CN104596645A - 复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，属于光电成像探测领域。系统的全偏振光产生装置可产生多个波段的全偏振激光，激光通过多角度传输环境模拟装置上开设的多个特定角度的光学窗口，再进入全偏振光探测装置；计算机系统获取并分析全偏振光产生装置、多角度传输环境模拟装置与全偏振光探测装置的信息。相比现有技术，本发明具有适用范围广、操作方便、效率高、精度高、可重复的特点。
Description
技术领域
本发明属于光电成像探测领域，特别涉及一种多角度散射模拟及偏振传输特性测试系统。
背景技术
复杂环境中的大气分子、气溶胶粒子、烟尘雾霾对光的传播会产生很大的影响，导致衰减、消光，作用距离下降，成像对比度降低等问题，极大地降低了成像探测的精度和效果。复杂环境的湿度、气温、风力、风向等都会使目标的偏振特性在传输过程中发生变化。复杂环境传输介质颗粒的成分、粒径大小和颗粒形貌与不同波长光波偏振特性密切相关。环境越复杂对光传输特性影响越大，对成像的影响就越大，全偏振成像探测技术既能获取线偏振信息又可获取圆偏振信息，因而可以削弱和降低复杂环境的干扰。
在复杂环境下全偏振传输探测方面，国外开展研究较早，先后建立了各类不同规模的环境模拟设备，如英国皇家陆军科学研究院车辆环境实验室该设备试验间尺寸为16m×8m×8m(长×宽×高)，温度范围为常温～50℃，湿度可到85×(1±0.05)RH(≤40℃)，太阳辐射强度最大1kW/m2，模拟的最大风速为35m/s。以色列在雾霾天气环境下进行了全偏振成像实验，指出雾霾环境下大气中存在大量的散射介质，比如烟雾颗粒等。这些散射介质将会对光的传输及传统的光成像造成相当程度的影响，导致成像效果的对比度下降、清晰度不高和作用距离短。但是全偏振成像能够减少这些散射介质的作用，从而改善了成像效果，提高了成像探测的作用距离。
在我国，北京理工大学研究了532nm，650nm和780nm三个波长的光与粒径为325nm的脂肪乳剂液散射粒子的后向散射光的线偏振度特性。福建师范大学研究了波长为54nm的风冷Ar+激光器针对线偏振光在葡萄糖散射介质中传输特性。但是这些研究只是针对单一的线偏振光传输特性，还仅停留在数值仿真模拟阶段，即使是实验也是单一平台、单一信道、单一型号产品进行研究，没有建立相对完整的测试平台和综合分析及仿真系统。
由此可见，传统测定方法模拟真实情况单一，可适用的范围小，不可定量分析。所以，本领域亟需一种具有定量分析能力，能够模拟全偏振光在复杂环境下多角度散射的测试系统来改变这样的现状。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种适用范围广、操作方便、效率高、精度高、可重复的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统。
本发明是这样设计的：
复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：全偏振光产生装置可产生多个波段的全偏振激光，激光通过多角度传输环境模拟装置上开设的多个特定角度的光学窗口，再进入全偏振光探测装置；计算机系统获取并分析全偏振光产生装置、多角度传输环境模拟装置与全偏振光探测装置的信息；
所述的多角度传输环境模拟装置的侧壁开设有入射光学窗口与6个散射接收光学窗口：散射接收光学窗口Ⅰ、散射接收光学窗口Ⅱ、散射接收光学窗口Ⅲ、散射接收光学窗口Ⅳ、散射接收光学窗口Ⅴ、散射接收光学窗口Ⅵ；所述的6个光学窗口分别对应30°、45°、60°、90°、135°、180°的散射角度；
所述的多角度传输环境模拟装置的形状为圆柱形；所述的全偏振光产生装置与全偏振光探测装置均位于以多角度传输环境模拟装置中心为圆心的圆周上；所述的全偏振光产生装置正对入射光学窗口；所述的全偏振光探测装置正对散射接收光学窗口。
