高光谱偏振技术作为一种综合了高光谱和偏振成像的先进技术，近年来在多个科学领域引起了广泛关注。通过结合高光谱的光谱信息和偏振成像的极化特性，高光谱偏振技术提供了更加全面、深入的材料和场景特性信息。其应用领域涵盖了遥感、医学、生物、海洋和军事等多个领域，为科学研究和实际应用提供了丰富的数据基础。
据麦姆斯咨询报道，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院大学和长光禹辰信息技术与装备（青岛）有限公司组成的科研团队全面综述高光谱偏振技术的研究进展，并展望其未来发展方向。相关研究内容以“高光谱偏振技术的研究进展及展望”为题发表在《光学精密工程》期刊上。
高光谱偏振成像技术
高光谱偏振成像技术是一种结合了光谱学与偏振学的技术，它通过分析物质对不同波长光的吸收特性及偏振状态的变化，实现了更为精细的物质识别与分析。这项技术不仅继承了传统吸收光谱技术的能力，而且通过偏振信息的分析，进一步提高物质识别的准确性和对其特性的检测能力。这里将探讨高光谱偏振技术的发展历程、基本原理及其在科学研究和实际应用中的分类与作用。
高光谱成像技术通过其灵活的数据描述方式，包括图像、光谱和特征三种模型，提供了一种全新的研究手段。高光谱成像的光谱带更广、分辨率更高，但同时也带来了信息过度冗余的问题，使得数据处理变得更加复杂。高光谱成像系统通常由光学成像设备、光谱仪和探测器组成。光从目标物体反射或发射出来，通过光学成像设备聚焦后进入光谱仪。光谱仪将光分解为多个波长，并由探测器记录每个波长的光强。这样，每个像素对应一个光谱曲线，包含了目标物体在多个波长下的光谱信息。通过分析这些光谱信息，可以识别和区分不同的物质成分。
偏振成像技术利用光的偏振特性，通过测量和分析光的偏振状态来获取目标物的信息。光波是横波，其电场矢量在传播方向垂直的平面内振动。自然光通常是非偏振光，但经过散射、反射等过程后会产生部分或完全偏振光。偏振成像技术通过测量这种偏振状态的变化来获取目标物的特征。偏振成像系统通常由偏振滤光片、成像设备和探测器组成。偏振滤光片可以选择性地透过特定偏振方向的光，通过旋转或使用多个固定偏振方向的滤光片，可以获取不同偏振状态下的图像。这些图像可以用Stokes矢量来表示偏振特征参数，从而丰富了对目标物的信息理解，并提升了检测与识别的效率。偏振成像技术是将偏振技术和成像技术融合的技术，其既能够获取目标的二维空间信息，又能测得目标的斯托克斯参量。
将光谱成像与偏振成像融合，就形成了高光谱偏振成像技术。这种结合的基本原理在于同时获取目标物的光谱信息和偏振信息，高光谱偏振成像系统配备了高光谱相机和偏振滤光片。高光谱相机负责捕捉目标物在不同波长下的光谱信息，而偏振滤光片则用于获取光的不同偏振状态。通过同步获取每个像素的光谱和偏振数据，形成一个包含光谱和偏振信息的多维数据集。这种技术在可见光至近红外波段中，通过分析物质反射的太阳光的偏振状态变化，捕获地表物质的特征信息。高光谱偏振成像技术能够同时获取目标的空间强度、光谱和偏振信息，构建起数据超立方体，如图1所示，提供了一种全新的研究手段。
图1 偏振光谱数据超立方体示意图
高光谱偏振成像仪发展现状
