CN107764399A - 非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法 - Google Patents
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Abstract
非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，属于偏振传输探测领域,本发明针对非均匀烟雾环境，提出了一种偏振传输特性的实验与仿真的验证方法，该方法利用传统模拟均匀介质环境的蒙特卡洛程序，在实验测试中，通过实时测量沉降时间内光学厚度的方式，建立实验测试与模拟仿真中非均匀环境参数的联系，用理论的方法验证实验测试，使得非均匀烟雾环境下的偏振传输特性模拟仿真得以实现，增加了测试准确性，为非均匀环境下的偏振传输特性测试提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，属于偏振传输探测领域。
背景技术
偏振成像由于在强度成像基础上增加了强度与光谱不能反映的偏振维度信息，能够显著增强目标与背景之间的差异，增加雾霾、烟尘等环境下的作用距离，成为解决烟雾环境探测的有效手段，因而在烟雾介质中对偏振传输特性进行研究对实际探测具有重要的研究意义。
近年来，对烟雾环境下的偏振传输计算机仿真与实验测试的研究多停留在均匀介质环境，如Mie散射、蒙特卡洛程序等都是对均匀、球形粒子进行研究。但在真实的自然场景中，如雾霾天气及战场烟雾环境，由于受到外界环境干扰的作用，介质环境往往是非均匀的，尤其对于地心引力所造成的烟雾环境沉降的问题，也更是实际测试中普遍存在且不可避免的问题，则现有的计算机仿真程序无法进行模拟，对于实际测量结果的真实性也无法得到验证。
因此，针对这种由于沉降现象所产生的非均匀烟雾环境，亟需一种非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法。
发明内容
为了研究非均匀烟雾介质的偏振传输特性，并在实验测试与计算机仿真方法下共同得到验证，具有较高的测试准确性，本发明提出了一种非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法。
本发明采用如下的技术方案：非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、开启激光器，发射光束依次经过准直系统、滤光片入射到线偏振片，通过调节线偏振片角度获得水平偏振光，水平偏振光经过烟雾环境模拟系统后入射到分光棱镜，经由分光棱镜分成两路光束，且每路光束的光强度均相同，在其中一路光束的传播方向上设置有光功率计，在另一路光束的传播方向上设置有偏振态测量仪；
步骤二、开启光功率计，测量烟雾环境模拟系统未充入烟雾时光强度；
步骤三、在烟雾环境模拟系统内沿光线传输方向上放置粒度仪，烟雾发生器向烟雾环境模拟系统中充入烟雾，由烟雾环境模拟系统中的风扇搅拌均匀，并由粒度仪测量烟雾环境模拟系统中充入烟雾的粒径参数；
步骤四、排空烟雾环境模拟系统中烟雾，移除烟雾环境模拟系统中的粒度仪，重复步骤一，并重新向烟雾环境模拟系统中充入烟雾，待烟雾搅拌均匀后，由光功率计和偏振态测量仪分别记录出射光束的光强值和偏振度的变化情况，待光功率计测量的光强值稳定后，停止实验操作；
步骤五、截取光功率计在光强值非稳定状态下测量的采样时间下的光强值，则采样时间内烟雾环境模拟系统中产生的烟雾为非均匀烟雾环境，并由充烟雾前的光强值Io和充烟雾后的光强值I计算在此采样时间下的光学厚度τ，如下所示：
步骤六、根据烟雾发生器产生烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、烟雾介质的折射率、粒度仪测得的粒径及在相应采样时间下对应的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟在相应采样时间下的偏振度值；
步骤七、分别绘制实验条件下偏振态测量仪测得的及蒙特卡洛方法仿真计算下得到的采样时间与偏振度的关系曲线，进行对比；
步骤八、调节步骤一中线偏振片的角度，用于产生不同偏振态的入射线偏振光，重复步骤二到步骤七，或在步骤一中线偏振片后放入四分之一波片，用于产生圆偏振光/椭圆偏振光，再重复步骤二到步骤七，用于不同线偏光、圆偏振光/椭圆偏振光经非均匀烟雾介质后的偏振传输特性实验与计算机仿真的验证。
进一步，步骤一中所述的线偏振片调节角度为0°～360°；步骤一中所述的激光器为可见光波段激光器。
进一步，所述粒度仪为马尔文粒度仪，用于测量球形粒子的粒径；步骤三中所述的烟雾发生器产生水雾或油雾球形烟雾粒子。
