CN108332850A - 一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统及其测试方法，包括偏振光产生装置、雾霾介质模拟发生装置和散射效应测量装置；散射效应测量装置包括分光棱镜、偏振态测量仪、光功率计和计算机，分光棱镜与雾霾介质模拟发生装置的出射玻璃窗口相对应，光功率计、偏振态测量仪分别设置在分光棱镜的两条光传输路径上。仅通过粒度仪测量烟雾粒度，光功率计、偏振态测量仪测得散射光强度、偏振stokes矢量，计算获得偏振光的偏振度、线偏振度、偏振角和圆偏振度，最后建立雾霾介质复杂环境的光学模型，偏振光无需衰减、相位延迟、起偏等变换，保留了偏振激光由雾霾介质环境出射后的原始状态，测量更加准确，使得激光传输特性的描述更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光探测方法，尤其涉及一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统及其测试方法。
背景技术
在散射效应测试系统的研究方面，国外开展研究较早，先后建立了各种不同规模的环境模拟设备，如英国陆军科学研究院车辆环境测试系统，其温度测量范围可以达到50度，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。、美国阿伯丁试验场兵器环境的多光谱偏振投影系统采用短薄红外成像该系统可生成静态图像和视频图像（可达200赫兹）。
但是，雾霾介质或其它粒子分布不均匀、粒子形状不规则的介质，其散射环境相当复杂，这些散射介质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。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统及其测试方法，这种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统及其测试方法能够使得激光传输特性的描述更加准确。采用的技术方案如下：
一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，包括偏振光产生装置，其特征是：还包括雾霾介质模拟发生装置和散射效应测量装置；雾霾介质模拟发生装置包括烟雾箱体、烟雾发生装置、鼓风机、烟雾排空装置、反射装置和粒度仪，烟雾箱体上开设有入射玻璃窗口和出射玻璃窗口，入射玻璃窗口与所述偏振光产生装置相对应，反射装置设置在烟雾箱体中，烟雾发生装置通过鼓风机及管道与烟雾箱体的底部相通连接，粒度仪与烟雾箱体的底部相通连接，烟雾排空装置与烟雾箱体的顶部相通连接；散射效应测量装置包括分光棱镜、偏振态测量仪、光功率计和计算机，分光棱镜与出射玻璃窗口相对应，光功率计、偏振态测量仪分别设置在分光棱镜的两条光传输路径上，粒度仪、偏振态测量仪、光功率计均通过数据线与计算机连接。
上述偏振光产生装置用于产生偏振激光。
上述雾霾介质模拟发生装置用于产生多种雾霾介质环境，其中烟雾发生装置用于产生烟雾并送入到烟雾箱体中，烟雾发生装置可以采用超声波雾化器，烟雾排空装置则将烟雾从烟雾箱体的顶部抽出，烟雾排空装置则可以采用抽风机和管道相配合的结构。
工作原理：偏振光产生装置产生偏振激光，偏振激光从入射玻璃窗口射入到烟雾箱体中的雾霾环境中，然后从出射玻璃窗口射出并射入分光棱镜，分别由粒度仪、光功率计、偏振态测量仪测得烟雾粒度、散射光强度、偏振stokes矢量，然后分别上传给计算机，计算机根据偏振stokes矢量的四个参量计算出偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，然后，计算机再根据烟雾粒度、散射光强度、偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，并结合现有偏振光成像的数学模型，建立雾霾介质复杂环境的光学模型。
作为本发明的优选方案，所述偏振光产生装置包括基座、激光器、偏振片和波片，激光器、偏振片、波片依次安装在基座上。激光器选用波长分别为455nm、532nm、670nm，以产生不同波长的光源。偏振片和波片将光源变为各种入射角度的线偏振光和圆偏振光。
作为本发明的优选方案，所述雾霾介质模拟发生装置具有如下三种产生雾霾介质的工作模式：（1）均匀单一雾霾介质模式：所述烟雾发生装置以单一成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，并通过鼓风机使水雾介质均匀分布在烟雾箱体内部；（2）均匀多雾霾介质模式：烟雾发生装置以至少两种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，并通过鼓风机使水雾介质均匀分布在烟雾箱体内部；（3）非均匀雾霾介质模式：烟雾发生装置以一种或多种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，水雾介质在烟雾箱体内部自然沉降形成非均匀雾霾介质环境。
