2014).技术实现要素：本发明的目的在于提供一种紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及方法，利用通道偏振调制和滤光片光谱调制的紧凑小型化和快照式优势，实现二维空间目标偏振辐射信息的高空间分辨率实时成像，不存在时差和方位角变化引起的信息失配等问题，不受环境变化因素影响。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统、微透镜阵列、全偏振调制模块、滤光片阵列和面阵探测器；全偏振调制模块包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜、第一半波片、第二双折射棱镜、第二半波片、第三双折射棱镜、第三半波片、第四双折射棱镜和线偏振片，它们均互相紧贴放置，滤光片阵列的前后两面分别紧贴线偏振片和面阵探测器的感光面放置；面阵探测器的感光面垂直于探测装置光轴并置于微透镜阵列的焦面位置；面阵探测器与数据采集处理系统相连接。进一步的，前置光学系统包括沿入射光向依次设置的物镜、空间光阑和准直镜；准直镜的前焦面与视场光阑位置重合。进一步的，滤光片阵列由若干不同中心波长的分立的窄带滤光片单元组成，各窄带滤光片单元的口径与微透镜阵列中各子透镜单元的口径一致，在垂直于探测装置的平面内各窄带滤光片单元的中心和各子透镜单元的中心一一对应。进一步的，滤光片阵列是一个线性渐变滤光片，微透镜阵列中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角，夹角大于0°，小于180°。进一步的，探测装置光轴水平设置，z轴平行于光轴，且z轴正方向由前置光学系统指向面阵探测器；y轴正方向竖直向上；x轴垂直于y轴和z轴，x轴、y轴和z轴构成正交坐标系且符合右手定则；第一双折射棱镜和第二双折射棱镜的主截面均在yz平面内且为长方形，长边沿y方向，短边沿z方向；第三双折射棱镜和第四双折射棱镜的主截面均在xz平面内且为长方形，长边沿x方向，短边沿z方向；第一双折射棱镜和第二双折射棱镜的双折射材料相同且中心总厚度相同，第三双折射棱镜和第四双折射棱镜的双折射材料相同且中心总厚度相同。进一步的，第一双折射棱镜由第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成；第二双折射棱镜由第三楔形棱镜和第四楔形棱镜组成；第三双折射棱镜由第五楔形棱镜和第六楔形棱镜组成；第四双折射棱镜由第七楔形棱镜和第八楔形棱镜组成；第一楔形棱镜和第四楔形棱镜的中心厚度相同，沿y正向变窄，沿y负向变宽；第二楔形棱镜和第三楔形棱镜的中心厚度相同，沿y正向变宽，沿y负向变窄；第五楔形棱镜和第八楔形棱镜的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽；第六楔形棱镜和第七楔形棱镜的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽。进一步的，第一楔形棱镜和第三楔形棱镜的快轴均在主截面yz平面内与y轴成大小相等方向相反的夹角；第二楔形棱镜和第四楔形棱镜的快轴均在xz平面内与x轴平行；第五楔形棱镜和第七楔形棱镜的快轴均在主截面xz平面内与x轴成大小相等方向相反的夹角；第六楔形棱镜和第八楔形棱镜的快轴均在yz平面内与y轴平行。进一步的，第一半波板和第三半波板的快慢轴位于xy平面内，它们的快轴均与x轴成45°夹角；第二半波板的快慢轴位于xy平面内，它的快轴与x轴成22.5°夹角；线偏振片的透振方向位于xy平面内，与x轴成45°夹角。进一步的，去除第二半波板后，将第三双折射棱镜的快轴方向、第三半波板的快慢轴方向、第四双折射棱镜的快轴方向和线偏振片的透振方向整体以探测装置光轴为旋转轴旋转45度。进一步的，滤光片阵列是一个线性渐变滤光片；微透镜阵列为平行四边形框架内的排列方式，微透镜阵列的第n+1列透镜相对于第n列透镜向上位移，使得微透镜阵列中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角，夹角大于0°，小于180°；n为正整数；或者，微透镜阵列为方形框架内的排列方式，微透镜阵列整体相对于线性渐变滤光片旋转，使得微透镜阵列中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角，夹角大于0°，小于180°。