新型偏振干涉成像光谱仪信噪比研究

袁志林; 张淳民; 赵葆常

doi:10.7498/aps.56.6413

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摘要
基于辐射度学、电磁与偏振理论和傅里叶变换光谱学理论，从理论和实验上对超小型稳态偏振干涉成像光谱仪的信噪比进行了深入地分析与讨论.推导出了其信噪比的理论计算公式；采用计算机模拟给出了傍轴条件下信噪比随入射角的变化规律；深入分析了偏振干涉成像光谱仪所特有的偏振化方向对信噪比的影响.在调制度等于0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，给出信噪比随偏振器光轴偏角的变化关系，并给出最优化值.在最优化情况下，采用计算机模拟得出了信噪比随探测器像元数的变化规律，与干涉成像光谱实验结果完全相符.理论与实验结果表明，该偏振干涉成像光谱仪在高调制度的情况下具有高通量、高信噪比的显著特点，适合于航空航天、远距离目标和微弱信号的探测.该研究为新型偏振干涉成像光谱技术的研究和新型成像光谱仪的设计、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.

关键词:
偏振干涉成像光谱技术 /

信噪比 /

调制度
Abstract
Based on radiometry，electromagnetism and polarization theories and the Fourier transform spectroscopy，an in-depth study is conducted on the SNR of the self-developed ultra-compact static polarization interference imaging spectrometer (USPIIS) theoretically and experimentally. The theoretical equations of its SNR are deduced. Under paraxial approximation，the curve of the SNR changing with incidence angle is given via computer simulation. How the polarizing directions affect the SNR of USPIIS，which is a particular feature of the polarization interference imaging spectrometer，is deeply studied. When modulation depth equals 0.6，0.7，0.8，0.9 and 1.0，the curves of the SNR changing with polarizing directions are given respectively; after which the optimum value is recommended. Under optimum conditions，the changing laws of SNR with the elements of detector are obtained，which turned out the same as the prediction of the theory. The theoretical and experimental results both indicate that the novel imaging spectrometer has the properties of high throughput and high SNR under the condition of high modulation depth，which is suitable for aviation，remote sensing，weak signal testing applications. The work can provide theoretical basis and guidance for the design，development and engineering of polarizer，interferometer and polarization imaging interferometer.

Keywords:
polarization interference imaging spectroscopy /

signal-to-noise ratio /

modulation depth
作者及机构信息
袁志林¹,

张淳民¹,

赵葆常²

(1)西安交通大学理学院，西安 710049; (2)中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068

基金项目: 国家自然科学基金重点项目(批准号：40537031)，国家高技术研究发展计划(863项目)(批准号：2006AA12Z152)，国家自然科学基金(批准号：40375010;60278019)，陕西省科技攻关项目(批准号：2005K04-G18)和西安交通大学“985”信息电子平台资助的课题.
Authors and contacts
Yuan Zhi-Lin¹,

Zhang Chun-Min¹,

Zhao Bao-Chang²

(1)西安交通大学理学院，西安 710049; (2)中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068
参考文献

