CN101281060A - 一种天空偏振光的辐射光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，属于光学电子测试技术领域，适用于天空偏振光的测量及其时空分布规律分析。测量系统由偏振测量头、望远光学系统、光纤光谱仪系统和计算机组成；安装偏振测量头将圆柱形旋转头安装于接口一的内侧，拧紧紧固螺钉，然后将圆片状的偏振片摆放在旋转头的内腔，用环形压圈压紧并通过两颗螺钉固定在旋转头上。将赤道仪安装在三角支架上，再将折射式望远镜安装于赤道仪的上方；将抗紫外光纤的后端连接在光谱仪上，然后将余弦校正器安装于抗紫外光纤的前端，再将余弦校正器的探头端插入接口二并拧紧紧固螺钉。该系统具有通用性强，适用范围广，操作方便。

Description

一种天空偏振光的辐射光谱测量系统

技术领域

本发明是一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，属于光学电子测试技术领域，适用于天空偏振光的测量及其时空分布规律分析。

背景技术

传统偏振测量系统大多都采用光辐射探测方法，即获取特定目标的辐射强度，再利用光的偏振来对目标探测。这些测试系统能实现某一固定目标的偏振测量及天空偏振光的时间分布分析等工作，但由于设计限制，测试目标的方位角及高度角无法方便的进行调整，因此无法实现天空任意角度方位的偏振测量及大气偏振的空间分布分析等工作。如安徽光机所的PVF021型光谱偏振辐射计(孙晓兵，洪津，乔延利.大气散射辐射偏振特性测量研究[J].量子电子学报.2005，22(1)：111～115)，能够获得当仪器对准天顶时的天空偏振光谱随着时间的变化规律，但无法测得某一时刻天空偏振光的空间分布规律。

而Michael L.Brines在其论著中也介绍了一种扫描式辐射偏振测量系统(M.L.Brines andJ.L.Gould，“Skylight polarization patterns and animal orientation，”J.Exp.Biol.96，69-91(1982).)，文中所述的系统采用了波片装置设计，使得该系统只能测得可见光范围内的3个特定光谱波长下(350nm、500nm、650nm)的天空偏振光的辐射光谱及其空间分布规律，因此该系统是受到测量方式的影响，一次只能获得几个波段下的天空偏振光信息，却无法获得较高分辨率的连续光谱下的天空偏振光信息。

此外，常见的还有一些全天空偏振成像仪器，如G.Horváth在其一系列的论著中介绍的单镜头旋转式全天空成像偏振计(J.Gál，G.Horváth，V.B.Meyer-Rochow，and R.Wehner，“Polarization patterns of the summer sky and its neutral points measured by full-sky imagingpolarimetry in Finnish Lapland north of the Arctic Circle，”Proc.R.Soc.Lond.A 457，1385-1399(2001).)、三镜头三照相机的同步全天空成像偏振计(G.Horváth，A.Barta，and J.Gál et al.“Ground-based full-sky imaging polarimetry of rapidly changing skies and its use for polarimetriccloud detection，”Appl.Opt.41，543-559(2002).)等测试仪器，由于都采用了相机胶片作为记录设备，也只能测得3个特定光谱波长下(450nm、550nm、650nm)天空偏振信息。它们获得的只是某些特定光谱波长下的天空偏振光信息，不能对天空偏振光实现连续光谱的测量，光谱分辨率较低，不能满足对天空偏振光的辐射光谱的测量与特性分析。

发明内容

本发明要解决的技术难题是：解决现有偏振测量系统角度调整困难、光谱分辨率低及不便于天空偏振光的全光谱测量等问题，本发明所述的测量系统可以方便的调整并记录天空偏振测量时的测试方位角及测试高度角。本发明的测量系统在获得偏振信息的同时，还能够记录连续、完整的辐射光谱数据及曲线。利用该测试系统既可以实现对空间目标的偏振测量及时间分布规律分析，又可以完成全天空偏振信息的测量以及偏振信息与光谱信息的时间及空间分布规律分析等工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，它由偏振测量头I、望远光学系统II、光纤光谱仪系统III和计算机11组成；组装偏振测量头I时，将圆柱形旋转头2安装于接口一3的内侧，稍微拧紧紧固螺钉14，然后将圆片状的偏振片1摆放在旋转头2的内腔，用环形压圈12压紧并通过两颗螺钉13固定在旋转头2上；将赤道仪5安装在三角支架6上，再将折射式望远镜4安装于赤道仪的上方，完成望远光学系统II的搭建；将抗紫外光纤9的后端连接在光谱仪10上，然后将余弦校正器8安装于抗紫外光纤9的前端，再将余弦校正器8的探头端插入接口二7并拧紧紧固螺钉17，使余弦校正器8的探头端与目镜的出瞳位置重合，完成光纤光谱仪系统III的组装；然后通过接口一3，将偏振测量头I安装于折射式望远光学系统II的前端，并拧紧紧固螺钉15，再通过接口二7将光纤光谱仪系统III安装于望远光学系统II的后端并拧紧紧固螺钉16，最后将光谱仪10通过USB接口与计算机11相连，并开启电源，进行天空偏振光的辐射光谱测量。