作为本发明的优选方案，所述计算机通过所述偏振态测量仪获得偏振光的偏振stokes矢量，再通过如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
一种激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）：采用偏振光产生装置产生线偏振激光或圆偏振激光，采用雾霾介质模拟发生装置产生雾霾介质环境，并通过粒度仪测得烟雾粒度；
步骤（2）：线偏振激光或圆偏振激光以0度入射角入射到雾霾介质模拟发生装置所产生的雾霾介质中；
步骤（3）：在雾霾介质模拟发生装置中采用反射装置将线偏振激光或圆偏振激光反射到放置在雾霾介质模拟发生装置外面的分光棱镜；
步骤（4）：分光棱镜将出射光分成两路，其中一路通过偏振态测量仪测量散射后偏振激光的偏振stokes矢量，另一路通过光功率计测量散射后偏振激光的散射光强度，并将上述烟雾粒度、偏振stokes矢量、散射光强度均上传到计算机；
步骤（5）：改变线偏振激光或圆偏振激光的波长，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（6）：改变线偏振激光或圆偏振激光的入射角度，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（7）：计算机根据偏振stokes矢量的四个参量计算出偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，然后，计算机再根据烟雾粒度、散射光强度、偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，并结合现有偏振光成像的数学模型，建立雾霾介质复杂环境的光学模型。
作为本发明的优选方案，所述步骤（1）中的偏振光产生装置包括基座、激光器、偏振片和波片，激光器、偏振片、波片依次安装在基座上。
作为本发明的优选方案，所述步骤（1）中的雾霾介质模拟发生装置包括烟雾箱体、烟雾发生装置、鼓风机、烟雾排空装置、反射装置和粒度仪，烟雾箱体上开设有入射玻璃窗口和出射玻璃窗口，入射玻璃窗口与所述偏振光产生装置相对应，反射装置设置在烟雾箱体中，烟雾发生装置通过鼓风机及管道与烟雾箱体的底部相通连接，粒度仪与烟雾箱体的底部相通连接，烟雾排空装置与烟雾箱体的顶部相通连接。
作为本发明的优选方案，所述步骤（7）中，采用如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
该激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，仅通过粒度仪测量烟雾粒度，通过分光棱镜进行分光后，分别由光功率计、偏振态测量仪测得散射光强度、偏振stokes矢量，再通过计算获得偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，最后建立雾霾介质复杂环境的光学模型，在此过程中，偏振光无需衰减、相位延迟、起偏等变换，保留了偏振激光由雾霾介质环境出射后的原始状态，所获得偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP更加准确，从而使得激光传输特性的描述更加准确。
附图说明
图1是本发明优选实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
如图1所示，这种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，包括偏振光产生装置1、雾霾介质模拟发生装置2和散射效应测量装置3；偏振光产生装置1包括基座11、激光器12、偏振片13和波片14，激光器12、偏振片13、波片14依次安装在基座11上；雾霾介质模拟发生装置2包括烟雾箱体21、烟雾发生装置22、鼓风机23、烟雾排空装置24、反射装置25和粒度仪26，烟雾箱体21上开设有入射玻璃窗口27和出射玻璃窗口28，入射玻璃窗口27与偏振光产生装置1的激光器12相对应，反射装置25设置在烟雾箱体21中，烟雾发生装置22通过鼓风机23及管道与烟雾箱体21的底部相通连接，粒度仪26与烟雾箱体21的底部相通连接，烟雾排空装置24与烟雾箱体21的顶部相通连接；散射效应测量装置3包括分光棱镜31、偏振态测量仪32、光功率计33和计算机34，分光棱镜31与出射玻璃窗口28相对应，光功率计33、偏振态测量仪32分别设置在分光棱镜31的两条光传输路径上，粒度仪26、偏振态测量仪32、光功率计33均通过数据线与计算机34连接。