目前，国内外对高光谱偏振成像仪的研究逐步深入，出现了多种基于不同原理的探测仪器，预示着这一技术在未来的应用前景将更加广阔。实现高光谱偏振成像可以在偏振成像中加入分光器件，实现对不同光谱的测量，根据不同的设计原理，可以分为色散型、干涉型、滤光片型、计算机层析型等。基于色散的光谱偏振成像技术是在色散光谱仪中插入偏振探测模块，实现目标的偏振、光谱探测，该技术具有高光谱分辨率且能够同时获取光谱和偏振信息的优点；基于干涉原理的光谱偏振成像技术通过使用干涉仪对入射光进行分波长处理，实现对各个波长分量的偏振状态进行探测。该技术具有高灵敏度的优点，特别适合于进行精确度要求较高的偏振测量任务；滤光片型的光谱偏振成像技术是通过滤光片选择特定波长的光，然后通过偏振元件来测量所选波长光的偏振状态。这种方法具有简单实用的特点，适用于检测特定波长和特定偏振状态的光。特定的偏振状态是指光波振动方向的具体取向，如线偏振、圆偏振或椭圆偏振。其中最常见的有基于声光可调谐滤光片（AOTF）、基于液晶可调谐滤光片（LCTF）和基于液晶相位延迟器（LCVR）；计算层析光谱偏振成像是利用光学层析、光谱分析和偏振分析，通过数学计算将采集到的多波长、多偏振状态的数据转化为样品的空间结构和光学性质信息，这种方法不仅提供了高光谱分辨率的图像，还能够揭示样品内部的微观结构和化学组成。
美国重飞行器研究公司设计了一种快照式光谱偏振成像仪，其原理图如图2所示。该方案通过在色散光谱仪中加入偏振调制模块，将斯托克斯参数调制到光谱信号中，实现了一次成像获取目标的一维空间信息和调制有偏振信息的光谱信号，并通过扫描获取另一维空间信息。这一设计能够一次测量获取全部斯托克斯参数，具有良好的实时性，显著提升了光谱偏振成像的效率和精度。
图2 基于色散光谱仪的光谱偏振成像原理图
西安交通大学的张淳民等在2016年提出了一种高通量静态通道干涉成像偏振光谱仪（CIISP），其设计基于通道偏振测量技术以及不存在内部移动元件的Savart偏振镜。该方案有效解决通道光谱偏振技术（CSP）中存在的偏振光谱信息的混叠效应，通过采用光阑替代传统的狭缝设计，显著提升了光谱仪的光通量，且用Savart平板作为干涉器件具有易于装调、系统紧凑的特点，其装置图如图3所示。
图3 基于干涉的光谱偏振成像原理图
声光可调谐滤光片（AOTF）是一种基于声光衍射原理制成的可调谐滤光片，能够将分离出偏振方向相互垂直的两束线偏振光。1997年，日本国家宇航实验室研制了基于AOTF的光谱偏振成像仪，如图4（a）所示，其采用两个CCD同时接收水平和垂直偏振的图像。这标志着在光谱偏振成像领域取得了重要突破。卡内基梅隆大学在1998年设计了基于AOTF和液晶可调谐相位延迟器（LCVR）的全电调谐的光谱偏振成像仪，如图4（b）所示。这一创新使得光谱范围扩展至500~1000 nm，并在光谱成像技术中引入了更高的灵活性。另外，美国陆军研究实验室的研究团队Neelam Gupta等研制了基于AOTF和两个LCVR的光谱偏振成像仪，实现了完全斯托克斯光谱探测，如图4（c）所示。这一成果不仅提升了光谱偏振成像技术的分辨率和准确性，还为军事和安全领域的应用提供了重要支持。
尽管这些仪器的构型在业界已经较为熟知，但其在实际应用中取得的成果仍然值得关注。此外，随着技术的发展，近年来出现了更加先进和改进的光谱偏振成像仪器，例如基于新材料或新技术的仪器，以及针对特定应用场景进行优化设计的仪器。
图4 基于AOTF的光谱偏振成像装置
北京航空航天大学的Zhang等提出了一种基于声光可调滤波器（AOTF）并采用偏振多路复用设计的创新型高光谱偏振成像系统，显著提高了光谱成像的通量和信噪比。原理图如图5所示，其精妙之处在于，通过同时收集AOTF产生的正负一阶光，消除了传统设计中必需的交叉偏振器，使得系统通量提高了两倍以上。
图5 所提出的AOTF光谱成像系统的结构图
