胡劲松 宋志平

摘 要：偏振光谱强度调制（PSIM）是一种获取偏振光谱信息的新技术，测量数据处理是PSIM偏振光谱仪的关键模块之一。利用IDL程序设计语言，完成PSIM偏振光谱仪测量数据处理算法的集成设计。从PSIM技术原理出发，进行PSIM偏振光谱仪测量数据处理算法的数学推导，确立PSIM偏振光谱仪数据处理算法流程，编程实现了从光谱仪测量数据文件读入到待测光Stokes矢量元素谱及偏振度谱输出的完整过程，完成了PSIM偏振光谱仪数据处理算法的可视化设计，使其具有良好的用户界面。典型待测光源测量实验数据处理结果与理论分析结果的一致性证明了算法可行性和软件设计的正确性。同时，程序功能的可视化设计也使PSIM偏振光谱仪测量数据处理效率明显提升。

关键词：偏振光谱仪;数据处理;IDL编程语言;软件设计

DOI：10. 11907/rjdk. 182753

中图分类号：TP312文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0069-04

Abstract： Polarization spectral intensity modulation（PSIM） is a new technology for obtaining polarization spectral information and its measurement data processing is one of the key modules of  spectropolarimeter. The measurement data processing algorithms integrated design of spectropolarimeter based on polarization spectral intensity modulation （PSIM） technology has been completed by using an Interactive Data Language. Based on PSIM technology principle， the detail mathematical deduction for the spectropolarimeter measurement data processing algorithm was presented， the data processing algorithm process of the spectropolarimeter was established， and the whole procedure of reading data from the spectropolarimeter， data processing and outputting the results was realized by writing a software. The consistency between the experimental data processing results of the typical photometric sources and the theoretical analysis results show that the paper work is successful. Firstly， the visual design of the data processing algorithm of the spectropolarimeter is realized and it has a good user interface. Secondly， the correctness of the software design is verified by the coincidence between the results of the experimental data with the theoretical analysis results. Finally， the processing efficiency of the measurement data of the spectropolarimeter is improved significantly for the visual function designation.

0 引言

由于在天文觀测、生物医学、大气遥感监测、军事等领域皆具有独特的应用优势，近年来光的偏振态测量成为相关领域研究热点[1-5]。光的偏振状态可用Stokes矢量完整描述。来自目标反射光、辐射光的Stokes矢量元素谱含有与目标本征特性相关的信息。偏振光谱仪通过测量目标反射光、部分辐射光或完整的Stokes矢量元素谱信号，实现对目标相关特性参数的反演。偏振光谱强度调制（Polarization Spectral Intensity Modulation，PSIM）是实现目标4个Stokes矢量元素谱同步测量的先进技术。与常规偏振光谱仪相比，基于该技术的偏振光谱仪结构简单紧凑，无转动部件，探测器只需一次曝光，结合相关解析算法，即可从测量结果中解调得到待测光完整的Stokes矢量元素谱数据。强度调制技术在偏振光谱分辨率、测量精度、Stokes参量的完整性及测量系统成本与可靠性等方面，具有其它偏振光谱测量技术无法替代的优越性[6-9]。但PSIM偏振光谱仪数据处理算法相对较复杂，数据处理算法软件是PSIM偏振光谱仪的关键模块之一，其设计的正确性和可靠性直接影响仪器性能。IDL（Interactive？Data？Language）编程语言因在运算速度、图像处理及图形用户界面等功能方面的比较优势，近年来在遥感监测、医学影像处理等众多领域得到广泛应用[10-16]。因此本文基于IDL语言进行PSIM偏振光谱仪数据处理软件开发。

本文基于PSIM偏振光谱仪技术原理，推导分析PSIM偏振光谱仪数据处理算法，建立PSIM偏振光谱仪数据处理流程，利用IDL 编程语言实现数据处理算法软件的集成设计，并通过典型光源测量实验验证软件设计正确性。

1 PSIM偏振光谱仪技术原理

仪器由调制器和光栅光谱仪两大模块组成。两块延迟器和一块检偏器构成调制器模块，实现待测光4个Stokes矢量元素谱同步调制并叠加成强度谱输出。光栅光谱仪记录调制器输出的强度谱，通过傅里叶变换、滤波及解调制等数字信号处理过程，可从该强度谱中解析出待测光的4个Stokes矢量元素谱，实现偏振光谱仪的功能。该过程原理的详细数学推导如下[18]：

假定来自待测入射光的光谱偏振信息可用Stokes矢量元素谱完整描述为：

式中[σ]为波数（[σ=1λ]）。当入射光经过调制器模块后，其偏振特性的改变可由调制器模块中光学件的米勒矩阵级联运算得到。当调制器模块中的高阶延迟器和检偏器按图1所示的位置关系安装时，可推出调制器模块输出光的强度谱（或称功率谱）表达式为：