进一步的，微透镜阵列中的每个微透镜的口径形状为方形、圆形或者六边形。紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置的探测方法，包括以下步骤：二维空间目标发出的光依次进入前置光学系统变成平行光，透过微透镜阵列将光束进行会聚，透过全偏振调制模块和滤光片阵列聚焦于面阵探测器，数据采集处理系统控制面阵探测器快照一帧图像，得到被测二维目标在某一时刻某一波长下经偏振调制后的干涉强度信息，然后数据采集处理系统对数据进行重组并利用傅里叶变换解调算法重构全部stokes偏振参数对应的二维空间光谱图像。进一步的，一束入射光射经第一双折射棱镜和第二双折射棱镜在yz平面内角剪成两束第一出射光，两束第一出射光的延长线会聚于面阵探测器的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上；其中一束第一出射光经第三双折射棱镜和第四双折射棱镜在xy平面内角剪切成两束第二出射光，两束第二出射光的延长线会聚于面阵探测器的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上；一束第一出射光经第三双折射棱镜和第四双折射棱镜在xy平面内角剪切成两束第三出射光，两束第三出射光的延长线会聚于面阵探测器的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上。进一步的，一束入射光射入第一双折射棱镜后，在yz平面内被角剪切成两束正交偏振出射光，且偏振方向分别位于yz和xz平面内；两束出射光经过第一半波板后其偏振方向互换，接着直接进入第二双折射棱镜，不发生分束，只发生折射现象；然后两束出射光的偏振方向被第二半波板旋转45度；其中一束出射光进入第三双折射棱镜后，在xz平面内被角剪切成两束正交偏振第一出射光，且偏振方向分别位于xz和yz平面内，两束第一出射光经第三半波板后偏振方向互换，接着直接进入第四双折射棱镜，不发生分束，只发生折射现象；另一束出射光进入第三双折射棱镜后，在xz平面内被角剪切成两束正交偏振第二出射光，且偏振方向分别位于xz和yz平面内，两束第二出射光经第三半波板后偏振方向互换，接着直接进入第四双折射棱镜，不发生分束，只发生折射现象；最后从第四双折射棱镜出射四束偏振方向两两正交的偏振光，且偏振方向与线偏振片的透振方向成正负45角；四束光经线偏振片归一化偏振方向后，在面阵探测器的感光面上会聚于同一点，且该点处在入射光束的延长线上；四束光互相叠加干涉，形成四光束干涉条纹。进一步的，滤光片阵列是线性渐变滤光片，微透镜阵列中每一行透镜的排列方向与滤光片阵列中相同波长滤光的波线方向有夹角，使得获取的每行阵列图像中目标的不同空间位置均经历了相同波长的波线滤光；提取某行阵列图像中目标的不同空间位置所经历的相同波长的波线滤光强度，进行信息重组，得到该波长下的光谱二维图像；其它行阵列图像做类比处理，得到多个波长下的二维光谱图像。进一步的，一束入射光射入全偏振调制模块被分成四束光，四束光会聚在面阵探测器的感光面上同一点，且该点处在入射光束的延长线上。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、快照二维空间目标的一帧图像，即可得到各目标元的偏振光谱信息，同时保留各目标元的空间信息，时间分辨率高，避免了多次测量时因环境变化而带来的影响，二维空间数据关联有效，工作效率高。2、棱镜分束的四束光严格自聚焦，可以实现高空间分辨率偏振成像。滤光片阵列可采用商业化成熟的线性渐变滤光片，无需复杂的加工工艺，容易实现。本发明由于采用了不同波段通道的全偏振调制模块，快照一帧图像便可得到被测目标在某一时刻某一波段的全偏振编码干涉强度图像信息，先经过数据重组得到不同波长下的干涉强度信息，再利用傅里叶解调算法进行处理便可得到全部stokes偏振参数对应的二维空间光谱图像。相对于采用时序获取技术无需旋转、调谐或步进装置及相关精密定位装置，具有时间分辨率高，适于动态或快变目标，可避免抖动噪声和环境变化影响等特点；相对于基于分振幅、分孔径、分焦平面的快照式偏振成像装置而言，该装置无需图像精密配准技术，且空间分辨率可以与探测器保持一致。本发明在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。