所述的全偏振光产生装置包括可变波长及功率可调的激光器与起偏装置；所述的起偏装置包括衰减片、起偏片、位相延迟器Ⅰ与扩束器Ⅰ；所述的可变波长及功率可调的激光器、起偏片、位相延迟器Ⅰ与扩束器Ⅰ依次排列。
所述的多角度传输环境模拟装置中心设置有目标板，即可测量多角度目标偏振前向或后向散射特性。
所述的多角度传输环境模拟装置中注入传输介质，即可测量全偏振光多角度散射传输特性。
所述的全偏振光探测装置包括全偏振光检偏装置、偏振stokes矢量获取装置与偏振态探测装置；所述的全偏振光检偏装置包括扩束器Ⅱ、位相延迟器Ⅱ、检偏片与分光棱镜；偏振光经分光棱镜被偏振stokes矢量获取装置与偏振态探测装置所接收。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明建立的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，可模拟多种复杂环境，如烟雾，水雾，燃烧烟尘，可实时控制并检测环境粒子物理参数，如浓度、湿度、温度、粒子半径等。
2、本发明构建了一种针对复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，可采集可见光波段，近红外，中红外的线和偏振光信息，从而实现对全偏振传输探测的研究。
3、本发明复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，可对偏振光多角度目标反射特性和多角度散射传输特性进行测试和分析，实验条件可重复，且屏蔽外界干扰，为复杂环境下的偏振传输规律研究，提供环境保障和测试手段，较大提高实验的精确性。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统的结构示意图。
图2为本发明复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统的俯视结构示意图Ⅰ。
图3为本发明复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统的俯视结构示意图Ⅱ。
图中1为全偏振光产生装置、11为可变波长及功率可调的激光器、12为起偏装置、111为衰减片、112为起偏片、113为位相延迟器Ⅰ、114为扩束器Ⅰ；2为多角度传输环境模拟装置、21为入射光学窗口、22为散射接收光学窗口Ⅰ、23为散射接收光学窗口Ⅱ、24为散射接收光学窗口Ⅲ、25为散射接收光学窗口Ⅳ、26为散射接收光学窗口Ⅴ、27为散射接收光学窗口Ⅵ、28为目标板、3为全偏振光探测装置、31为全偏振光检偏装置、32为偏振stokes矢量获取装置、33为偏振态探测装置、311为扩束器Ⅱ、312为位相延迟器Ⅱ、313为检偏片、314为分光棱镜、4为计算机系统。
具体实施方式
如图所示的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：全偏振光产生装置1可产生多个波段的全偏振激光，激光通过多角度传输环境模拟装置2上开设的多个特定角度的光学窗口，再进入全偏振光探测装置3；计算机系统4获取并分析全偏振光产生装置1、多角度传输环境模拟装置2与全偏振光探测装置3的信息；
所述的多角度传输环境模拟装置2的侧壁开设有入射光学窗口21与6个散射接收光学窗口：散射接收光学窗口Ⅰ22、散射接收光学窗口Ⅱ23、散射接收光学窗口Ⅲ24、散射接收光学窗口Ⅳ25、散射接收光学窗口Ⅴ26、散射接收光学窗口Ⅵ27；所述的6个光学窗口分别对应30°、45°、60°、90°、135°、180°的散射角度；
所述的多角度传输环境模拟装置2的形状为圆柱形；所述的全偏振光产生装置1与全偏振光探测装置3均位于以多角度传输环境模拟装置2中心为圆心的圆周上；所述的全偏振光产生装置1正对入射光学窗口21；所述的全偏振光探测装置3正对散射接收光学窗口。
所述的全偏振光产生装置1包括可变波长及功率可调的激光器11与起偏装置12；所述的起偏装置12包括衰减片111、起偏片112、位相延迟器Ⅰ113与扩束器Ⅰ114；所述的可变波长及功率可调的激光器11、起偏片112、位相延迟器Ⅰ113与扩束器Ⅰ114依次排列。
