一种折反式望远系统的全口径全视场光线追迹方法，属于光学系统偏振特性分析技术领域，为解决现有单根光线追迹方法无法在部分偏振光条件下对系统进行全面评价的问题，包括以下步骤：建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型；读取基本数据：通过动态数据连接机制将MATLAB与ZEMAX连接，读取ZEMAX中折反式望远镜的口径，视场角，透镜的折射率基础指标；选取光线视场：通过口径和视场的界限，将其等分为n层，每层等分成m个采样点，并选择其中一个视场存入ZEMAX中；设置光瞳坐标；计算穆勒矩阵；更改光瞳坐标；更改视场光线，直到所有视场采样点都计算完成；最后，得到光学系统的全视场全口径光线的出射光斯托克斯矢量与偏振度。
1.一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法，其特征是，该方法包括以下步骤：步骤一，建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型，pin为入射光偏振度，当入射光为线偏振光 时，线偏振光n次折射的穆勒矩阵为：式中，θ1为入射角，θ2为折射角，a＝θ1-θ2，b＝θ1+θ2；
其中，rp和rs分别为金属表面对入射光的p和s分量的反射系数，分别定义为rp1...rpm代表第1次到第m次反射金属表面对入射光的p分量的反射系数；rs1...rsm代表第1次到第m次金属表面对入射光的s分量的反射系数； 是第m次金属表面对入射光的p分量的反射系数的共轭复数； 是第m次金属表面对入射光的s分量的反射系数的共轭复数；χ为吸收系数，ni为入射介质的折射率，θi为入射角，N代表吸收性介质的折射率；
当入射光为线偏振光 时，线偏振光n次折射的穆勒矩阵为：线偏振光m次反射的穆勒矩阵为：
步骤二，读取基本数据：通过动态数据连接机制将MATLAB与ZEMAX连接，读取ZEMAX中折反式望远镜的口径，视场角，透镜的折射率基础指标；
步骤三，选取光线视场：通过口径和视场的界限，将其等分为n层，每层等分成m个采样点，并选择其中一个视场存入ZEMAX中，使此时ZEMAX中只存在这一个视场；
步骤四，设置光瞳坐标：在视场不改变的情况下，按照一定规律选取点光瞳坐标的采样点中的点，控制ZEMAX自动在步骤三的视场下进行单根光线追迹；
步骤五，计算穆勒矩阵：读取单根光线追迹中每一次透射的折射角与每一次反射的反射角，并将角度数据返回MATLAB中，利用步骤一建立的光学系统折射与反射穆勒矩阵模型计算出此时系统穆勒矩阵，通过穆勒矩阵与入射光斯托克斯矢量的关系，求得出射光斯托克斯矢量与偏振度；
步骤六，更改光瞳坐标：计算完成后，循环步骤四到六，只更换光瞳坐标，对新光瞳坐标下的光线进行光线追迹；得到同一视场下全部光瞳坐标的光线追迹结果，根据波的叠加原理，得到单一视场整个口径下的偏振度并存储；
步骤七，更改视场光线：切换视场采样点下其他视场，循环步骤三到七，依次选取采样点中其他视场进行光线追迹，直到所有视场采样点都计算完成；最后，得到光学系统的全视场全口径光线的出射光斯托克斯矢量与偏振度。
2.根据权利要求1所述的一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法，其特征在于，所述步骤一建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型，根据经典反射折射穆勒矩阵公式，求得不同视场下的不同光瞳位置的穆勒矩阵，其具体步骤为：其中I表示总光强；M表示0°和90°两个偏振方向上光强的差异；C表示45°和135°两个偏方向上光强的差异；S表示左旋和右旋圆偏振光强的差异；
当入射光经光学元件第一个面后，入射光和出射光斯托克斯矢量之间的关系可用一个
光每次入射光学元件都可用穆勒矩阵表示为Mi(i＝1,2,…n)，从光线通过偏振元件n次出射的斯托克斯矢量为光束中偏振部分光强和总光强的比值用偏振度来定义：由矩阵关系可得折射光的穆勒矩阵为
式中，θ1为入射角，θ2为折射角，a＝θ1-θ2，b＝θ1+θ2；
根据光波在金属表面反射理论，镜面反射的穆勒矩阵为其中，rp和rs分别为金属表面对入射光的p和s分量的反射系数，分别定义为其中，N、χ′的表达式分别为式中，i为虚数单位；ni为入射介质的折射率，θi为入射角；
