四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的參數(shù)優(yōu)化方法
【專利說明】四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的參數(shù)優(yōu)化方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于偏振探測領(lǐng)域，涉及一種對(duì)高斯噪聲和泊松噪聲同時(shí)具有免疫能力的 四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的參數(shù)優(yōu)化方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 物體反射的電磁波中含有重要偏振遙感信息，不僅能用于去除背景噪聲，提供高 對(duì)比度的表面、形貌、陰影和粗糙度等信息，還可以用于反演目標(biāo)的尺寸、濃度等物理化學(xué) 特性。偏振成像是一種同時(shí)獲取目標(biāo)空間和偏振信息先進(jìn)遙感探測技術(shù)，對(duì)提高目標(biāo)探測、 識(shí)別及分類的效率和精準(zhǔn)度具有一定潛力，在軍事偵察、地球資源普查、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測、自 然災(zāi)害預(yù)報(bào)、大氣探測、天文觀測、機(jī)器視覺仿生、生物醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域都將具有重要 的應(yīng)用價(jià)值和前景。雖然偏振成像技術(shù)是一項(xiàng)新型的前沿遙感探測技術(shù)，但其獨(dú)特的遙感 探測優(yōu)勢(shì)已引起國內(nèi)外重要研宄機(jī)構(gòu)的重視。
[0003] 四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀主要由延遲器和線偏振器組合而成，其線性模 型為I = W ? S，其中I為含有4次測量強(qiáng)度的矢量，S為含有4個(gè)Stokes參數(shù)（Sp Si、S2、 S3)的Stokes矢量，W是與延遲器的延遲量和快軸方向有關(guān)的4X4維測量矩陣。一般當(dāng)線 偏振器固定不動(dòng)，通過改變4次延遲器的延遲量或快軸方向，測得4個(gè)強(qiáng)度，然后利用反演 算法S = W<I得出入射光的Stokes參數(shù)。由于測量過程中要遭受高斯噪聲或泊松噪聲的 影響，測得的Stokes參數(shù)信息將被噪聲淹沒或惡化。當(dāng)高斯噪聲占主導(dǎo)地位時(shí)，為了使測 得的三個(gè)參數(shù)（Si、S 2、S3)的噪聲方差分布等量化和最小化，文獻(xiàn)【1】針對(duì)單旋轉(zhuǎn)延遲器和 單固定線偏振器組合的全Stokes參數(shù)偏振儀提出了一種四次測量的優(yōu)化方法；他們通過 最小化測量矩陣的品質(zhì)因數(shù)：等權(quán)方差，得到了延遲器的優(yōu)化延遲量為132°，其快軸方向 相對(duì)于線偏振器的主透振方向的夾角依次為±51. 7°和±15. 1°即可。文獻(xiàn)【2】針對(duì)雙可 調(diào)諧延遲器和單固定線偏振器組合的全Stokes參數(shù)偏振儀提出了一種四次測量的優(yōu)化方 法。當(dāng)兩個(gè)延遲器的快軸方向固定時(shí)，通過最小化測量矩陣的條件數(shù)，得到優(yōu)化的延遲量， 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。文獻(xiàn)【3】針對(duì)雙旋轉(zhuǎn)延遲器和單固定線偏振器組合的全Stokes參數(shù)偏振儀 提出了一種四次測量的優(yōu)化方法。當(dāng)兩個(gè)延遲器的延遲量固定時(shí)，通過最大化測量矩陣的 效率，得到優(yōu)化的快軸方向，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。上述分時(shí)測量的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為分振幅型、 分孔徑型或分焦平面型快照式全Stokes偏振儀結(jié)構(gòu)，用以同時(shí)測量四種參數(shù)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度 信息。文獻(xiàn)【4-7】采用了上述三種方法的衍生函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于上述優(yōu)化方法及其 衍生函數(shù)均對(duì)測量矩陣的總體效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，因此得到結(jié)構(gòu)參數(shù)僅僅對(duì)高斯噪聲具有免疫 力，而對(duì)泊松噪聲無免疫力；也就是說，隨著入射光偏振態(tài)的改變，測得的三個(gè)參數(shù)（Sp S2、 S3)的噪聲方差分布將不在保持等量化和最小化。文獻(xiàn)【8】曾報(bào)道了一個(gè)理想偏振儀模型 的測量矩陣：
[0005] 利用該測量矩陣反演得出的Stokes參數(shù)對(duì)高斯噪聲和光子噪聲均具有免疫力。 但是該矩陣只是一個(gè)理想模型，至今尚沒有真正的全Stokes偏振儀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生該測量 矩陣。
[0006] 參考文獻(xiàn)：
[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).