所述的多角度传输环境模拟装置2中心设置有目标板28，即可测量多角度目标偏振前向或后向散射特性。
所述的多角度传输环境模拟装置2中注入传输介质，即可测量全偏振光多角度散射传输特性。
所述的全偏振光探测装置3包括全偏振光检偏装置31、偏振stokes矢量获取装置32与偏振态探测装置33；所述的全偏振光检偏装置31包括扩束器Ⅱ311、位相延迟器Ⅱ312、检偏片313与分光棱镜314；偏振光经分光棱镜被偏振stokes矢量获取装置32与偏振态探测装置33所接收。
该复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统的操作步骤如下：
步骤一、操作人员选取全偏振光产生装置1与多角度传输环境模拟装置2之间角度，通过计算机系统4控制位相延迟器Ⅰ113，设置圆偏振光、线偏振光的出射状态。
步骤二、操作人员通过计算机控制系统4，设置多角度传输环境模拟装置2中的传输环境，如湿度温度等。并可通过计算机系统4监测传输环境模拟室的湿度、温度、浓度、颗粒粒径大小，粒子折射率，绘制出这些物理参数随时间的变化情况。
步骤三、全偏振光产生装置1发出偏振光，实现实验状态；打开全偏振光产生装置1中的可变波长及功率可调的激光器11，选择测定的波段，进入全偏振光产生装置1，依次经过全偏振光产生装置1中的衰减片111、起偏片112、位相延迟器Ⅰ113、扩束器Ⅰ114，进入多角度传输环境模拟装置2。
步骤四、全偏振光探测装置3探测偏振光信号，并将数据传送给计算机系统4；计算机系统4显示偏振光传输环境的模拟结果，分析并获得偏振光在复杂环境中的传输特性。
所述的步骤三中测定的波段的可选范围为波段380nm～700nm，近红外1～3μm，中红外3μm～5μm，远红外5μm～8μm波长的激光。
实施例1：若要模拟532nm波长激光器产生的偏振光在水雾中散射传输，系统结构示意图如图2。
步骤一，通过计算机系统4，向多角度传输环境模拟装置2中注入一定温度湿度的水雾，湿度温度可以通过计算机系统4进行控制欲检测，满足实验要求后开始实验。
步骤二，调整全偏振光产生装置1与全偏振光探测装置3两者的方向，使全偏振光产生装置1与全偏振光探测装置3放置在以多角度传输环境模拟装置2的中心为圆心的圆周上，并使两者分别对准入射光学窗口21与6个散射接收光学窗口：散射接收光学窗口Ⅰ22、散射接收光学窗口Ⅱ23、散射接收光学窗口Ⅲ24、散射接收光学窗口Ⅳ25、散射接收光学窗口Ⅴ26、散射接收光学窗口Ⅵ27。
步骤三，使可变波长及功率可调的激光器11输出532nm的激光，激光依次通过可调衰减片111，400nm～700nm波长起偏片112、位相延迟器I113，产生偏振光，偏振光通过入射光学窗口21进入多角度传输环境模拟装置2后从散射接收光学窗口Ⅴ26出射进入全偏振光检偏装置31，再经过分光棱镜314，此时光分成两束，一束进入偏振stokes矢量获取装置32、一束进入偏振态探测装置33。
步骤四、通过计算机系统4分析进入偏振stokes矢量获取装置32的光束，得出圆偏振光偏振度的改变情况。通过计算机系统4分析进入偏振态探测装置33得出圆偏振光偏振态的改变情况。
若要模拟相同波长偏振光在油雾、燃烧烟尘等复杂环境中散射传输，通过计算机系统4向多角度传输环境模拟装置2注入油雾，燃烧烟尘，重复以上步骤。
若要模拟复杂环境中其他波长的偏振光传输，需要调节可变波长及功率可调的激光器11，然后重复以上步骤。
实施例2：若要模拟532nm波长激光器产生的偏振光在水雾中多角度方向反射特性，如图3。
步骤一，通过计算机系统4，向多角度传输环境模拟装置2中注入一定温度湿度的水雾，湿度温度可以通过计算机系统4进行控制与检测，满足实验要求后开始实验。