对线偏振光 计算中只有M11、M12、M21、M22参与计算，M12＝M21，M11＝M22；
同理经过化简，可得线偏振光经一次镜面反射的穆勒矩阵为可推导出线偏振光m次反射的穆勒矩阵为
同理，对于45°或135°线偏振光 建模过程如下计算中可将透镜的穆勒矩阵化简为
同理经过化简，可得线偏振光经一次镜面反射的穆勒矩阵为可推导出线偏振光m次反射的穆勒矩阵为
一种折反式望远系统的全口径全视场光线追迹方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学系统偏振特性分析技术领域，具体涉及一种折反式望远系统的全口径全视场光线追迹方法。
背景技术
[0002] 随着空间技术的不断发展，可跟踪的空间目标已经达到18000多个。其中，有4763个空间目标是在轨航天器，其余均为空间碎片。空间碎片严重地威胁在轨航天的安全，它们和航天器碰撞能直接改变航天器表面性能，导致航天器系统故障。亟需对卫星与碎片进行在轨探测与识别。传统强度或光谱探测手段，易受宇宙辐射干扰，探测识别效果不佳。偏振在空间目标探测与识别中具有明显的优势，偏振光强占总光强的比例一般用偏振度表示，偏振度与目标材质和观测角度等条件息息相关，可通过获取的空间目标偏振度信息，反演目标材质，再结合目标形貌和姿态，最终实现对空间目标的识别。另外，可利用偏振滤除背景杂光影响，提高目标探测对比度。
[0003] 由于光学系统自身会产生偏振像差，从而在光的透射和反射中都会改变探测所得的偏振度，严重影响系统的偏振成像精度，对空间目标的反演识别造成偏差。光学系统偏振效应的分析与标定对提高偏振探测精度具有重要意义。王国聪等人基于琼斯矢量对自适应望远系统进行了分析，但其光线追迹的方法仅针对单一被追迹光线的位置进行光线计算，仅以这些单一位置的光线追迹结果作为对光学系统偏振成像的评价标准，会出现评价不全面的情况。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有单根光线追迹方法无法在部分偏振光条件下对系统进行全面评价的问题，提出一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法。该方法避免了传统单根光线追迹偶然性，可以直观的分析出系统对偏振光的影响，为反演目标材质，实现空间目标识别提供了基础。也为折反式旋转对称光学系统的偏振分析、偏振定标提供思路。
[0005] 本发明解决技术问题的技术方案：
[0006] 一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一，建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型，当入射光为 时，线偏振光n次折射的穆勒矩阵为：
[0008]
[0009] 式中，θ1为入射角，θ2为折射角，a＝θ1-θ2，b＝θ1+θ2；
[0010] 线偏振光m次反射的穆勒矩阵为：
[0011]
[0012] 其中，rp和rs分别为金属表面对入射光的p和s分量的反射系数，分别定义为[0013]
[0014] 当入射光为 时，线偏振光n次折射的穆勒矩阵为：
[0015]
[0016] 线偏振光m次反射的穆勒矩阵为：
[0017]
[0018] 步骤二，读取基本数据：通过动态数据连接机制将MATLAB与ZEMAX连接，读取ZEMAX中折反式望远镜的口径，视场角，透镜的折射率基础指标；
[0019] 步骤三，选取光线视场：通过口径和视场的界限，将其等分为n层，每层等分成m个采样点，并选择其中一个视场存入ZEMAX中，使此时ZEMAX中只存在这一个视场；
[0020] 步骤四，设置光瞳坐标：在视场不改变的情况下，按照一定规律选取点光瞳坐标的采样点中的点，控制ZEMAX自动在步骤三的视场下进行单根光线追迹；
[0021] 步骤五，计算穆勒矩阵：读取单根光线追迹中每一次透射的折射角与每一次反射的反射角，并将角度数据返回MATLAB中，利用步骤一建立的光学系统折射与反射穆勒矩阵模型计算出此时系统穆勒矩阵，通过穆勒矩阵与入射光斯托克斯矢量的关系，求得出射光斯托克斯矢量与偏振度；
[0022] 步骤六，更改光瞳坐标：计算完成后，循环步骤四到六，只更换光瞳坐标，对新光瞳坐标下的光线进行光线追迹；得到同一视场下全部光瞳坐标的光线追迹结果，根据波的叠加原理，得到单一视场整个口径下的偏振度并存储；
