CN107340207A - 基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，属于成像探测领域，包括主动偏振光发射器、灰霾环境室、偏振特性分析装置及计算机系统，主动偏振光发射器、灰霾环境室及偏振特性分析装置均与计算机系统连接，入射光束依次经过主动偏振光发射器、灰霾环境室及偏振特性分析装置后得到散射光，经计算机系统处理散射光信息，采用非球形粒子的仿真程序解算出经由非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。与现有技术相比，本发明的方法可以实现对非球形灰霾粒子的模拟，可控制粒子形状，粒子能见度，可定性定量的研究灰霾粒子对偏振光传输特性的影响，实现非球型粒子散射效应测试，为雾霾环境偏振探测提供了更为可靠的理论依据。
Description
技术领域
本发明属于成像探测领域，特别是涉及一种基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法。
背景技术
由于城市的不断扩张与工业的急速发展，高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物，一旦排放超出了大气本身净化循环的能力与承受的范围，细颗粒粒子的浓度会不断增加积聚，再加上受到气压温度等气候环境影响，特别容易引起大范围雾霾天气，这种由灰尘与水相互包裹形成的灰霾粒子，降低了探测系统的精度，影响了成像系统对比度，
形成了低对比度环境。偏振成像相比于可见光成像增加了偏振维度信息，在低对比度环境下探测具有很大优势。因此，研究灰霾环境下的粒子偏振散射特性是十分必要的。
在灰霾粒子偏振散射特性测试方面，国外开展研究较早，美国进行了圆偏振光主动照射真实烟雾环境实验，结果表明能显著增加烟中的对比度达40％。以色列自上世纪末开始进行基于线偏振成像技术的去雾原理研究和实验，在十几年间陆续发表了多篇文章，其试验结果表明在薄雾的情况下，利用线偏振去雾可显著提高目标对比度达40％和探测距离20公里。美国和以色列联合进行了浑浊液体中的线偏振主动照射成像实验，实验结果表明，在中等散射条件下，线偏振主动照射可以增加目标对比度。通过以上研究可以看出，利用偏振特性进行成像探测可有效提升探测精度。
国内开展相对滞后，很多高校对浑浊介质中的偏振光传输特性做了数值仿真模拟与实验研究。北京师范大学对散射光偏振特性进行了分析，选取Intralipid溶液(山东鲁抗辰欣药业有限公司)生产作为散射介质，扫描电镜分析该溶液为球形散射颗粒。北京理工大学研究了532nm，650nm和780nm的后向散射光的偏振度特性，其散射粒子为理想球形的脂肪乳剂液。2015年长春理工大学针对非球形椭球粒子对单次散射特性影响开展了仿真计算，但缺少相关实验研究。目前只有球形粒子的多次散射问题能够进行计算，开展的实验也都是针对球形粒子的偏振散射特性研究，但是灰霾粒子是由空气中水汽包裹灰尘形成的，并非球形粒子，在假设为理想的均匀球型同性粒子的同时也忽略掉了真实散射介质的异常有用偏振信息，由于将散射介质粒子假设为均匀球型各项同性仅限于在理论上获得较高计算精度，与实际情况存在一定差异，使其在复杂环境下应用受限，若要将均匀球型同性的偏振传输理论应用于低对比度偏振成像，甚至扩展到烟尘、雾霾、扬沙等复杂环境，需要在保证偏振传输理论计算的准确性，消除假设为理想介质的弊端，即发挥了偏振成像探测的优势，又提升了其适应性。因此不能将灰霾粒子笼统的近似为球形进行数值模拟与实验研究，而且目前气溶胶发生器产生粒子形状均为球形，与真实灰霾环境存在很大差异，对定性定量的研究非球型灰霾粒子的偏振散射特性带来一定困难。
发明内容
为了获取灰霾粒子的偏振光散射特性，解决灰霾粒子造成的探测距离下降的问题，提高目标识别信息的正确率，本发明提出了一种基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，可以实现对非球形灰霾粒子模拟，可控制粒子形状，粒子能见度，可定性定量的研究灰霾粒子对偏振光传输特性的影响，为雾霾环境偏振探测提供了更为可靠的理论依据。