本发明将棱镜偏振术与滤光片阵列技术相结合，拓展棱镜结构和滤光片阵列结构，实现紧凑微型化的偏振光谱成像技术，实现图像、光谱、偏振的一体化快照式获取。本发明由于采用了微透镜和滤光片阵列组合的图像复制和光谱滤光模块，以及组合棱镜分光的全偏振通道调制模块，快照一帧图像便可得到被测二维目标在某一时刻的某波段经通道调制的干涉强度信息，利用傅里叶解调算法进行处理便可得到全部stokes偏振参数对应的二维空间偏振光谱图像。本发明在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。附图说明图1为本发明紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置的结构示意图。图2a是图1中的长方形框架内规则排列的微透镜阵列和由中心波长不同的若干滤光片单元所组成滤光片阵列示意图，各子透镜中心与各滤光片单元的中心一一对应。图2b是图1中的平行四边形框架内规则排列的微透镜阵列和线性渐变滤光片阵列示意图。图2c是图1中的长方形框架内规则排列的微透镜阵列和线性渐变滤光片阵列示意图，微透镜阵列相对于线性渐变滤光片在xy平面内旋转一个角度，角度大于0°，小于180°。图3是图1中的全偏振调制模块中各棱镜单元的快轴方向、各半波板的快慢轴方向、线偏振片的透振方向示意图。图4为图1中目标发出的光通过探测装置的侧视截面结构示意图。图5是图1中一束光通过全偏振调制模块中各偏振元件主截面的分束过程示意图。图中，10为前置光学系统、11为全偏振调制模块、12为面阵探测器，13为数据采集处理系统、14为微透镜阵列、15为滤光片阵列；101为物镜、102为视场光阑、103为准直镜；111为第一双折射棱镜、115为第一半波片、112为第二双折射棱镜、116为第二半波片、113为第三双折射棱镜、117为第三半波片、114为第四双折射棱镜、118为线偏振片，它们均互相紧贴放置，线偏振片紧贴面阵探测器的感光面放置；1111为第一楔形棱镜、11112为第二楔形棱镜、1121为第三楔形棱镜、1122为第四楔形棱镜、1131为第五楔形棱镜、1132为第六楔形棱镜、1141为第七楔形棱镜、1142为第八楔形棱镜。具体实施方式请参阅图1所示，本发明一种紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统10、微透镜阵列14、全偏振调制模块11、滤光片阵列15和面阵探测器12；全偏振调制模块11包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜111、第一半波片115、第二双折射棱镜112、第二半波片116、第三双折射棱镜113、第三半波片117、第四双折射棱镜114和线偏振片118，它们均互相紧贴放置，滤光片阵列15的前后两面分别紧贴线偏振片(118)和面阵探测器12的感光面放置；面阵探测器12的感光面垂直于探测装置光轴并置于微透镜阵列14的焦面位置；面阵探测器12与数据采集处理系统13相连接。请参阅图2a，滤光片阵列15由若干不同中心波长的分立的窄带滤光片单元组成，各窄带滤光片单元的口径与微透镜阵列14中各子透镜单元的口径一致，在垂直于探测装置的平面内各窄带滤光片单元的中心和各子透镜单元的中心一一对应。请参阅图2b和图2c所示，滤光片阵列15是一个线性渐变滤光片，微透镜阵列14中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角，夹角大于0°，小于180°。请参阅图1至图3所示，探测装置光轴水平设置，z轴平行于光轴，且z轴正方向由前置光学系统10指向面阵探测器12；y轴正方向竖直向上；x轴垂直于y轴和z轴，x轴、y轴和z轴构成正交坐标系且符合右手定则；第一双折射棱镜111和第二双折射棱镜112的主截面均在yz平面内且为长方形，长边沿y方向，短边沿z方向；第三双折射棱镜113和第四双折射棱镜114的主截面均在xz平面内且为长方形，长边沿x方向，短边沿z方向；第一双折射棱镜111和第二双折射棱镜112的双折射材料相同且中心总厚度相同，第三双折射棱镜113和第四双折射棱镜114的双折射材料相同且中心总厚度相同。