CN102073324A - 一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统及方法，涉及一种偏振跟踪系统及方法。它解决了现有的偏振跟踪方法的跟踪精确度低的问题。其系统：它的检偏器固定在步进电机的输出轴上，CCD探测器的探测面采集通过检偏器的入射光并通过图像采集卡输出至计算机，计算机的控制信号输出端与步进电机的控制信号输入端连接；其方法：CCD检测器的探测面探测入射光并成像；图像采集卡对图像进行灰度检测；计算机根据检测值进行计算，获得入射光的偏振方向变化信息，驱动步进电机带动检偏器旋转至与入射光的偏振方向一致，实现对入射光的偏振跟踪。本发明适用于线性偏振光的偏振跟踪。

Description

一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及一种偏振跟踪系统及方法。

背景技术

对于相干空间激光通信系统来讲，需要采用线偏振光作为信标光和信号光。而对入射的激光光束的偏振方向的高精度跟踪是保证其正常工作的一个主要先决条件。但是相干空间激光通信系统所处的空间环境相对复杂，目前没有一种很好的方法来解决对激光偏振方向的精确跟踪。

发明内容

本发明为了解决现有的偏振跟踪方法的跟踪精确度低的问题，从而提供一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统及方法。

一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，它包括计算机，它包括步进电机、检偏器、CCD探测器和图像采集卡，检偏器固定在步进电机的输出轴上，入射线偏振光经检偏器入射至CCD探测器的探测面上，所述CCD探测器的图像信号输出端与图像采集卡的图像信号输入端连接，所述图像采集卡的图像灰度信号输出端与的计算机的图像灰度信号输入端连接，所述计算机的控制信号输出端与步进电机的控制信号输入端连接，所述检偏器能够沿入射光的光轴进行360度旋转。

基于上述系统的一种基于线性偏振光的偏振跟踪方法，它由以下步骤实现：

步骤一、入射线偏振光通过检偏器入射至CCD检测器的探测面上，所述CCD探测器对入射线偏振光进行拍照，获得入射线偏振光图像；

步骤二、CCD探测器将步骤一获得的入射线偏振光图像发送至图像采集卡，图像采集卡对所述入射线偏振光图像进行灰度检测，并将检测结果发送至计算机；

步骤三、计算机对步骤二获得的检测结果进行处理，获得CCD采集线偏振光的灰度值信息，并根据偏振光学中的马吕斯定律获得检偏器的转动角度信息，进而根据所述检偏器的转动角度信息驱动步进电机带动检偏器旋转至与入射线偏振光的偏振方向一致，实现对入射线偏振光的偏振跟踪。

有益效果：本发明利用CCD探测器所采集的灰度图像，提取线偏振光的偏振方向变化信息，从而实现对线偏振光的精确偏振跟踪，跟踪精度可达到0.1°在保证高精度的同时，本发明能够实现对线偏振光的偏振方向的实时性跟踪。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，其中标记b为入射线偏振光，标记c为通过检偏器后的线偏振光；图2是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，它包括计算机5，它包括步进电机1、检偏器2、CCD探测器3和图像采集卡4，检偏器2固定在步进电机1的输出轴上，入射线偏振光经检偏器2入射至CCD探测器3的探测面上，所述CCD探测器3的图像信号输出端与图像采集卡4的图像信号输入端连接，所述图像采集卡4的图像灰度信号输出端与的计算机4的图像灰度信号输入端连接，所述计算机4的控制信号输出端与步进电机1的控制信号输入端连接，所述检偏器2能够沿入射光的光轴进行360度旋转。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的区别在于，CCD探测器3的型号为MTV-1801。

本实施方式选用台湾敏通公司生产的MTV-1801的CCD相机，主要参数如下：像元数795(H)×596(V)；光谱响应范围400nm～1100nm；分辨率600TVL；探测灵敏度0.021lx；信噪比大于46dB；工作温度为-10℃～50℃。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的区别在于，图像采集卡4为基于1394协议的视频数据采集卡。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的区别在于，检偏器2的消光比为500∶1。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的区别在于，步进电机1是混合式二相步进电机。