[0023] 步骤七，更改视场光线：切换视场采样点下其他视场，循环步骤三到七，依次选取采样点中其他视场进行光线追迹，直到所有视场采样点都计算完成；最后，得到光学系统的全视场全口径光线的出射光斯托克斯矢量与偏振度。
[0024] 本发明的有益效果为：
[0025] 1、与传统的方法相比，单根光线追迹方法无法全面准确掌握整个光学系统对光线偏振度的影响，全视场、全口径光线追迹方法对整个视场与光瞳进行采样，最大限度地避免了单根光线追迹导致的偶然性，可用于分析任意入射光偏振度时光学系统对偏振度的影响，辅助系统偏振度定标。
[0026] 2、考虑到入射光表示方法，尽可能表述多种偏振光，而传统光线追迹方法选用琼斯矢量表示法仅可对完全偏振光进行表述。本发明在计算中选用斯托克斯矢量来表述偏振光，系统对偏振光的影响用穆勒矩阵来表示。使得本发明可用于部分偏振光与完全偏振光。
[0027] 3、通过获取中心视场以及任意视场的偏振度，即可匹配出全视场、全口径的出射光偏振度图，从而反演出入射光偏振度，偏振度与目标材质和观测角度等条件息息相关，通过获取入射光偏振度，即可反演目标材质，再结合目标形貌和姿态实现对目标的识别。
附图说明
[0028] 图1为本发明一种折反式望远系统结构示意图。
[0029] 图2为本发明一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法流程图。
[0030] 图3为本发明不同入射光时出射光偏振度与视场的关系图，其中(a)为入射光偏振度为Pin＝0.05；(b)为入射光偏振度为Pin＝0.3。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明作详细说明。
[0032] 如图1所示，一种折反式径望远系统，该系统包括同轴两反望远镜1、中继镜组2、微偏振片阵列3、探测器4和计算机5，入射偏振光通过同轴两反望远镜1在距离次镜后方一次成像，然后通过中继镜组2在与微偏振片阵列3结合的探测器4上成像，通过计算机5对出射光进行分析。
[0033] 如图2所示，一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法，包括以下步骤：
[0034] 步骤一，建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型：
[0035] 根据经典反射折射穆勒矩阵公式，求得不同视场下的不同光瞳位置的穆勒矩阵，其具体步骤为：
[0036]
[0037] 其中I表示总光强；M表示0°和90°两个偏振方向上光强的差异；C表示45°和135°两个偏方向上光强的差异；S表示左旋和右旋圆偏振光强的差异。
[0038] 当入射光经光学元件第一个面后，入射光和出射光斯托克斯矢量之间的关系可用一个4×4的穆勒矩阵来表征，即
[0039]
[0040] 光每次入射光学元件都可用穆勒矩阵表示为Mi(i＝1,2,…n)，从光线通过偏振元件n次出射的斯托克斯矢量为
[0041]
[0042] 光束中偏振部分光强和总光强的比值用偏振度来定义：
[0043] 由矩阵关系可得折射光的穆勒矩阵为
[0044]
[0045] 式中，θ1为入射角，θ2为折射角，a＝θ1-θ2，b＝θ1+θ2。
[0046] 根据光波在金属表面反射理论，镜面反射的穆勒矩阵为
[0047]
[0048] 其中，rp和rs分别为金属表面对入射光的p和s分量的反射系数，分别定义为[0049]
[0050] 其中，N、χ′的表达式分别为
[0051]
[0052] 式中，n-iχ为金属的复折射率；i为虚数单位；ni为入射介质的折射率，θi为入射角。
[0053] 对线偏振光 计算中只有M11、M12、M21、M22参与计算，M12＝M21，M11＝M22。
[0054] 所以在计算中可将透镜的穆勒矩阵化简为
[0055]
[0056] 线偏振光经过n次折射的穆勒矩阵为
[0057]
[0058] n次折射的出射线偏振光偏振度为
[0059]
[0060] 同理经过化简，可得线偏振光经一次镜面反射的穆勒矩阵为
[0061]
[0062] 可推导出线偏振光m次反射的穆勒矩阵为
[0063]
[0064] m次反射的线偏振光偏振度为