[0011] 【5】D. Lara and C. Paterson，''Stokes polarimeter optimization in the presence of shot and Gaussian noise，〃0pt. Express 17,21240-21249 (2009) ?
[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). 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0015] 本發(fā)明的目的在于提供一種四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的參數(shù)優(yōu)化方法， 通過耦合四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的4X4測量矩陣和理想模型的4X4矩陣的優(yōu) 化方法，得出延遲器的一系列優(yōu)化延遲量和快軸方向，實(shí)現(xiàn)噪聲免疫。通過本發(fā)明的方法， 對(duì)于測量過程中存在的高斯噪聲或光子噪聲，均可使測得的四個(gè)Stokes參數(shù)的噪聲方差 最小化，后三個(gè)Stokes參數(shù)的噪聲方差等量化。
[0016] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0017] 四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0018] 四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的偏振調(diào)制元件包含沿入射光向依次設(shè)置的 一個(gè)或多個(gè)延遲器、一個(gè)固定的線偏振器，其中一個(gè)或多個(gè)延遲器用一個(gè)4X4Muller矩 陣塢表示，M K的各元素為延遲器的延遲量和延遲器的快軸方向的函數(shù)，固定的線偏振器用 另一個(gè)4X 4Muller矩陣MP表示，M P的各元素為常數(shù)；四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的 4X4Muller矩陣M = MPXMK;通過改變延遲器的延遲量和快軸方向四次，得到四個(gè)不同的 4X4Muller矩陣M ;然后提取每個(gè)矩陣M的第一行作為系統(tǒng)4X4測量矩陣W的每一行，建 立四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀的4X4測量矩陣為公式（1)
[0020] 其中，矩陣W的每一行代表一次測量對(duì)應(yīng)的參數(shù)，且每一行后三列元素均是延遲 器的延遲量和延遲器的快軸方向的函數(shù)；已知對(duì)高斯噪聲和泊松噪聲均具有免疫力的理想 模型的4X4矩陣為公式（2)
[0022] 建立使矩陣W后三列元素逼近矩陣W*后三列對(duì)應(yīng)元素的優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)，得到四次 測量分別對(duì)應(yīng)的延遲器的延遲量和快軸方向。
[0023] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：建立使矩陣W后三列元素逼近矩陣W*后三列對(duì)應(yīng)元素 的優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)為（3):
[0025] 其中，i = 1-4代表行數(shù)，j = 2-4代表列數(shù)；利用最小化算法得到四次測量分別 對(duì)應(yīng)的延遲器的延遲量和快軸方向。
[0026] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀中的每一次測量都 由沿入射光向依次設(shè)置的一個(gè)可調(diào)諧延遲器（110)、一個(gè)固定的水平線偏振器（120)、一個(gè) 探測器實(shí)現(xiàn)；可調(diào)諧延遲器（110)的延遲量為其快軸方向（111)相對(duì)于固定的水平線 偏振器（120)的主透振方向（121)的夾角為0 i，且逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)；利用 延遲器的4X 4Muller矩陣MK和偏振器的4X 4Muller矩陣M P，計(jì)算得到測量矩陣W的具體 形式為
[0028] 利用公式（3)使公式（4)的每一行逼近公式（2)對(duì)應(yīng)的每一行，得到四次測量對(duì) 應(yīng)的一系列優(yōu)化參數(shù)為：
[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] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：四次測量型全Stokes參數(shù)偏振儀中的每一次測量都 由沿入射光向依次設(shè)置的一個(gè)可調(diào)諧延遲器（210)、一個(gè)可調(diào)諧延遲器（220)、一個(gè)固定 的水平線偏振器（230)、一個(gè)探測器實(shí)現(xiàn)；可調(diào)諧延遲器（210)的延遲量為，其快軸方 向（211)相對(duì)于固定的水平線偏振器（230)的主透振方向（231)的夾角為0 li;可調(diào)諧延 遲器（220)的延遲量為S2i;其快軸方向（221)相對(duì)于固定的水平線偏振器（230)的主透 振方向（231)的夾角為0 2i;所有夾角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)；利用延遲器的 4 X 4Mu 11 er矩陣MK和偏振器的4 X 4Mu 11 er矩陣M P，計(jì)算得到測量矩陣W的具體形式，利用 公式（3)使測量矩陣W的每一行逼近公式（2)對(duì)應(yīng)的每一行，得到四次測量對(duì)應(yīng)的其中一 系列優(yōu)化參數(shù)為：
[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] 四次測量對(duì)應(yīng)的另一系列優(yōu)化參數(shù)為：
[0039] [( S n= 90。，S 21= 90。），（ 9 n= 31. 82°，9 21=-25. 34。）]，
[0040] [( S 12= 90。，S 22= 90。），（ 9 1