液晶可调谐滤光片（LCTF）具有调谐工作波段内任意波长的本领，同时具有线偏振器的特点。基于此方法的光谱成像仪具有采集的数据形式简单，易于处理的特点。意大利学者Duggin等于1999年设计了基于LCTF的光谱偏振成像仪，其示意图如图6（a）所示。该仪器通过在相机前放置LCTF和旋转薄膜偏振片，由于偏振片需要转动，因此实时性不好，且系统调焦不便，但该系统研发成本低、周期短。日本国家宇航实验室于2001年和2003年分别研制了基于LCTF的可见谱段（400~720 nm）和近红外谱段（650~1100 nm）的光谱偏振成像仪，其实物图如图6（b）所示。该仪器的光学系统由物镜、两个中继镜和LCTF组成，由于获取光谱和偏振信息时需要扫描，且偏振扫描过程还需要机械运动部件，因此实时性和稳定性都受到限制。在2006年国内西北工业大学将LCTF和可见光相机结合设计了光谱偏振成像仪，其实物图如图6（c）所示，通过旋转LCTF获取不同偏振方向的图像。
图6 基于LCTF的光谱偏振成像装置
鉴于历史上这些技术的广泛应用和技术局限，当前研究的焦点已转向如何提高这些设备的实时性和应用的灵活性。近年来，有关研究团队已经在LCTF技术上取得了显著进展，包括开发无需机械部件的电控偏振调制方法，极大地提升了系统的响应速度和操作简便性。此外，新型光谱偏振成像仪正在针对特定应用，如高精度遥感、生物组织成像及光学监测，进行优化。这些进展不仅提升了设备性能，也拓展了LCTF技术的应用领域。
汕头大学的Chen等提出基于Mach-Zehnder结构的液晶可调滤波器和液晶可变延迟器的高光谱偏振成像方法，显著提升了光学系统的透射率和信噪比（SNR）。图7为所提出的AOTF光谱成像系统的结构图，该方法巧妙地利用了偏振分束器（PBS）同时收集入射光的两个偏振分量，与传统的单通道LCTF相比，平均像素强度（MPI）提高了93.48%，并且通过同时使用S和P偏振通道，图像的SNR增加了2.59 dB。
图7 所提出的AOTF光谱成像系统的结构图
通过技术改进和针对特定应用的设计优化，基于LCVR的设备不仅克服了以往的局限性，还为多个领域提供了独特的解决方案。未来的研究可能会继续探索这些设备在其他复杂环境中的应用潜力，如极端气候条件或高辐射区域的应用。
图8 基于LCVR的光谱偏振成像装置
西北农林科技大学的Xu等提出的基于液晶可变延迟器（LCVR）的压缩感知高光谱偏振成像技术，通过同时在偏振和高光谱维度进行编码和压缩，显著提高了系统的压缩比并保持了优越的性能。其成像装置如图9，该技术利用LCVR的高折射率、低电压需求、无机械运动和良好稳定性等优势，实现了宽调谐范围和高调谐精度，有效地在光谱维度进行编码。
图9 基于LCVR的压缩感知超光谱偏振成像系统成像装置
1999年亚利桑那光科学中心在计算层析光谱仪（CTIS）的物镜前加入旋转偏振片轮，能够获取目标的光谱偏振信息，其实物图如图10（a）所示。该仪器结构简单，可以凝视成像，并且具有较高的信噪比，但实时性不佳。此后，该研究中心尝试在CTIS的色散元件前加入偏振分析组件实现光谱偏振测量，基于此原理研制的实物图如图10（b）所示。加入的偏振分析组件由一个四象限偏振器和一个四棱锥棱镜组成，可使不同偏振态的光谱在空间上分离，从而实现快照式测量。
图10 计算层析光谱偏振成像装置
中国科学院安徽光学精密机械研究所开发了一种名为DPC（定向偏振相机）的偏振成像仪器。如图11所示，该设备的核心功能是利用气溶胶反射光的强度和偏振信息来对气溶胶特性进行推断。由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的颜昌翔和张军强等研究人员开发的多波段云和气溶胶探测仪（CAPI），运用分振幅的技术手段来测量偏振参数，如图12所示。
图11 多角度偏振探测仪装置
图12 CAPI的可见近红外（上）和短波红外（下）模型
为了提升大气气溶胶和云层特性的观测能力，欧洲航天局（ESA）开发了一款名为3MI（Multi-viewing， Multi-channel， Multi-polarisation imaging mission）的先进遥感仪器。如图13所示，3MI由两套共孔径的大视场偏振成像设备组成，它们的光学镜头、滤光片转轮和面阵探测器共同构成了数据处理和定量研究的基础，不同之处在于它们的探测器分别针对近红外和短波红外波段。