[0065]
[0066] 同理，对于45°或135°线偏振光 建模过程如下
[0067] 计算中可将透镜的穆勒矩阵化简为
[0068]
[0069] 线偏振光经过n次折射的穆勒矩阵为
[0070]
[0071] n次折射的出射线偏振光偏振度为
[0072]
[0073] 同理经过化简，可得线偏振光经一次镜面反射的穆勒矩阵为
[0074]
[0075] 可推导出线偏振光m次反射的穆勒矩阵为
[0076]
[0077] m次反射的线偏振光偏振度为
[0078]
[0079] 步骤二，读取基本数据：通过动态数据连接机制将MATLAB与ZEMAX连接，读取ZEMAX中折反式望远镜的口径，视场角，透镜的折射率等基础指标。
[0080] 步骤三，选取光线视场：通过口径和视场的界限，将其等分为n层，每层等分成m个采样点，并选择其中一个视场存入ZEMAX中，使此时ZEMAX中只存在这一个视场。
[0081] 步骤四，设置光瞳坐标：在视场不改变的情况下，按照一定规律选取点光瞳坐标的采样点中的点，控制ZEMAX自动在步骤三的视场下进行单根光线追迹。
[0082] 步骤五，计算穆勒矩阵：读取单根光线追迹中每一次透射的折射角与每一次反射的反射角，并将角度数据返回MATLAB中，利用步骤一建立的光学系统折射与反射穆勒矩阵模型计算出此时系统穆勒矩阵，通过穆勒矩阵与入射光斯托克斯矢量的关系，求得出射光斯托克斯矢量与偏振度。
[0083] 步骤六，更改光瞳坐标：计算完成后，循环步骤四到六，只更换光瞳坐标，对新光瞳坐标下的光线进行光线追迹。得到同一视场下全部光瞳坐标的光线追迹结果，根据波的叠加原理，得到单一视场整个口径下的偏振度并存储。
[0084] 步骤七，更改视场光线：切换视场采样点下其他视场，循环步骤三到七，依次选取采样点中其他视场进行光线追迹，直到所有视场采样点都计算完成。最后，得到光学系统的全视场全口径光线的出射光斯托克斯矢量与偏振度。
[0085] 实施例：
[0086] 一种折反式望远系统的全视场全口径的光线追迹方法，包括以下步骤：
[0087] 步骤一，建立光学系统折射与反射穆勒矩阵模型：
[0088] 步骤二，读取基本数据：通过动态数据连接机制将MATLAB与ZEMAX连接，读取ZEMAX中折反式望远镜的口径710mm，视场角0.083°，中继镜组2中的镜片折射率依次为1.806；1.692；1.673；1.923；1.618；1.697；
[0089] 步骤三，选取光线视场：通过口径和视场的界限，将其等分为9层，每层等分成128个采样点，并选择其中一个视场存入ZEMAX中，使此时ZEMAX中只存在这一个视场。
[0090] 步骤四，设置光瞳坐标：在视场不改变的情况下，按照一定规律选取点光瞳坐标的采样点中的点，控制ZEMAX自动在步骤三的视场下进行单根光线追迹。
[0091] 步骤五，计算穆勒矩阵：读取单根光线追迹中每一次透射的折射角与每一次反射的反射角，并将角度数据返回MATLAB中，利用步骤一建立的光学系统折射与反射穆勒矩阵模型计算出此时系统穆勒矩阵，通过穆勒矩阵与入射光斯托克斯矢量的关系，求得出射光斯托克斯矢量与偏振度。
[0092] 步骤六，更改光瞳坐标：计算完成后，循环步骤四到六，只更换光瞳坐标，对新光瞳坐标下的光线进行光线追迹。得到同一视场下全部光瞳坐标的光线追迹结果，根据波的叠加原理，得到单一视场整个口径下的偏振度并存储。
[0093] 步骤七，更改视场光线：切换视场采样点下其他视场，循环步骤三到七，依次选取采样点中其他视场进行光线追迹，直到所有视场采样点都计算完成。最后，得到该光学系统的全视场全口径出射光偏振度，如图3所示，其中(a)为入射光偏振度为Pin＝0.05时，出射光偏振度与视场的关系图，(b)为入射光偏振度为Pin＝0.3时，出射光偏振度与视场的关系图。
[0094] 利用上述方法可以得到不同入射光偏振度的光学系统的视场与偏振度关系图，已知靶面任意视场及中心视场的线偏振光偏振度Pout，即可通过两点的偏振度Pout得出系统全口径下全视场偏振度图，通过获得的线偏振光偏振度图可以反演出对应的入射线偏振光偏振度。
[0095] 相比于单根光线追迹方法，全视场、全口径光线追迹方法对整个光瞳进行采样，最大限度地避免了单根光线追迹导致的偶然性，可用于分析任意入射光偏振度时光学系统对偏振度的影响，辅助系统偏振度定标。