本发明采用如下的技术方案：基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，其特征是：该方法采用的系统包括主动偏振光发射器、灰霾环境室、偏振特性分析装置及计算机系统，所述主动偏振光发射器与计算机系统连接，主动偏振光发射器包含偏振光产生装置与望远镜，其中偏振光产生装置由沿光路顺次设置的偏振器、电控液晶相位器及滤光片组成，且偏振器、电控液晶相位器及滤光片同光轴布置；所述望远镜放置在偏振光产生装置的出射光路上；所述灰霾环境室与计算机系统连接，灰霾环境室为中空圆柱体结构，其内壁面为光滑平整结构，灰霾环境室内部布置有灰霾环境模拟装置及粒子监测装置，灰霾环境室的侧壁上开设有光学窗口Ⅰ与光学窗口Ⅱ，且光学窗口Ⅰ与光学窗口Ⅱ沿灰霾环境室径向正对布置，光学窗口Ⅰ正对主动偏振光发射器，光学窗口Ⅱ正对偏振特性分析装置；所述偏振特性分析装置包括液晶型偏振态测试仪、旋转偏振片型偏振态分析装置及非偏振分光棱镜NPBS，液晶型偏振态测试仪和旋转偏振片型偏振态分析装置分别与计算机系统连接，其中液晶型偏振态测试仪位于非偏振分光棱镜NPBS的反射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置位于非偏振分光棱镜NPBS的透射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置包括四分之一波片、检偏片及光功率计，
所述四分之一波片、检偏片及光功率计沿光路顺次布置；
具体通过以下步骤实现：
步骤一、光束入射到主动偏振光发射器，通过计算机系统控制主动偏振光发射器对入射光束进行起偏，得到偏振光；
步骤二、通过计算机系统控制灰霾环境室中的灰霾环境，并由粒子监测装置监测灰霾环境中非球形灰霾粒子的粒径分布；
步骤三、将步骤一获得的偏振光入射到经步骤二处理的灰霾环境室内产生散射光，散射光从灰霾环境室射出后入射到偏振特性分析装置；
步骤四、偏振特性分析装置接收灰霾环境室出射的散射光并通过计算机系统处理散射光信息，从而获得光束经非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。
优选的，所述灰霾环境室的直径为2米。
进一步，步骤一中所述入射光束为波长范围为380nm～800nm激光束。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明提出的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，可以定性定量的分析出灰霾粒子对可见光偏振信息消光退偏特性，可以解算出经过不同能见度灰霾与不同形状灰霾粒子的偏振光退偏度。
2、本发明提出的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，可以模拟出不同能见度与不同长短轴比的非球形灰霾粒子，相比于市面上的气溶胶产生装置均为球形颗粒而言本方法产生的粒子更接近真实灰霾环境，在这种环境下开展偏振特性研究利于提高偏振探测精度。
3、本发明提出的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，可以对不同能见度与粒子长短轴比的灰霾环境粒子偏振散射特性进行多次测量，屏蔽外界干扰，利于定性定量的获取不同能见度与长短轴比条件下的灰霾粒子散射特性。
4、本发明首次采用液晶型偏振态测试仪与旋转偏振片型偏振态分析装置进行相互验证测试结果，可以有效确保测试结果的准确性。
附图说明
以下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本发明基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法中的系统结构示意图。