施引文献

[1]	史平, 马健, 钱轩, 姬扬, 李伟. 铷原子气体自旋噪声谱测量的信噪比分析. 物理学报, 2017, 66(1): 017201. doi: 10.7498/aps.66.017201
[2]	刘雪峰, 姚旭日, 李明飞, 俞文凯, 陈希浩, 孙志斌, 吴令安, 翟光杰. 强度涨落在热光鬼成像中的作用. 物理学报, 2013, 62(18): 184205. doi: 10.7498/aps.62.184205
[3]	田艳, 黄丽, 罗懋康. 噪声交叉关联强度的时间周期调制对线性过阻尼系统的随机共振的影响. 物理学报, 2013, 62(5): 050502. doi: 10.7498/aps.62.050502
[4]	张宣妮, 张淳民, 艾晶晶. 四分束风成像偏振干涉仪信噪比的研究. 物理学报, 2013, 62(3): 030701. doi: 10.7498/aps.62.030701
[5]	曾冰, 曾曙光, 张彬, 孙年春, 隋展. 提升啁啾脉冲激光信噪比的扫描滤波方法. 物理学报, 2012, 61(15): 154209. doi: 10.7498/aps.61.154209
[6]	张宣妮, 张淳民. 静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善. 物理学报, 2012, 61(10): 104210. doi: 10.7498/aps.61.104210
[7]	马再如, 隋展, 冯国英, 孙年春, 王屹山, 张彬, 陈建国. 光谱扫描滤波法提升飞秒激光信噪比的理论分析. 物理学报, 2012, 61(7): 074206. doi: 10.7498/aps.61.074206
[8]	张二峰, 戴宏毅. 光的偏振对热光关联成像的影响. 物理学报, 2011, 60(6): 064209. doi: 10.7498/aps.60.064209
[9]	朱化春, 张淳民. 偏振风成像干涉仪多波长探测理论研究. 物理学报, 2011, 60(7): 074211. doi: 10.7498/aps.60.074211
[10]	张淳民, 黃伟健, 赵葆常. 新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价. 物理学报, 2010, 59(8): 5479-5486. doi: 10.7498/aps.59.5479
[11]	邵旭萍, 龚天林, 陈艳, 陈景霞, 陈扬骎, 杨晓华. 不同载气下气体相对电离度的光谱诊断. 物理学报, 2010, 59(3): 1677-1680. doi: 10.7498/aps.59.1677
[12]	张一驰, 武寄洲, 马杰, 赵延霆, 汪丽蓉, 肖连团, 贾锁堂. 最优化参数控制提高超冷铯分子振转光谱的信噪比. 物理学报, 2010, 59(8): 5418-5423. doi: 10.7498/aps.59.5418
[13]	张淳民, 朱兰艳. 新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究. 物理学报, 2010, 59(2): 989-997. doi: 10.7498/aps.59.989
[14]	宁丽娟, 徐伟. 信号调制下分段噪声驱动的线性系统的随机共振. 物理学报, 2009, 58(5): 2889-2894. doi: 10.7498/aps.58.2889
[15]	步志超, 张淳民, 赵葆常, 朱化春. 大视场消色差温度补偿型风成像干涉仪调制度的分析与计算. 物理学报, 2009, 58(4): 2415-2422. doi: 10.7498/aps.58.2415
[16]	陈德彝, 王忠龙. 噪声间关联程度的时间周期调制对单模激光随机共振的影响. 物理学报, 2008, 57(6): 3333-3336. doi: 10.7498/aps.57.3333
[17]	简小华, 张淳民, 赵葆常. 研究干涉图处理与光谱复原的一种新方法. 物理学报, 2007, 56(2): 824-829. doi: 10.7498/aps.56.824
[18]	徐伟, 靳艳飞, 徐猛, 李伟. 偏置信号调制下色关联噪声驱动的线性系统的随机共振. 物理学报, 2005, 54(11): 5027-5033. doi: 10.7498/aps.54.5027
[19]	靳艳飞, 徐伟, 李伟, 徐猛. 具有周期信号调制噪声的线性模型的随机共振. 物理学报, 2005, 54(6): 2562-2567. doi: 10.7498/aps.54.2562
[20]	. 光纤在光子相关光谱中的研究. 物理学报, 2001, 50(8): 1507-1511. doi: 10.7498/aps.50.1507

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新型偏振干涉成像光谱仪信噪比研究

1. (1)西安交通大学理学院，西安 710049; (2)中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068

基金项目: 国家自然科学基金重点项目(批准号：40537031)，国家高技术研究发展计划(863项目)(批准号：2006AA12Z152)，国家自然科学基金(批准号：40375010;60278019)，陕西省科技攻关项目(批准号：2005K04-G18)和西安交通大学“985”信息电子平台资助的课题.

收稿日期: 2006-11-07

修回日期: 2007-01-05

刊出日期: 2007-11-20

摘要: 基于辐射度学、电磁与偏振理论和傅里叶变换光谱学理论，从理论和实验上对超小型稳态偏振干涉成像光谱仪的信噪比进行了深入地分析与讨论.推导出了其信噪比的理论计算公式；采用计算机模拟给出了傍轴条件下信噪比随入射角的变化规律；深入分析了偏振干涉成像光谱仪所特有的偏振化方向对信噪比的影响.在调制度等于0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，给出信噪比随偏振器光轴偏角的变化关系，并给出最优化值.在最优化情况下，采用计算机模拟得出了信噪比随探测器像元数的变化规律，与干涉成像光谱实验结果完全相符.理论与实验结果表明，该偏振干涉成像光谱仪在高调制度的情况下具有高通量、高信噪比的显著特点，适合于航空航天、远距离目标和微弱信号的探测.该研究为新型偏振干涉成像光谱技术的研究和新型成像光谱仪的设计、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.

关键词:

Study of SNR of a novel polarization interference imaging spectrometer

1.
(1)西安交通大学理学院，西安 710049; (2)中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068

Received Date: 07 November 2006

Accepted Date: 05 January 2007

Published Online: 20 November 2007

Abstract: Based on radiometry，electromagnetism and polarization theories and the Fourier transform spectroscopy，an in-depth study is conducted on the SNR of the self-developed ultra-compact static polarization interference imaging spectrometer (USPIIS) theoretically and experimentally. The theoretical equations of its SNR are deduced. Under paraxial approximation，the curve of the SNR changing with incidence angle is given via computer simulation. How the polarizing directions affect the SNR of USPIIS，which is a particular feature of the polarization interference imaging spectrometer，is deeply studied. When modulation depth equals 0.6，0.7，0.8，0.9 and 1.0，the curves of the SNR changing with polarizing directions are given respectively; after which the optimum value is recommended. Under optimum conditions，the changing laws of SNR with the elements of detector are obtained，which turned out the same as the prediction of the theory. The theoretical and experimental results both indicate that the novel imaging spectrometer has the properties of high throughput and high SNR under the condition of high modulation depth，which is suitable for aviation，remote sensing，weak signal testing applications. The work can provide theoretical basis and guidance for the design，development and engineering of polarizer，interferometer and polarization imaging interferometer.

Keywords:

polarization interference imaging spectroscopy /
signal-to-noise ratio /
modulation depth

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