进一步，所述的步骤四中充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比，充入烟雾时间为1s～9s。
进一步，所述的步骤五中的非均匀烟雾环境，是在采样时间下由烟雾的沉降所形成，直径在1um～10um范围内的烟雾粒子沉降速度每秒为毫米级，其中光功率计的每一个采样点的时间间隔为1s。
进一步，所述的步骤六中的蒙特卡洛模拟程序为模拟计算均匀球形粒子的模拟程序，粒子数设定为106个；
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供一种非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，考虑由于烟雾沉降所产生的非均匀烟雾介质环境，针对采用传统蒙特卡洛程序只适用于均匀介质环境，进行模拟仿真受限的问题，采用实时同步测量偏振态及出射光强值的实验测试方法，把沉降的烟雾按采样点分为若干个均匀的烟雾环境，通过计算每一个采样点对应的光学厚度的方式，将实验测试与计算机模拟仿真的方法相连接，互相得到验证，使采用传统蒙特卡洛方法仿真非均匀的烟雾介质环境下的偏振传输特性成为可能，且使实验测试的结果准确率得以提高，准确性可以被理论验证。
附图说明
图1是本发明非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法中的系统结构示意图。
图中：1-激光器、2-准直系统、3-滤光片、4-线偏振片、5-四分之一波片、 6-烟雾环境模拟系统、7-分光系统、8-光功率计、9-偏振态测量仪。
具体实施方式
本发明提出了非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，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：如图1所示，该方法采用的光学装置包括激光器1、准直系统2、滤光片3、线偏振片4、四分之一波片5、烟雾环境模拟系统6、分光系统7、光功率计8及偏振态测量仪9，所需设备还包括安装VC++的计算机系统；
包括如下步骤：
步骤一、开启激光器1，光束依次经过准直系统2、滤光片3，产生均匀、准直的平行光，此束平行光经过线偏振片4，调节线偏振片4角度，产生水平偏振光并入射到烟雾环境模拟系统6中，偏振光束经烟雾环境模拟系统6入射到分光棱镜7，由分光棱镜7分成两路，且每路偏振光束的光强度均相同，在其中一路光束的传播方向上设置有光功率计8，光功率计8用于测量光强度，在另一路光束的传播方向上设置有偏振态测量仪9，偏振态测量仪9用于测量偏振态；
步骤二、开启光功率计8，测量烟雾环境模拟系统6未充入烟雾时光强度；
步骤三、在烟雾环境模拟系统6内沿光线传输方向上放置马尔文粒度仪，烟雾发生器向烟雾环境模拟系统6中充入烟雾，由烟雾环境模拟系统6中的风扇搅拌均匀，并由马尔文粒度仪测量烟雾环境模拟系统6中充入烟雾的粒径参数；
步骤四，排空烟雾环境模拟系统6中烟雾，移除烟雾环境模拟系统6中的马尔文粒度仪，重复步骤一，并重新向烟雾环境模拟系统6中充入烟雾，待烟雾搅拌均匀后，由光功率计8和偏振态测量仪9分别记录出射光束的光强值和偏振度的变化情况，待光功率计8测量的光强值稳定后，停止实验操作；
步骤五、截取光功率计8在光强值非稳定状态下测量的采样时间下的光强值，则此段时间内烟雾环境模拟系统6中产生的烟雾为非均匀烟雾环境，并由充入烟雾前的光强值Io和充入烟雾后的光强值I计算在此采样时间下的光学厚度τ，如下所示：
步骤六、根据烟雾发生器产生烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器1发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、烟雾介质的折射率、马尔文粒度仪测得的粒径及在相应采样时间下对应的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟在相应采样时间下的偏振度值；
步骤七、分别绘制实验条件下偏振态测量仪9测得的及蒙特卡洛方法仿真计算下得到的采样时间与偏振度的关系曲线，进行对比，相互得到验证；
步骤八、调节步骤一中线偏振片4的角度，用于产生不同偏振态的入射线偏振光，重复步骤二到步骤七，或在步骤一中线偏振片4后放入四分之一波片5，用于产生圆偏振光/椭圆偏振光，再重复步骤二到步骤七，用于不同圆偏振光/ 椭圆偏振光经非均匀烟雾介质后的偏振传输特性实验与计算机仿真的验证。
所述的步骤一中的线偏振片4调节角度为0°～360°；步骤一中所述的激光器 1为可见光波段激光器。
所述马尔文粒度仪，用于测量球形粒子的粒径；所述的步骤三中的烟雾发生器可产生水雾、油雾等球形烟雾粒子。