其赤道仪5是由赤经转盘18和赤纬转盘19以正交结构连接而成，且可以各自独立旋转，经过标定后的赤道仪5的赤经转盘18和赤纬转盘19用于记录天空测量的测试方位角和测试高度角。其中，赤经转盘18围绕坐标轴Z₁旋转，当平面X₂Z₂与太阳所在的子午面重合时，赤经转盘18此时的刻盘读数标定为测试方位角的0度；赤纬转盘19围绕坐标轴Y₂旋转，当转角方向与O₂X₂轴向重合时，赤纬转盘19此时的刻盘读数标定为测试高度角的0度；测试方位角的范围为0度至360度，测试高度角的范围为0度至180度。

本发明的效果是：采用标定后的赤道仪作为转角控制装置，安装于望远系统的三脚支架上，可将赤道仪的赤经转盘和赤纬转盘的转角角度值进行标定后，作为对准某天空方位时的测试方位角和测试高度角，实现了角度调整及定位的功能，使得本发明的测量系统可以测得天空偏振光的时空分布，即测得该方位下的0度、60度、120度三个偏振方向的辐射光谱，并由软件计算给出该方位的光辐射度、偏振度、偏振方位角等信息，再通过调整赤道仪的角度，重复上述实验步骤，最终实现全天空偏振辐射的测量。采用具有高光谱分辨率的光纤光谱仪作为辐射光谱采集设备，采集并记录每次测得的连续辐射光谱，使得本发明的测量系统在取得了偏振测量信息的同时，又保存了完整连续的辐射光谱，解决了传统偏振测量系统无法解决的一些问题。设计偏振片旋转头，一方面实现偏振片的安装和旋转，另一方面可以安装在望远系统的前端实现偏振测量。设计旋转头与望远系统的接口(接口一)及余弦校正器与望远系统的接口(接口二)将整个测试光路连接起来，使测试系统的测试功能得以实现。此外，该系统采用的折射式天文望远镜仪器、赤道仪和光纤光谱仪等设备，可以在同类产品中进行更换及升级，其设备自身的参数及精度决定了测试系统的角度精度及光谱分辨率精度等参数。因此，该系统具有通用性强，适用范围广，操作方便等特点。

附图说明

图1为本发明测量系统的结构示意图，其中：I-偏振测量头，II-望远光学系统，III-光纤光谱仪系统，1-偏振片，2-旋转头，3-旋转头与II的接口(接口一)，4-折射式望远镜，5-赤道仪，6-三脚支架，7-余弦校正器与II的接口(接口二)，8-余弦校正器，9-抗紫外光纤，10-光谱仪，11-计算机。

图2为偏振测量头(水平放置后)的剖面构造图，其中：1-偏振片，2-旋转头，3-旋转头与II的接口(接口一)，4-折射式望远镜，12-环形压圈，13，14，15-螺钉。

图3为余弦校正器与望远系统的接口(接口二)的剖面构造图，其中：4-折射式望远镜，7-余弦校正器与II的接口(接口二)，8-余弦校正器，16，17-螺钉。

图4为赤道仪的标定坐标系示意图，其中：5-赤道仪，18-赤经转盘，19-赤纬转盘。

图5为使用该系统测量太阳子午圈得到的光谱偏振度曲线图，其中：P-纵坐标，偏振度，θ_D-横坐标，测试高度角。

具体实施方式

结合技术方案和附图，现详细说明本发明的技术实施方式。使用该测试系统时，首先要进行系统安装。组装偏振测量头I时，将圆柱形旋转头2安装于接口一3的内侧，稍微拧紧紧固螺钉14以保证旋转头不会掉落且能够旋转，同时将偏振片的主光轴与旋转头的0度参考光轴对准，然后将圆片状的偏振片1摆放在旋转头2的内腔，用环形压圈12压紧并通过两颗螺钉13固定在旋转头2上；将赤道仪5安装在三角支架6上，再将折射式望远镜4安装于赤道仪的上方，保证折射式望远镜4能够与赤道仪一起同步转动，至此完成望远光学系统II的搭建；将抗紫外光纤9的后端连接在光谱仪10上，然后将余弦校正器8安装于抗紫外光纤9的前端，再将余弦校正器8的探头端插入接口二7并拧紧上紧螺钉17，使余弦校正器8的探头端与目镜的出瞳位置重合，完成光纤光谱仪系统III的组装；然后通过接口一3，将偏振测量头I安装于折射式望远光学系统II的前端，并拧紧上紧螺钉15，再通过接口二7将光纤光谱仪系统III安装于望远光学系统II的后端并拧紧上紧螺钉16；最后将光谱仪10通过USB接口与计算机11相连，并开启电源，进行天空偏振光的辐射光谱测量，参见图1、2、3、4。