上述雾霾介质模拟发生装置2具有如下三种产生雾霾介质的工作模式：（1）均匀单一雾霾介质模式：所述烟雾发生装置22以单一成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机23将水雾介质注入烟雾箱体21中，并通过鼓风机23使水雾介质均匀分布在烟雾箱体21内部；（2）均匀多雾霾介质模式：烟雾发生装置22以至少两种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机23将水雾介质注入烟雾箱体21中，并通过鼓风机23使水雾介质均匀分布在烟雾箱体21内部；（3）非均匀雾霾介质模式：烟雾发生装置22以一种或多种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机23将水雾介质注入烟雾箱体21中，水雾介质在烟雾箱体21内部自然沉降形成非均匀雾霾介质环境。
上述计算机34通过偏振态测量仪32获得偏振光的偏振stokes矢量，再通过如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
偏振光产生装置1产生偏振激光，偏振激光从入射玻璃窗口27射入到烟雾箱体21中的雾霾环境中，然后从出射玻璃窗口28射出并射入分光棱镜31，分别由粒度仪26、光功率计33、偏振态测量仪32测得烟雾粒度、散射光强度、偏振stokes矢量，然后分别上传给计算机34，计算机34根据偏振stokes矢量的四个参量计算出偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，然后，计算机34再根据烟雾粒度、散射光强度、偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，并结合现有偏振光成像的数学模型，建立雾霾介质复杂环境的光学模型。
一种激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）：采用偏振光产生装置1产生线偏振激光或圆偏振激光，采用雾霾介质模拟发生装置2产生雾霾介质环境，并通过粒度仪测得烟雾粒度；
步骤（2）：线偏振激光或圆偏振激光以0度入射角入射到雾霾介质模拟发生装置2所产生的雾霾介质中；
步骤（3）：在雾霾介质模拟发生装置2中采用反射装置25将线偏振激光或圆偏振激光反射到放置在雾霾介质模拟发生装置2外面的分光棱镜31；
步骤（4）：分光棱镜31将出射光分成两路，其中一路通过偏振态测量仪32测量散射后偏振激光的偏振stokes矢量，另一路通过光功率计33测量散射后偏振激光的散射光强度，并将上述烟雾粒度、偏振stokes矢量、散射光强度均上传到计算机34；
步骤（5）：改变线偏振激光或圆偏振激光的波长，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（6）：改变线偏振激光或圆偏振激光的入射角度，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（7）：计算机34根据偏振stokes矢量的四个参量计算出偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，然后，计算机34再根据烟雾粒度、散射光强度、偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，并结合现有偏振光成像的数学模型，建立雾霾介质复杂环境的光学模型。
如图1所示，上述偏振光产生装置1包括基座11、激光器12、偏振片13和波片14，激光器12、偏振片13、波片14依次安装在基座11上。
如图1所示，上述雾霾介质模拟发生装置2包括烟雾箱体21、烟雾发生装置22、鼓风机23、烟雾排空装置24、反射装置25和粒度仪26，烟雾箱体21上开设有入射玻璃窗口27和出射玻璃窗口28，入射玻璃窗口27与偏振光产生装置1的激光器12相对应，反射装置25设置在烟雾箱体21中，烟雾发生装置22通过鼓风机23及管道24与烟雾箱体21的底部相通连接，粒度仪26与烟雾箱体21的底部相通连接，烟雾排空装置24与烟雾箱体21的顶部相通连接。