图13 3MI结构示意图
美国国家航空航天局（NASA）开发的气溶胶偏振遥感器（APS）旨在从705 km的轨道高度对地球环境进行观测。该仪器为一种地表扫描设备，能够捕获从可见光到短波红外波段的光谱辐射数据，以监测气溶胶特性的季节性变化。APS配备了3个可见光通道和6个短波红外通道，利用渥拉斯顿棱镜将光分成不同的偏振状态，通过0°、45°，、90°和135°的偏振分析器进行测量，共计36个独立接收通道。这种配置使得APS能够详细分析地表和大气中的气溶胶特性，为大气研究提供重要信息。其结构如图14所示。
图14 APS系统示意图
亚利桑那大学和美国喷气实验室合作开发了一种先进的多角度多光谱偏振成像设备（MSPI）。该仪器的特点包括高空间分辨率、广泛的波段覆盖能力以及丰富的偏振测量精度。其设备如图15所示。
图15 组装MSPI相机
高光谱偏振技术的典型应用
在环境监测领域，高光谱偏振技术的应用十分广泛，尤其在水体监测中，通过分析偏振光信息，可以有效地监控水质变化、识别和量化水中的悬浮物和溶解物质。此外，对于植被和生态系统健康的研究，高光谱偏振成像能够揭示植被的生理和生化状态，对于评估生态系统健康、监测干旱和病虫害等具有重要价值。
在农业领域，高光谱偏振技术被用于优化作物健康管理和提高农业生产效率。通过监测作物的光谱和偏振特性，可以及时发现作物生长过程中的病虫害、水分压力和营养不足等问题。此技术也有助于土壤分析，包括土壤类型、结构、湿度和有机物含量的精确测量，从而指导精准农业实践。
在军事和安全领域，高光谱偏振技术提供了一种独特的监视手段，能够提高目标探测、识别和分类的准确性。特别是在掩蔽和伪装条件下，偏振信息有助于揭示目标的隐藏特征，增强远程探测系统的性能。
医学和生物医学是高光谱偏振技术应用的重要领域。在癌症检测方面，这种技术能够帮助医生区分健康组织和肿瘤组织，提高诊断的准确率。在组织工程和细胞成像中，高光谱偏振成像为无损检测提供了新的可能，有助于深入理解细胞结构和功能。
在遥感领域，高光谱偏振技术的应用极大扩展了对地球表面和大气的监测能力。从海洋生态系统的健康，到大气中气溶胶的分布，再到城市和自然景观的变化，高光谱偏振成像为环境监测、气候变化研究和资源管理提供宝贵的数据和新的洞察力。
高光谱偏振的关键技术
探究高光谱偏振技术的关键技术，主要分为以下几个方面：首先，创新光学系统设计是实现该技术理想效果的基础保障。其次，高效的数据处理算法则是决定高光谱偏振技术能否真实反映被测对象属性的关键所在。最后，将高光谱偏振技术与其他传感设备的有效融合，也是其未来发展的重要方向之一。
创新光谱偏振探测系统设计是高光谱偏振技术成功应用的基础，需要不断推进光学元件的研发，以提高传感系统的偏振光谱分辨率。采用新型材料和先进的光学组件，例如偏振分束器和可调谐滤波器，能够有效增强系统的性能。这些研究成果显著提高了高光谱偏振成像系统的性能和稳定性。在光学系统设计中，光谱和偏振技术的结合尤为关键。通过优化光学元件和系统布局，消除噪声源，精确标定系统参数等手段，实现了高精度、高可靠性的偏振光谱探测。这些技术的融合和创新，为高光谱偏振技术的实际应用提供了坚实基础，并将推动其在科学研究和工程应用中的广泛发展。
高效的数据处理算法对于充分利用高光谱偏振技术提供的信息至关重要。采用机器学习和深度学习技术，能够更好地提取并理解光谱偏振数据中蕴含的信息，为进一步的应用提供更多可能性。