本实例中所用的偏振片1为中性密度偏振片，其光谱敏感范围为400nm～750nm，折射式望远镜4的视场角小于4度，光纤光谱仪10的光谱探测范围200nm～1100nm，光谱分辨率1.4nm，即时探测，积分时间为2ms～60s可调，本例选用50ms积分时间。进行测试时，首先将赤道仪5的赤经转盘18和赤纬转盘19角度值调零，赤经转盘18围绕坐标轴Z₁旋转，当平面X₂Z₂与太阳所在的子午面重合时，赤经转盘18此时的刻盘读数标定为测试方位角的0度；赤纬转盘19围绕坐标轴Y₂旋转，当转角方向与O₂X₂轴向重合时，赤纬转盘19此时的刻盘读数标定为测试高度角的0度。记录此时偏振片置于0度光轴时的辐射光谱，然后依次转动旋转头2分别对准60度、120度，并记录各自的辐射光谱。接着调整赤道仪5的赤经转盘18和赤纬转盘19的角度，并记录下与其对应的测试方位角及测试高度角，再次记录偏振片位于0度、60度、120度的辐射光谱，如此重复上述实验，直到测得全部的待测天空方位，再由计算软件算得各自的偏振信息。

当所有的辐射光谱采集完成后，将同一个测试方位角和测试高度角下三组辐射光谱，即0度、60度和120度的辐射光谱作为一组曲线，再选定某个光谱范围通过方程式(1)进行计算：

其中I′(0°)，I′(60°)和I′(120°)为测量得到的该光谱范围下的三个辐射强度值。而I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量(第四分量圆偏振分量为零，即V＝0)。

再将方程组(1)转换为方程组(2)得到Stokes矢量的三个分量：

最后通过Stokes矢量与偏振度的关系，可以得到该方位角及高度角、该光谱下的偏振总光强I，偏振度P及偏振方位角χ等信息，即：

$P=\frac{\sqrt{Q^2+U^2}}{I^2};$ $\tan 2\mathrm{\χ}=\frac{U}{Q}---\left(3\right)$

再通过改变光谱范围及测试方位，重复上述计算，便可以得到不同天空方位角及高度角、不同光谱范围下的偏振信息。

该实例测得了当太阳高度角为35度时，选用0度测试方位角不变并选用5度的测试高度角(θ_D)间隔，对太阳子午圈的天空偏振光进行测量所得到的偏振度曲线，如图5所示。为了显示方便，本实例只提供了400nm、500nm、650nm和750nm光谱波长下天空偏振光的偏振度曲线。从图5中可以看出，本测试系统可以实现400nm至750nm任意光谱波长下的天空偏振光测量，若选用光谱范围更宽的偏振片，可以扩展本系统的光谱测试范围；测量得到的偏振度分布曲线与瑞利散射理论相符合，证明该测试系统所测得的天空偏振光的分布信息真实可靠。

Claims (2)

1、一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，它由偏振测量头(I)、望远光学系统(II)、光纤光谱仪系统(III)和计算机(11)组成；其特征是，组装偏振测量头(I)时，将圆柱形旋转头(2)安放于接口一(3)的内侧，拧紧紧固螺钉(14)，然后，将圆片状的偏振片(1)摆放于旋转头(2)的内腔，用环形压圈(12)压紧并通过两颗螺钉(13)固定在旋转头(2)上；将赤道仪(5)安装在三角支架(6)上，再将折射式望远镜(4)安装于赤道仪(5)的上方，完成望远光学系统(II)的搭建；将抗紫外光纤(9)的后端连接在光谱仪(10)上，然后将余弦校正器(8)安装于抗紫外光纤(9)的前端，再将余弦校正器(8)的探头端插入接口二(7)并拧紧上紧螺钉(17)，使余弦校正器(8)的探头端与目镜的出瞳位置重合，完成光纤光谱仪系统(III)的组装；然后通过接口一(3)，将偏振测量头(I)安装于折射式望远光学系统(II)的前端，并拧紧紧固螺钉(15)，再通过接口二(7)将光纤光谱仪系统(III)安装于望远光学系统(II)的后端，并拧紧紧固螺钉(16)；最后将光谱仪(10)通过USB接口与计算机(11)相连，并开启电源，进行天空偏振光的辐射光谱测量。

2、根据权利要求1所述的一种天空偏振光的辐射光谱测量系统，其赤道仪(5)的特征在于，赤道仪(5)是由赤经转盘(18)和赤纬转盘(19)以正交结构连接而成，且可以各自独立旋转，经过标定后的赤道仪(5)的赤经转盘(18)和赤纬转盘(19)用于记录天空测量的测试方位角和测试高度角，其中，赤经转盘(18)围绕坐标轴Z1旋转，当平面X₂Z₂与太阳所在的子午面重合时，赤经转盘(18)此时的刻盘读数标定为测试方位角的0度；赤纬转盘(19)围绕坐标轴Y₂旋转，当转角方向与O₂X₂轴向重合时，赤纬转盘(19)此时的刻盘读数标定为测试高度角的0度；测试方位角的范围为0度至360度，测试高度角的范围为0度至180度。

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