因此，入射光经过调制器模块后输出的[P（σ）]功率谱，可看作为经过不同频率载波信号调制的入射Stokes矢量元素谱的线性叠加，当忽略延迟器中O光、E光折射率差的色散性时，载波中心频率由延迟器厚度决定。光谱仪中的CCD探测器只需一次曝光，即可记录调制器模块输出的功率谱。

2 PSIM偏振光谱仪数据处理算法流程

由PSIM偏振光谱仪的技术原理可知，通过对PSIM偏振光谱仪记录的待测光强度谱数据[Pσ]进行傅里叶逆变换、滤波、傅里叶变换和解调制等处理，可得到待测光的4个Stokes矢量谱，完成待测光偏振光谱信息解析。具体数据处理算法流程如图2所示。

图2为PSIM偏振光谱仪数据处理算法流程。首先，将光谱仪测量得到的待测光强度谱数据[Pσ]进行傅里叶逆变换（IFFT），因为该强度谱数据是已调制待测光4个Stokes矢量元素谱的线性叠加，通过合理设计延迟器厚度，傅里叶逆变换后在光程差域中可以分开;再通过数字滤波，分别提取光程差域中的4个Stokes矢量，对滤波提取的各个量进行傅里叶变换（FFT），还原到波数域;最后进行解调制处理，将还原结果分别除以各自的解调系数，得到待测光的4个Stokes矢量元素谱。

3 PSIM偏振光谱仪软件集成设计与验证

基于图2的算法流程，利用IDL程序设计语言，完成PSIM偏振光谱仪数据处理算法软件的集成设计，实现了测量数据文件导入、算法处理及解调结果输出等相关功能。原始数据、中间处理结果及最终输出结果均为可视化。

软件采用结构化程序设计，主程序设计思路遵循PSIM偏振光谱仪数据处理算法流程，软件界面设计运用基于过程的GUI设计方法，读取数据选用数据文件格式输入和输出作为数据的处理方法。软件运行界面如图4所示。

为验证PSIM偏振光谱仪数据处理算法软件集成设计的正确性，在实验室对水平、垂直线偏振光及椭圆偏振光等典型偏振光源进行测量实验，并利用本文设计的软件对测量实验数据进行处理。部分处理结果如图5-图6所示。

图5（a）和6（a）是PSIM偏振光谱仪测量得到的水平和垂直线偏振光，理论表明其均仅含有[S0（σ）]和[S1（σ）]两个Stokes矢量，由式（2）可知其输出强度谱数据是[S0（σ）]和已调制的[S1（σ）]线性叠加而成，所以图5（a）和6（a）结果与理论分析吻合;图5（b）和6（b）是测量光譜的自相关函数，理论表明已调制的Stokes矢量在光程差域上是可以分离的，且已调制的[S1（σ）]的载波信号中心频率对应光程差域[B（σ）D2]处，已调制的[S0（σ）]的载波信号中心频率对应光程差域原点处，所以图5（b）和图6（b）的结果与理论分析相符;图5（c）和6（c）是测量数据解调得到的处理结果。理论表明水平线偏振光有[S0（σ）]和[S1（σ）]两个Stokes矢量且相等，不含有[S2（σ）]和[S3（σ）]分量。垂直线偏振光有[S0（σ）]和[S1（σ）]两个Stokes矢量，大小相等但符号相反。在实验误差合理范围内，图5（c）和6（c）的结果与理论分析一致;图5（d）和6（d）是水平和垂直线偏振光的偏振度，在有效测量波段内其偏振度近似为1，与理论结果一致。

4 结语

PSIM偏振光谱仪的特点是硬件结构简单，但算法流程较为复杂，涉及傅里叶变换、数字滤波、傅里叶逆变换及解调制等一系列数字信号处理过程，而数据处理算法是PSIM偏振光谱仪实现待测光偏振光谱信息获取的关键环节。为了更直观、高效地处理光谱仪测量得到的待测光谱数据，提取待测光的偏振光谱信息，本文在充分理解PSIM偏振光谱仪测量原理的基础上，确立了PSIM 偏振光谱仪数据处理流程。利用IDL程序设计语言，实现了PSIM偏振光谱仪测量数据处理软件的集成设计，并通过大量典型光源测量实验数据，验证了算法流程及数据处理软件设计的正确性。后续工作重点是优化软件设计，进一步提高PSIM偏振光谱仪偏振测量精度。

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（责任编辑：江 艳）