最后，将高光谱偏振技术与其他传感设备进行有效融合，是推动该技术未来发展的关键方向之一。通过与激光雷达、红外传感器等设备的集成，可以实现多源数据的协同采集和分析。这种融合还可以扩展高光谱偏振技术的适用范围，使其在军事、环境监测、农业等领域得到更广泛地应用。因此，跨学科的合作和技术整合将成为未来高光谱偏振技术发展的重要动力，推动其在实际应用中取得更大的突破。
高光谱偏振技术展望
高光谱偏振技术作为一种集成了高光谱成像和偏振测量的先进技术，已经在多个领域展现出其独特的应用价值和发展潜力。结合前面讨论的技术应用和仪器发展现状，可以预见该技术未来的发展方向和趋势。
技术创新与仪器优化：未来的研究将继续致力于提高高光谱偏振仪器的性能，包括增强光谱分辨率、提升信噪比、优化系统的稳定性和实时性。提高高光谱偏振仪器性能的探索也可以包括具体的技术路径，例如采用新材料或新技术如量子点传感器以提高光谱分辨率和信噪比。探讨如何通过改进光学设计和电子控制系统来优化系统稳定性和实时性。小型化和低成本化可以通过采用集成光学芯片和微型机电系统（MEMS）技术来实现，这些技术如何具体应用于高光谱偏振仪器，以及它们对野外应用的具体好处，如减少携带重量，提高设备的易用性和可访问性。
数据处理与算法发展：随着计算能力的提高和算法的发展，特别是机器学习和深度学习技术的应用，通过算法的优化，将使得从高光谱偏振数据中提取有用信息变得更加高效和准确。将重点放在开发更加精确和快速的数据处理算法，特别是利用人工智能技术，如机器学习和深度学习，来处理和分析高光谱偏振数据。例如，可以开发用于自动识别和分类大气颗粒或地表材料的深度神经网络模型。这将极大地促进高光谱偏振技术在环境监测、农业管理、医学诊断等领域的应用。
多学科交叉与融合应用：高光谱偏振技术与其他传感技术的融合，如激光雷达、红外传感器等，可以提供更全面的监测数据。这种数据融合有助于在更多维度上理解和分析被观测的对象，如结合激光雷达的高空间分辨率和高光谱偏振的化学识别能力。通过多源数据的集成和分析，可以提供更加精确的环境和目标信息，从而在复杂场景中实现更有效地监测和识别。此外，该技术在农业、环境监测、医学诊断等领域的应用在未来将进一步深化，与其他学科如生态学、材料科学等的交叉融合将产生新的研究热点和应用场景
实时监测与预警系统：发展高光谱偏振技术的实时监测能力是未来的关键目标。这包括提高数据采集速度和处理效率，以便快速响应环境变化和潜在灾害。结合自动数据传输和分析，可以建立高效的环境和灾害预警系统，如用于早期监测森林火灾或监测城市空气质量。这些系统将依赖于高度可靠和准确的传感器网络，能够在全球范围内提供及时的预警信息。
国际合作与数据共享：在全球化的背景下，国际合作和数据共享在推动高光谱偏振技术的发展中扮演着重要角色。未来将看到更多的国际研究项目和合作平台，旨在标准化数据收集、处理和共享流程。这不仅将加速科学研究，还将帮助各国更好地应对全球环境问题，如气候变化和生物多样性保护。通过这些合作，全球科研社区可以共同利用这些先进技术，解决跨区域和全球性的问题，也将推动该技术在更广泛领域的创新和应用。
结论
高光谱偏振技术，作为光学探测技术中的先进分支，因其具备高光谱分辨率、高灵敏度、快速测量能力及便于携带等特点，在短短20多年的发展中已经成为光学探测领域的一个重要方向。本文对高光谱偏振技术进行综述，对其关键技术进行了深入探讨和简要分析。首先，对高光谱偏振技术的原理及偏振高光谱仪器进行了解读；随后，针对该技术的实际应用范畴及其广度做出细致且周密的分析；最后，重点讨论了该技术的三个关键点以及对未来发展方向的展望。期望通过本文能为相关研究者提供有益借鉴和启示。
论文信息：
https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20243214.2141