请参阅图3所示，第一双折射棱镜111由第一楔形棱镜1111和第二楔形棱镜1112组成；第二双折射棱镜112由第三楔形棱镜1121和第四楔形棱镜1122组成；第三双折射棱镜113由第五楔形棱镜1131和第六楔形棱镜1132组成；第四双折射棱镜114由第七楔形棱镜1141和第八楔形棱镜1142组成；第一楔形棱镜1111和第四楔形棱镜1122的中心厚度相同，沿y正向变窄，沿y负向变宽；第二楔形棱镜1112和第三楔形棱镜1121的中心厚度相同，沿y正向变宽，沿y负向变窄；第五楔形棱镜1131和第八楔形棱镜1142的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽；第六楔形棱镜1132和第七楔形棱镜1141的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽。请参阅图3所示，第一楔形棱镜1111和第三楔形棱镜1121的快轴均在主截面yz平面内与y轴成大小相等方向相反的夹角；第二楔形棱镜1112和第四楔形棱镜1122的快轴均在xz平面内与x轴平行；第五楔形棱镜1131和第七楔形棱镜1141的快轴均在主截面xz平面内与x轴成大小相等方向相反的夹角；第六楔形棱镜1132和第八楔形棱镜1142的快轴均在yz平面内与y轴平行。第一半波板115和第三半波板117的快慢轴位于xy平面内，它们的快轴均与x轴成45°夹角；第二半波板116的快慢轴位于xy平面内，它的快轴与x轴成22.5°夹角；线偏振片118的透振方向位于xy平面内，与x轴成45°夹角。本发明探测装置，去除第二半波板116后，将第三双折射棱镜113的快轴方向、第三半波板117的快慢轴方向、第四双折射棱镜114的快轴方向和线偏振片118的透振方向整体以探测装置光轴为旋转轴旋转45度；探测功能和方法不变。请参阅图4至图5所示，本发明一种紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置的探测方法，包括以下步骤：二维空间目标发出的光依次进入前置光学系统10变成平行光，透过微透镜阵列14将光束进行会聚，透过全偏振调制模块11和滤光片阵列15聚焦于面阵探测器12，数据采集处理系统13控制面阵探测器12快照一帧图像，得到被测二维目标在某一时刻某一波长下经偏振调制后的干涉强度信息，然后数据采集处理系统13对数据进行重组并利用傅里叶变换解调算法重构全部stokes偏振参数对应的二维空间光谱图像。一束入射光射经第一双折射棱镜111和第二双折射棱镜112在yz平面内角剪成两束第一出射光，两束第一出射光的延长线会聚于面阵探测器12的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上；其中一束第一出射光经第三双折射棱镜113和第四双折射棱镜114在xy平面内角剪切成两束第二出射光，两束第二出射光的延长线会聚于面阵探测器12的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上；一束第一出射光经第三双折射棱镜113和第四双折射棱镜114在xy平面内角剪切成两束第三出射光，两束第三出射光的延长线会聚于面阵探测器12的感光面上，且会聚点处于入射光的延长线上。一束入射光射入第一双折射棱镜111后，在yz平面内被角剪切成两束正交偏振出射光，且偏振方向分别位于yz和xz平面内；两束出射光经过第一半波板115后其偏振方向互换，接着直接进入第二双折射棱镜112，不发生分束，只发生折射现象；然后两束出射光的偏振方向被第二半波板116旋转45度；其中一束出射光进入第三双折射棱镜113后，在xz平面内被角剪切成两束正交偏振第一出射光，且偏振方向分别位于xz和yz平面内，两束第一出射光经第三半波板117后偏振方向互换，接着直接进入第四双折射棱镜114，不发生分束，只发生折射现象；另一束出射光进入第三双折射棱镜113后，在xz平面内被角剪切成两束正交偏振第二出射光，且偏振方向分别位于xz和yz平面内，两束第二出射光经第三半波板117后偏振方向互换，接着直接进入第四双折射棱镜114，不发生分束，只发生折射现象；最后从第四双折射棱镜114出射四束偏振方向两两正交的偏振光，且偏振方向与线偏振片118的透振方向成正负45角；四束光经线偏振片118归一化偏振方向后，在面阵探测器12的感光面上会聚于同一点，且该点处在入射光束的延长线上；四束光互相叠加干涉，形成四光束干涉条纹。当前第1页12当前第1页12