本实施方式中，混合式二相步进电机的步距角为1.8°，细分比选取为16细分，则最小步距角θ_b＝0.0188°，相应的脉冲角度比K_t＝2/0.0375。

具体实施方式六、结合图2说明本具体实施方式，基于具体实施方式一所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的一种基于线性偏振光的偏振跟踪方法，它由以下步骤实现：

步骤一、入射线偏振光通过检偏器2入射至CCD检测器3的探测面上，所述CCD探测器3对入射线偏振光进行拍照，获得入射线偏振光图像；

步骤二、CCD探测器3将步骤一获得的入射线偏振光图像发送至图像采集卡4，图像采集卡4对所述入射线偏振光图像进行灰度检测，并将检测结果发送至计算机5；

步骤三、计算机5对步骤二获得的检测结果进行处理，获得CCD采集线偏振光的灰度值信息，并根据偏振光学中的马吕斯定律获得检偏器的转动角度信息，进而根据所述检偏器的转动角度信息驱动步进电机1带动检偏器2旋转至与入射线偏振光的偏振方向一致，实现对入射线偏振光的偏振跟踪。

工作原理：实现偏振跟踪的方法如下：入射的线偏振光通过检偏器2被CCD探测器3所采集。CCD探测器3将图像信息反馈给计算机的图像采集卡4，而图像采集卡4将CCD探测器3反馈的图像灰度信息进行处理，计算机5将根据图像采集卡的处理结果二次处理，并控制步进电机1。由于检偏器2放置在步进电机1上，随着步进电机1的旋转，检偏器2也会随之旋转。检偏器2的检偏方向会随之变化，这样保证线偏振光的偏振方向与检偏器2的检偏方向的角度关系保持一定，这样无论入射的线偏振光的偏振方向如何变化，则整个基于线偏振光的跟踪系统会随着线偏振光的偏振方向的变化而改变，从而实现对线偏振光的偏振跟踪。实际上此跟踪方法是利用检偏器2对入射偏振信标光进行偏振调制，CCD探测器3反馈给检偏2控制器对偏振信号的解调结果，并驱动步进电机，完成对线偏振光的偏振跟踪。

此偏振跟踪方法具体的步骤如下：

(1)获取光强变化

为了更快速地获得入射的线偏振光的光强变化的规律，提高系统的实时性，需要计算光斑的灰度质心坐标位置，并根据光斑的质心坐标位置，调整CCD探测器3的采集视窗，计算出CCD探测器3视场内的光斑的灰度值变化量。

光斑灰度质心的坐标计算公式为：

$R_X=\frac{\underset{i=1}{\overset{n\×n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)\·u(g_i-B)\·x_i}{\underset{i=1}{\overset{n\×n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)\·u(g_i-B)}$

$R_Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{n\×n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)\·u(g_i-B)\·y_i}{\underset{i=1}{\overset{n\×n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)\·u(g_i-B)}$

其中，R_X和R_Y分别表示X和Y方向的光斑灰度质心坐标，n为采样窗口横向或纵向的像素个数，g_i为第i个像素的灰度值，B为采样阈值，x_i和y_i分别表示第i个像素的横向和纵向坐标，u(x)为单位阶跃函数。

采样阈值的选取由系统和传感器的固有噪声以及背景光噪声干扰的情况决定。本实施方式中采用对采样窗口边缘的像素点灰度值进行加权平均的处理方式来获得采样阈值为：

$B=\frac{1}{4\×n-4}\underset{i=1}{\overset{4\×n-4}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i$

在偏振跟踪过程中，需要获得光斑灰度值的变化规律，如最大的灰度值的变化趋势。根据偏振光学中的马吕斯定律可以知道当线偏振光通过一个检偏器2时，光强会发生一定变化。光强的变化量是和检偏器2与入射的线偏振光的偏振方向的夹角相关，所以随着跟踪系统中的检偏器2的旋转，入射到CCD探测器3上的光强会随着检偏器2的转动角度的变化而变化。所以需要标定检偏器2的旋转角度与CCD探测器3采集的线偏振光的灰度值之间的关系，这种关系就是这里所说的变化规律，这里的变化规律采用是最大的灰度值与检偏器的偏转角度之间的关系。最大灰度值坐标与灰度质心坐标未必重合，但它们比较接近。为了提高CCD探测器3的采样率，采用的方法是以灰度质心坐标为中心，在一定的视窗范围内进行局域搜索最大灰度值的方式来获得需要的灰度值信息(最大灰度值)。最大灰度值可以由下面公式得到：