所述的步骤四中充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比，充入烟雾的浓度可根据充烟的时间进行调节，充烟时间可在1s～9s之间调节。
所述的步骤五中的非均匀烟雾环境，是在采样时间下由烟雾的沉降所形成的，由于烟雾沉降速度缓慢，对于直径在1um～10um范围内的粒子沉降速度每秒为毫米级，但光功率计的每一个采样点的时间间隔为1s，即在如此短的时间间隔内，每一个采样点所处的环境是均匀的烟雾环境。
所述的步骤六中的蒙特卡洛模拟程序为模拟计算均匀球形粒子的模拟程序，粒子数通常设定为106个。
Claims (6)
1.非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、开启激光器(1)，发射光束依次经过准直系统(2)、滤光片(3)入射到线偏振片(4)，通过调节线偏振片(4)角度获得水平偏振光，水平偏振光经过烟雾环境模拟系统(6)后入射到分光棱镜(7)，经由分光棱镜(7)分成两路光束，且每路光束的光强度均相同，在其中一路光束的传播方向上设置有光功率计(8)，在另一路光束的传播方向上设置有偏振态测量仪(9)；
步骤二、开启光功率计(8)，测量烟雾环境模拟系统(6)未充入烟雾时光强度；
步骤三、在烟雾环境模拟系统(6)内沿光线传输方向上放置粒度仪，烟雾发生器向烟雾环境模拟系统(6)中充入烟雾，由烟雾环境模拟系统(6)中的风扇搅拌均匀，并由粒度仪测量烟雾环境模拟系统(6)中充入烟雾的粒径参数；
步骤四、排空烟雾环境模拟系统(6)中烟雾，移除烟雾环境模拟系统(6)中的粒度仪，重复步骤一，并重新向烟雾环境模拟系统(6)中充入烟雾，待烟雾搅拌均匀后，由光功率计(8)和偏振态测量仪(9)分别记录出射光束的光强值和偏振度的变化情况，待光功率计(8)测量的光强值稳定后，停止实验操作；
步骤五、截取光功率计(8)在光强值非稳定状态下测量的采样时间下的光强值，则采样时间内烟雾环境模拟系统(6)中产生的烟雾为非均匀烟雾环境，并由充烟雾前的光强值Io和充烟雾后的光强值I计算在此采样时间下的光学厚度τ，如下所示：
步骤六、根据烟雾发生器产生烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器(1)发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、烟雾介质的折射率、粒度仪测得的粒径及在相应采样时间下对应的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟在相应采样时间下的偏振度值；
步骤七、分别绘制实验条件下偏振态测量仪(9)测得的及蒙特卡洛方法仿真计算下得到的采样时间与偏振度的关系曲线，进行对比；
步骤八、调节步骤一中线偏振片(4)的角度，用于产生不同偏振态的入射线偏振光，重复步骤二到步骤七，或在步骤一中线偏振片(4)后放入四分之一波片(5)，用于产生圆偏振光/椭圆偏振光，再重复步骤二到步骤七，用于不同线偏光、圆偏振光/椭圆偏振光经非均匀烟雾介质后的偏振传输特性实验与计算机仿真的验证。
2.根据权利要求1所述非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征是：步骤一中所述的线偏振片(4)调节角度为0°～360°；步骤一中所述的激光器(1)为可见光波段激光器。
3.根据权利要求1所述非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征是：所述粒度仪为马尔文粒度仪，用于测量球形粒子的粒径；步骤三中所述的烟雾发生器产生水雾或油雾球形烟雾粒子。
4.根据权利要求1所述非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征是：所述的步骤四中充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比，充入烟雾时间为1s～9s。
5.根据权利要求1所述非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征是：所述的步骤五中的非均匀烟雾环境，是在采样时间下由烟雾的沉降所形成，直径在1um～10um范围内的烟雾粒子沉降速度每秒为毫米级，其中光功率计(8)的每一个采样点的时间间隔为1s。
6.根据权利要求1所述非均匀烟雾环境偏振传输特性实验与仿真的验证方法，其特征是：所述的步骤六中的蒙特卡洛模拟程序为模拟计算均匀球形粒子的模拟程序，粒子数设定为106个。
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