图中：1-主动偏振光发射器、11-偏振光产生装置、111-偏振器、112-电控液晶相位器、113-滤光片、12-望远镜、2-灰霾环境室、21-灰霾环境模拟装置、22-粒子监测装置、23-光学窗口Ⅰ、24-光学窗口Ⅱ、3-偏振特性分析装置、31-液晶型偏振态测试仪、32-旋转偏振片型偏振态分析装置、321-四分之一波片、322-检偏片、323-光功率计、33-非偏振分光棱镜NPBS、4-计算机系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，其所需条件和实现步骤如下：
所需条件：
该方法采用的系统包括主动偏振光发射器1、灰霾环境室2、偏振特性分析装置3及计算机系统4，所述主动偏振光发射器1与计算机系统4连接，主动偏振光发射器1包含偏振光产生装置11与望远镜12，其中偏振光产生装置11由沿光路顺次设置的偏振器111、电控液晶相位器112及滤光片113组成，且偏振器111、电控液晶相位器112及滤光片113同光轴布置；所述望远镜12放置在偏振光产生装置11的出射光路上；主动偏振光发射器1可以通过调整偏振器111与电控液晶相位器112的光轴夹角可以实现圆偏振光与线偏振光的产生，并实现精准的偏振信息控制，产生的偏振光通过望远镜12进入灰霾环境室2，所述灰霾环境室2与计算机系统4连接，灰霾环境室2为中空圆柱体结构，其内壁面为光滑平整结构，灰霾环境室2内部布置有灰霾环境模拟装置21及粒子监测装置22，灰霾环境模拟装置21可以实现灰霾粒子的模拟，实现对粒子形状，灰霾能见度的控制并且通过粒子监测装置22可以定量定性的监测灰霾粒子，灰霾环境室2的侧壁上开设有光学窗口Ⅰ23与光学窗口Ⅱ24，且光学窗口Ⅰ23与光学窗口Ⅱ24沿灰霾环境室2径向正对布置，光学窗口Ⅰ23正对主动偏振光发射器1，光学窗口Ⅱ24正对偏振特性分析装置3；灰霾环境室2的直径2米，可以实现对于灰霾粒子偏振散射特性测试；所述偏振特性分析装置3包括液晶型偏振态测试仪31、旋转偏振片型偏振态分析装置32及非偏振分光棱镜NPBS33，液晶型偏振态测试仪31和旋转偏振片型偏振态分析装置32分别与计算机系统4连接，其中液晶型偏振态测试仪31位于非偏振分光棱镜NPBS33的反射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置32位于非偏振分光棱镜NPBS33的透射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置32包括四分之一波片321、检偏片322及光功率计323，所述四分之一波片321、检偏片322及光功率计323沿光路顺次布置；
实现步骤：
步骤一、通过计算机系统4控制主动偏振光发射器1产生所需的偏振态偏振角的偏振光；
步骤二、通过计算机系统4设置灰霾环境模拟室2中的灰霾环境模拟装置21的参数(灰霾环境能见度与灰霾粒子长短轴比)，同时，
通过粒子监测装置22实时监测灰霾粒子粒径分布；
步骤三、主动偏振光发射器1产生所需偏振光入射到灰霾环境模拟室2内产生散射光，散射光从灰霾环境室2射出后入射到偏振特性分析装置3；
步骤四、偏振特性分析装置3接收从灰霾环境模拟室2出射的散射光，经由计算机系统4处理散射光信息，采用非球形粒子的仿真程序解算出经由非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。
实施例1
若要测量长短轴比为1:2的灰霾粒子对532nm偏振光的散射效应，具体测量方法：
步骤一、通过计算机系统4控制主动偏振光发射器1产生所需的偏振态偏振角的偏振光；
步骤二、通过计算机系统4设置灰霾环境模拟室2中的灰霾环境模拟装置21的参数(灰霾环境能见度与灰霾粒子长短轴比为2:1)，即可通过控制灰霾环境模拟装置21中的灵芝碳化粉末与甘油的混合比，形成非球形的灰霾粒子，同时，通过粒子监测装置22实时监测灰霾粒子粒径分布；
步骤三、主动偏振发射器1产生所需偏振光入射到灰霾环境模拟室2内产生散射光，散射光从灰霾环境室2射出后入射到偏振特性分析装置3；
步骤四、偏振特性分析装置3接收从灰霾环境模拟室2出射的散射光，经由计算机系统4处理散射光信息，采用非球形粒子的仿真程序解算出经由非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。