上述步骤（7）中，采用如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，包括偏振光产生装置，其特征是：还包括雾霾介质模拟发生装置和散射效应测量装置；雾霾介质模拟发生装置包括烟雾箱体、烟雾发生装置、鼓风机、烟雾排空装置、反射装置和粒度仪，烟雾箱体上开设有入射玻璃窗口和出射玻璃窗口，入射玻璃窗口与所述偏振光产生装置相对应，反射装置设置在烟雾箱体中，烟雾发生装置通过鼓风机及管道与烟雾箱体的底部相通连接，粒度仪与烟雾箱体的底部相通连接，烟雾排空装置与烟雾箱体的顶部相通连接；散射效应测量装置包括分光棱镜、偏振态测量仪、光功率计和计算机，分光棱镜与出射玻璃窗口相对应，光功率计、偏振态测量仪分别设置在分光棱镜的两条光传输路径上，粒度仪、偏振态测量仪、光功率计均通过数据线与计算机连接。
2.如权利要求1所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，其特征是：所述偏振光产生装置包括基座、激光器、偏振片和波片，激光器、偏振片、波片依次安装在基座上。
3.如权利要求1所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，其特征是：所述雾霾介质模拟发生装置具有如下三种产生雾霾介质的工作模式：（1）均匀单一雾霾介质模式：所述烟雾发生装置以单一成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，并通过鼓风机使水雾介质均匀分布在烟雾箱体内部；（2）均匀多雾霾介质模式：烟雾发生装置以至少两种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，并通过鼓风机使水雾介质均匀分布在烟雾箱体内部；（3）非均匀雾霾介质模式：烟雾发生装置以一种或多种成分的介质产生水雾介质，通过鼓风机将水雾介质注入烟雾箱体中，水雾介质在烟雾箱体内部自然沉降形成非均匀雾霾介质环境。
4.如权利要求1所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试系统，其特征是：所述计算机通过所述偏振态测量仪获得偏振光的偏振stokes矢量，再通过如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
5.一种激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）：采用偏振光产生装置产生线偏振激光或圆偏振激光，采用雾霾介质模拟发生装置产生雾霾介质环境，并通过粒度仪测得烟雾粒度；
步骤（2）：线偏振激光或圆偏振激光以0度入射角入射到雾霾介质模拟发生装置所产生的雾霾介质中；
步骤（3）：在雾霾介质模拟发生装置中采用反射装置将线偏振激光或圆偏振激光反射到放置在雾霾介质模拟发生装置外面的分光棱镜；
步骤（4）：分光棱镜将出射光分成两路，其中一路通过偏振态测量仪测量散射后偏振激光的偏振stokes矢量，另一路通过光功率计测量散射后偏振激光的散射光强度，并将上述烟雾粒度、偏振stokes矢量、散射光强度均上传到计算机；
步骤（5）：改变线偏振激光或圆偏振激光的波长，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（6）：改变线偏振激光或圆偏振激光的入射角度，重复步骤（1）至步骤（4）；
步骤（7）：计算机根据偏振stokes矢量的四个参量计算出偏振光的偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，然后，计算机再根据烟雾粒度、散射光强度、偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP，并结合现有偏振光成像的数学模型，建立雾霾介质复杂环境的光学模型。
6.如权利要求5所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中的偏振光产生装置包括基座、激光器、偏振片和波片，激光器、偏振片、波片依次安装在基座上。
7.如权利要求5所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中的雾霾介质模拟发生装置包括烟雾箱体、烟雾发生装置、鼓风机、烟雾排空装置、反射装置和粒度仪，烟雾箱体上开设有入射玻璃窗口和出射玻璃窗口，入射玻璃窗口与所述偏振光产生装置相对应，反射装置设置在烟雾箱体中，烟雾发生装置通过鼓风机及管道与烟雾箱体的底部相通连接，粒度仪与烟雾箱体的底部相通连接，烟雾排空装置与烟雾箱体的顶部相通连接。
8.如权利要求5所述的激光在低对比度环境下传输特性的测试方法，其特征在于：所述步骤（7）中，采用如下方法计算出偏振度DoP、线偏振度DoLP、偏振角AoP和圆偏振度DoCP：
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式中：，为像素空间坐标；-分别为Stokes矢量的四个参量。
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