四次测量型全Stokes参数偏振仪的参数优化方法
【专利说明】四次测量型全Stokes参数偏振仪的参数优化方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于偏振探测领域，涉及一种对高斯噪声和泊松噪声同时具有免疫能力的 四次测量型全Stokes参数偏振仪的参数优化方法。 【【背景技术】】
[0002] 物体反射的电磁波中含有重要偏振遥感信息，不仅能用于去除背景噪声，提供高 对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息，还可以用于反演目标的尺寸、浓度等物理化学 特性。偏振成像是一种同时获取目标空间和偏振信息先进遥感探测技术，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。虽然偏振成像技术是一项新型的前沿遥感探测技术，但其独特的遥感 探测优势已引起国内外重要研宄机构的重视。
[0003] 四次测量型全Stokes参数偏振仪主要由延迟器和线偏振器组合而成，其线性模 型为I = W ? S，其中I为含有4次测量强度的矢量，S为含有4个Stokes参数（Sp Si、S2、 S3)的Stokes矢量，W是与延迟器的延迟量和快轴方向有关的4X4维测量矩阵。一般当线 偏振器固定不动，通过改变4次延迟器的延迟量或快轴方向，测得4个强度，然后利用反演 算法S = W<I得出入射光的Stokes参数。由于测量过程中要遭受高斯噪声或泊松噪声的 影响，测得的Stokes参数信息将被噪声淹没或恶化。当高斯噪声占主导地位时，为了使测 得的三个参数（Si、S 2、S3)的噪声方差分布等量化和最小化，文献【1】针对单旋转延迟器和 单固定线偏振器组合的全Stokes参数偏振仪提出了一种四次测量的优化方法；他们通过 最小化测量矩阵的品质因数：等权方差，得到了延迟器的优化延迟量为132°，其快轴方向 相对于线偏振器的主透振方向的夹角依次为±51. 7°和±15. 1°即可。文献【2】针对双可 调谐延迟器和单固定线偏振器组合的全Stokes参数偏振仪提出了一种四次测量的优化方 法。当两个延迟器的快轴方向固定时，通过最小化测量矩阵的条件数，得到优化的延迟量， 实现最优化。文献【3】针对双旋转延迟器和单固定线偏振器组合的全Stokes参数偏振仪 提出了一种四次测量的优化方法。当两个延迟器的延迟量固定时，通过最大化测量矩阵的 效率，得到优化的快轴方向，实现最优化。上述分时测量的优化结构可以转化为分振幅型、 分孔径型或分焦平面型快照式全Stokes偏振仪结构，用以同时测量四种参数对应的强度 信息。文献【4-7】采用了上述三种方法的衍生函数进行优化设计。由于上述优化方法及其 衍生函数均对测量矩阵的总体效应进行优化，因此得到结构参数仅仅对高斯噪声具有免疫 力，而对泊松噪声无免疫力；也就是说，随着入射光偏振态的改变，测得的三个参数（Sp S2、 S3)的噪声方差分布将不在保持等量化和最小化。文献【8】曾报道了一个理想偏振仪模型 的测量矩阵：
[0005] 利用该测量矩阵反演得出的Stokes参数对高斯噪声和光子噪声均具有免疫力。 但是该矩阵只是一个理想模型，至今尚没有真正的全Stokes偏振仪结构能够产生该测量 矩阵。
[0006] 参考文献：
[0007] 【1 】D. S. Sabatke，M. R. Descour，E. L. Dereniak，W. C. Sweatt，S. A. Kemme，and G. S. Phipps, ''Optimization ofretardance for a complete Stokes polarimeter, 〃0pt. Lett. 25, 802-804(2000)..
[0008] 【2】J.S.Tyo/ ''Noise equalization in Stokes parameter images obtained by use of variable-retardance polarimeters，〃0pt. Lett. 25, 1198-1200 (2000)?
[0009] 【3】J. Zallat,A. S, and M. P. Stoll，"Optimal configurations for imaging polarimeters:impact of image noise andsystematic errors，〃J. Opt. A:Pure Appl. Opt. 8,807-814(2006).
[0010] 【4】A. Hollstein,T.Ruhtz,J.Fischer,and R. Preusker，"Optimization of system parameters for a complete multispectralpolarimeter，〃Appl. Opt. 48,4767-4773(2009).
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[0012] 【6】A. Peinado, A. Lizana, J. Vidal, C. lemmi, and J. Campos，''Optimized Stokes polarimeters based on a single twistednematic liquid-crystal device for the minimization of noise propagation，"Appl. Opt. 50,5437-5445(2011).
[0013] 【7 】C. He，J. Chang，Y. Wang，R. Liao, H. He，N. Zeng，and H. Ma，"Linear polarization optimized Stokes polarimeterbased on four-quadrant detector，"Appl. Opt. 54, 4458-4463 (2015) ?
