[發明專利]一種光學系統偏振靈敏度精確計算方法及系統

在審

• 申請號: 202211249456.2
• 申請日: 2022-10-12
• 公開（公告）號: CN115541200A
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發明（設計）人: 劉曉林;王小勇;阮寧娟;賀金平;黃穎;李妥妥;劉芳芳;王征;曹桂麗;賈永丹;田國梁;莊緒霞
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 高志瑞

本發明公開了一種光學系統偏振靈敏度精確計算方法及系統，其中，該方法包括：將光學系統的一個視場點發出的一束光分成多條采樣光線，計算每條采樣光線的瓊斯矩陣；根據每條采樣光線的瓊斯矩陣得到每條采樣光線的穆勒矩陣；根據每條采樣光線的穆勒矩陣得到該視場點對應的穆勒光瞳；根據該視場點對應的穆勒光瞳得到平均穆勒矩陣；根據平均穆勒矩陣得到偏振靈敏度。本發明彌補了傳統單光線估算法和定義法的不足，大大提升了計算精度和效率，提高了系統設計可靠性。

技術領域

本發明屬于光學遙感、天文觀測、激光雷達成像技術領域，尤其涉及一種光學系統偏振靈敏度精確計算方法及系統。

背景技術

光學遙感器的偏振特性成為影響輻射測量精度及定量化反演精度的重要因素之一。對于小F#亞微米高分辨率成像、含有復雜膜層的光學系統、高定量化遙感器等光學系統，必須考慮光學系統自身的偏振效應。太陽發出的非偏振光，經過大氣分子、氣溶膠及海洋表面等多次散射后，形成了部分偏振光進入空間遙感器。散射光的偏振度達到20％以上。由于光學遙感自身偏振效應的存在，具有相等輻射功率但偏振態不同的入射光，其傳感器輸出值是不等的，影響了遙感器探測精度，產生了測量的不確定性。

偏振靈敏度(LPS)是描述光學系統輸出光強對入射光偏振態的敏感程度，反映同一強度入射光的偏振態變化時，系統出射光強的變化。定義為：一束完全偏振光入射到光學系統，當入射光偏振方向轉過180°的過程中，系統最大輸出I_max與最小輸出I_min之差與它們之和的比值，如下式所示：

LPS為零，表示輸出光強與入射光強成恒定關系，與入射光偏振態無關。如果LPS為1，該光學系統可等效為一個偏振片，只通過一個方向的線偏光。LPS是光學系統的固有儀器特性，是波長和視場角的函數，與入射光強度和偏振特性無關。

有關光學儀器的偏振效應的研究，早在60-70年代，就報道了有關偏光顯微鏡、光譜儀、輻射計、相位陣列光學系統等偏振像差。1987年Russell A.Chipman在NASA太陽光電磁測量儀的偏振效應研究中，首次明確提出了偏振像差的概念及基本的偏振像差理論。1992年，NASA的Peter W.maymon聯合阿拉巴馬大學Russell A.Chipman依托中分辨率成像光譜儀(MODIS)項目，指出在高精度輻射測量系統中，必須要求光學系統的偏振敏感性低，首次提出線性偏振靈敏度(LPS)概念。2005年，N.Souaidia等人利用偏振光線追跡，采用逆向工程粗略仿真分析了MODIS膜層和掃描鏡引起的偏振特性，并與測量值進行對比和誤差分析。

但是，目前有關偏振靈敏度仿真分析方法，業內有采用定義法(先技術1，參見B.Van Gorp,P.Mouroulis,D.Wilson,K.Balasubramanian.Polarization and straylight considerations for the Portable Remote Imaging Spectrometer(PRISM),Proc.of SPIE Vol.7812,78120R,2010)和單光線估算法(先技術2，參見張銀召,王淦泉,劉定權.雙掃描鏡空間成像系統偏振特性分析,科學技術與工程,科學技術與工程13(14),2013；張鍔.降低海洋一號A衛星水色掃描儀偏振靈敏度的設計和計算.大珩先生九十華誕文集暨中國光學學會學術大會論文集，2004)。前者需要分別設置0°到360°范圍內不同方位角線偏光入射，獲得所對應的輸出光強。該方法計算時間較長，且無法直觀描述系統各個元件的偏振特性，不利于指導偏振抑制設計。后者是少量追跡單光線，依據光學表面入射角度及膜層特性用單光線的的雙向衰減特性近似解析估算。雖然單光學的雙向衰減特性可以間接反映儀器的偏振靈敏度的大下，但并不是準確的系統偏振靈敏度，存在一定的計算誤差。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種光學系統偏振靈敏度精確計算方法及系統，彌補了傳統單光線估算法和定義法的不足，大大提升了計算精度和效率，提高了系統設計可靠性。