若要模拟相同波长偏振光在不同长短轴比的灰霾粒子环境中散射特性，通过计算机系统4重新设定灰霾粒子长短轴比，重复以上步骤。
综上，本发明中提出的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，可以实现对非球形灰霾粒子的模拟，可控制粒子形状，粒子能见度，可定性定量的研究灰霾粒子对偏振光传输特性的影响，为雾霾环境偏振探测提供了更为可靠的理论依据。
上述实施例仅为例示性说明本发明的方法和有益效果，而非用于限制本发明。任何熟悉此方法的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如申请专利范围所列。
Claims (3)
1.基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，其特征是：该方法采用的系统包括主动偏振光发射器(1)、灰霾环境室(2)、偏振特性分析装置(3)及计算机系统(4)，所述主动偏振光发射器(1)与计算机系统(4)连接，主动偏振光发射器(1)包含偏振光产生装置(11)与望远镜(12)，其中偏振光产生装置(11)由沿光路顺次设置的偏振器(111)、电控液晶相位器(112)及滤光片(113)组成，且偏振器(111)、电控液晶相位器(112)及滤光片(113)同光轴布置；所述望远镜(12)放置在偏振光产生装置(11)的出射光路上；所述灰霾环境室(2)与计算机系统(4)连接，灰霾环境室(2)为中空圆柱体结构，其内壁面为光滑平整结构，灰霾环境室(2)内部布置有灰霾环境模拟装置(21)及粒子监测装置(22)，灰霾环境室(2)的侧壁上开设有光学窗口Ⅰ(23)与光学窗口Ⅱ(24)，且光学窗口Ⅰ(23)与光学窗口Ⅱ(24)沿灰霾环境室(2)径向正对布置，光学窗口Ⅰ(23)正对主动偏振光发射器(1)，光学窗口Ⅱ(24)正对偏振特性分析装置(3)；所述偏振特性分析装置(3)包括液晶型偏振态测试仪(31)、旋转偏振片型偏振态分析装置(32)及非偏振分光棱镜NPBS(33)，液晶型偏振态测试仪(31)和旋转偏振片型偏振态分析装置(32)分别与计算机系统(4)连接，其中液晶型偏振态测试仪(31)位于非偏振分光棱镜NPBS(33)的反射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置(32)位于非偏振分光棱镜NPBS(33)的透射光路上，旋转偏振片型偏振态分析装置(32)包括四分之一波片(321)、检偏片(322)及光功率计(323)，所述四分之一波片(321)、检偏片(322)及光功率计(323)沿光路顺次布置；
具体通过以下步骤实现：
步骤一、光束入射到主动偏振光发射器(1)，通过计算机系统(4)控制主动偏振光发射器(1)对入射光束进行起偏，得到偏振光；
步骤二、通过计算机系统(4)控制灰霾环境室(2)中的灰霾环境，并由粒子监测装置(22)监测非球形灰霾环境中灰霾粒子的粒径分布；
步骤三、将步骤一获得的偏振光入射到经步骤二处理的灰霾环境室(2)内产生散射光，散射光从灰霾环境室(2)射出后入射到偏振特性分析装置(3)；
步骤四、偏振特性分析装置(3)接收灰霾环境室(2)出射的散射光并通过计算机系统(4)处理散射光信息，从而获得光束经非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。
2.根据权利要求1所述的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，其特征是：所述灰霾环境室(2)的直径为2米。
3.根据权利要求1所述的基于偏振探测的灰霾粒子散射效应的测量方法，其特征是：步骤一中所述入射光束为波长范围为380nm～800nm激光束。
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| CN107340207B (zh) | 2020-03-10 |
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