[0014]【8】F. Goudail，"Noise minimization and equalization for Stokes polarimeters in the presence of signal-dependentPoisson shot noise，〃0pt. Lett. 34, 647-649(2009). 【
【发明内容】
】
[0015] 本发明的目的在于提供一种四次测量型全Stokes参数偏振仪的参数优化方法， 通过耦合四次测量型全Stokes参数偏振仪的4X4测量矩阵和理想模型的4X4矩阵的优 化方法，得出延迟器的一系列优化延迟量和快轴方向，实现噪声免疫。通过本发明的方法， 对于测量过程中存在的高斯噪声或光子噪声，均可使测得的四个Stokes参数的噪声方差 最小化，后三个Stokes参数的噪声方差等量化。
[0016] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0017] 四次测量型全Stokes参数偏振仪的参数优化方法，包括以下步骤：
[0018] 四次测量型全Stokes参数偏振仪的偏振调制元件包含沿入射光向依次设置的 一个或多个延迟器、一个固定的线偏振器，其中一个或多个延迟器用一个4X4Muller矩 阵坞表示，M K的各元素为延迟器的延迟量和延迟器的快轴方向的函数，固定的线偏振器用 另一个4X 4Muller矩阵MP表示，M P的各元素为常数；四次测量型全Stokes参数偏振仪的 4X4Muller矩阵M = MPXMK;通过改变延迟器的延迟量和快轴方向四次，得到四个不同的 4X4Muller矩阵M ;然后提取每个矩阵M的第一行作为系统4X4测量矩阵W的每一行，建 立四次测量型全Stokes参数偏振仪的4X4测量矩阵为公式（1)
[0020] 其中，矩阵W的每一行代表一次测量对应的参数，且每一行后三列元素均是延迟 器的延迟量和延迟器的快轴方向的函数；已知对高斯噪声和泊松噪声均具有免疫力的理想 模型的4X4矩阵为公式（2)
[0022] 建立使矩阵W后三列元素逼近矩阵W*后三列对应元素的优化评价函数，得到四次 测量分别对应的延迟器的延迟量和快轴方向。
[0023] 本发明进一步的改进在于：建立使矩阵W后三列元素逼近矩阵W*后三列对应元素 的优化评价函数为（3):
[0025] 其中，i = 1-4代表行数，j = 2-4代表列数；利用最小化算法得到四次测量分别 对应的延迟器的延迟量和快轴方向。
[0026] 本发明进一步的改进在于：四次测量型全Stokes参数偏振仪中的每一次测量都 由沿入射光向依次设置的一个可调谐延迟器（110)、一个固定的水平线偏振器（120)、一个 探测器实现；可调谐延迟器（110)的延迟量为其快轴方向（111)相对于固定的水平线 偏振器（120)的主透振方向（121)的夹角为0 i，且逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；利用 延迟器的4X 4Muller矩阵MK和偏振器的4X 4Muller矩阵M P，计算得到测量矩阵W的具体 形式为
[0028] 利用公式（3)使公式（4)的每一行逼近公式（2)对应的每一行，得到四次测量对 应的一系列优化参数为：
[0029] [ S 1= 102. 2。，9 != 71. 9。]，
[0030] [ 8 2= 102.2° , 0 2= -71.9° ],
[0031] [ 8 3= 142. 1° , 0 4= 34. 95° ],
[0032] [ S 4= 142. 1。，9 4=-34. 95。]。
[0033] 本发明进一步的改进在于：四次测量型全Stokes参数偏振仪中的每一次测量都 由沿入射光向依次设置的一个可调谐延迟器（210)、一个可调谐延迟器（220)、一个固定 的水平线偏振器（230)、一个探测器实现；可调谐延迟器（210)的延迟量为，其快轴方 向（211)相对于固定的水平线偏振器（230)的主透振方向（231)的夹角为0 li;可调谐延 迟器（220)的延迟量为S2i;其快轴方向（221)相对于固定的水平线偏振器（230)的主透 振方向（231)的夹角为0 2i;所有夹角逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；利用延迟器的 4 X 4Mu 11 er矩阵MK和偏振器的4 X 4Mu 11 er矩阵M P，计算得到测量矩阵W的具体形式，利用 公式（3)使测量矩阵W的每一行逼近公式（2)对应的每一行，得到四次测量对应的其中一 系列优化参数为：
[0034][( S n= 102。，S 21= 110. 1。），（ 0 n= 63. 53。，9 21=-7. 09。）]，
[0035][( S 12= 102。，S 22= 110. 1。），（ 0 12=-63. 53。，9 22= 7. 09。）]，
[0036] [( S 13= 63. 8。，S 23= 154. 2° )，（ 9 13= 80. 73° ，9 23= 56. 45° )]，
[0037] [( S 14= 63. 8。，S 24= 154. 2。），（ 9 14=-80. 73。，9 23=-56. 45。）];
[0038] 四次测量对应的另一系列优化参数为：
[0039] [( S n= 90。，S 21= 90。），（ 9 n= 31. 82°，9 21=-25. 34。）]，
[0040] [( S 12= 90。，S 22= 90。），（ 9 1