步骤二，调整全偏振光产生装置1与全偏振光探测装置3两者的方向，使全偏振光产生装置1对准入射光学窗口21，偏振光探测装置3分别对准6个散射接收光学窗口：散射接收光学窗口Ⅰ22、散射接收光学窗口Ⅱ23、散射接收光学窗口Ⅲ24、散射接收光学窗口Ⅳ25、散射接收光学窗口Ⅴ26、散射接收光学窗口Ⅵ27；在多角度传输环境模拟装置2中心位置放置目标板。
步骤三，使可变波长及功率可调的激光器11输出532nm的激光，激光依次通过可调衰减片111，400nm～700nm波长起偏片112、可变电控相位延迟器I113，产生偏振光，偏振光通过光学窗口进入多角度传输环境模拟装置2后从光学窗口出射进入全偏振光检偏装置31，再经过分光棱镜314，此时光分成两束，一束进入偏振stokes矢量获取装置32、一束进入偏振态探测装置33。
步骤四、进入偏振stokes矢量获取装置32的光束，通过计算机系统4分析得出偏振光偏振度偏振态的改变情况。进入偏振态探测装置33通过计算机系统4分析得到目标图像。
若要模拟相同波长偏振光在油雾、燃烧烟尘等复杂环境中多角度方向反射特性，通过计算机系统4向多角度传输环境模拟装置2注入油雾，燃烧烟尘，重复以上步骤。
若要模拟复杂环境中其他波长的多角度方向反射特性，需要调节可变波长及功率可调的激光器11，然后重复以上步骤。
Claims (5)
1.复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：全偏振光产生装置(1)可产生多个波段的全偏振激光，激光通过多角度传输环境模拟装置(2)上开设的多个特定角度的光学窗口，再进入全偏振光探测装置(3)；计算机系统(4)获取并分析全偏振光产生装置(1)、多角度传输环境模拟装置(2)与全偏振光探测装置(3)的信息；
所述的多角度传输环境模拟装置(2)的侧壁开设有入射光学窗口(21)与6个散射接收光学窗口：散射接收光学窗口Ⅰ(22)、散射接收光学窗口Ⅱ(23)、散射接收光学窗口Ⅲ(24)、散射接收光学窗口Ⅳ(25)、散射接收光学窗口Ⅴ(26)、散射接收光学窗口Ⅵ(27)；所述的6个光学窗口分别对应30°、45°、60°、90°、135°、180°的散射角度；
所述的多角度传输环境模拟装置(2)的形状为圆柱形；所述的全偏振光产生装置(1)与全偏振光探测装置(3)均位于以多角度传输环境模拟装置(2)中心为圆心的圆周上；所述的全偏振光产生装置(1)正对入射光学窗口(21)；所述的全偏振光探测装置(3)正对散射接收光学窗口。
2.根据权利要求1所述的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：所述的全偏振光产生装置(1)包括可变波长及功率可调的激光器(11)与起偏装置(12)；所述的起偏装置(12)包括衰减片(111)、起偏片(112)、位相延迟器Ⅰ(113)与扩束器Ⅰ(114)；所述的可变波长及功率可调的激光器(11)、起偏片(112)、位相延迟器Ⅰ(113)与扩束器Ⅰ(114)依次排列。
3.根据权利要求1所述的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：所述的多角度传输环境模拟装置(2)中心设置有目标板(28)，即可测量多角度目标偏振前向或后向散射特性。
4.根据权利要求1所述的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：所述的多角度传输环境模拟装置(2)中注入传输介质，即可测量全偏振光多角度散射传输特性。
5.根据权利要求1所述的复杂环境全偏振多角度散射模拟及测试系统，其特征在于：所述的全偏振光探测装置(3)包括全偏振光检偏装置(31)、偏振stokes矢量获取装置(32)与偏振态探测装置(33)；所述的全偏振光检偏装置(31)包括扩束器Ⅱ(311)、位相延迟器Ⅱ(312)、检偏片(313)与分光棱镜(314)；偏振光经分光棱镜被偏振stokes矢量获取装置(32)与偏振态探测装置(33)所接收。
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