$g=\underset{i\∈M}{\max }{g}_i$

其中M是以质心坐标为中心范围为(2N)×(2N)的搜索域，N为范围系数。

(2)标定角度关系

根据上面的方法可以获得最大灰度值的变化趋势，在进行偏振过程中还需要知道检偏器的旋转角度与灰度值的变化趋势之间的角度关系，这需要提前进行标定实验。实验方法为：先让检偏器2转动到任意一个角度，然后记录CCD探测器3所采集到线偏振光的最大灰度值，然后让检偏器2匀速转动360度(这里可以将360度分成若干等份，如分成20份，每次检偏器旋转18度)，每次检偏器2旋转规定的角度后，记录CCD探测器3采集到的线偏振光的最大灰度值，这样就可以获得检偏器2的旋转角度与线偏振光的最大灰度值之间的曲线关系，根据标定出的曲线进插值处理，就可以获得检偏器2的旋转角度与CCD采集到的线偏振光的最大灰度值之间的变化规律。即如果进行偏振跟踪，则需要首先进行标定实验，即获得线偏振光的灰度值与检偏器偏转的角度α关系。标定过程依据CCD探测器3探测光斑的灰度值变化，具体方法如下：

随着检偏器2的匀速偏转，入射到CCD上的光斑的灰度值会存在一定的变化规律，根据检偏器2的偏转角度以及CCD探测器3上的光斑的灰度值的变化规律，就可以标定出偏振跟踪中所需要的灰度变化与角度的关系曲线。

在获得了灰度值变化与检偏器的旋转角度之间的关系后，计算机5就可以实时地根据CCD探测器3采集到的图像的灰度值的变化，控制检偏器2的旋转，从而对入射的线偏振光的偏振方向进行精确的跟踪。

Claims (6)

1.一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，它包括计算机(5)，其特征是：它包括步进电机(1)、检偏器(2)、CCD探测器(3)和图像采集卡(4)，检偏器(2)固定在步进电机(1)的输出轴上，入射线偏振光经检偏器(2)入射至CCD探测器(3)的探测面上，所述CCD探测器(3)的图像信号输出端与图像采集卡(4)的图像信号输入端连接，所述图像采集卡(4)的图像灰度信号输出端与的计算机(4)的图像灰度信号输入端连接，所述计算机(4)的控制信号输出端与步进电机(1)的控制信号输入端连接，所述检偏器(2)能够沿入射光的光轴进行360度旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，其特征在于，CCD探测器(3)的型号为MTV-1801。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，其特征在于，图像采集卡(4)为基于1394协议的视频数据采集卡。

4.根据权利要求3所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，其特征在于，检偏器(2)的消光比为500∶1。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统，其特征在于，步进电机(1)是混合式二相步进电机。

6.基于权利要求1所述的一种基于线性偏振光的偏振跟踪系统的一种基于线性偏振光的偏振跟踪方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、入射线偏振光通过检偏器(2)入射至CCD检测器(3)的探测面上，所述CCD探测器(3)对入射线偏振光进行拍照，获得入射线偏振光图像；

步骤二、CCD探测器(3)将步骤一获得的入射线偏振光图像发送至图像采集卡(4)，图像采集卡(4)对所述入射线偏振光图像进行灰度检测，并将检测结果发送至计算机(5)；

步骤三、计算机(5)对步骤二获得的检测结果进行处理，获得CCD采集线偏振光的灰度值信息，并根据偏振光学中的马吕斯定律获得检偏器的转动角度信息，进而根据所述检偏器的转动角度信息驱动步进电机(1)带动检偏器(2)旋转至与入射线偏振光的偏振方向一致，实现对入射线偏振光的偏振跟踪。

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