CN108593109A - 一种基于pem的高速全偏振光谱测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱测量领域领域，具体涉及一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置及方法，该装置通过在PEM前加两个相位延迟器，再通过PEM调制获得干涉信号，该方法使得目标光Stokes参量中不同元素的干涉信号在PEM调制光程差的不同位置，实现Stokes参量各元素干涉信号的分离，实现超高速全偏振光谱测量；该方法采用PEM实现超高速的干涉信号调制，实现Stokes参量I、Q、U、V四元素光谱的高速测量，使得目标光Stokes参量中不同元素的干涉信号在PEM调制光程差的不同位置；采用PEM高速调制的特点结合光谱强度调制，实现被测光Stokes参量I、Q、U、V四元素谱的高速全偏振测量；完成一次干涉信号测量所需时间优于5μs，如果进一步提高PEM的调制频率，测量时间还可以进一步加快。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量领域领域，更具体而言，涉及一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置及方法。
背景技术
对于地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和透射太阳辐射的过程中，会产生由其自身性质决定的偏振特性。通过获取目标的偏振特性可以为被观测目标提供传统方法无法获取的新信息，对所获得的信息进行综合利用，可以有效提高目标检测和识别能力。因此偏振光谱技术在环境监测、目标识别、生物医学、航空航天、太空探测等领域具有广阔的应用前景。光的偏振特性主要用Stokes参量(I,Q,U,V)T表示，因此，对Stokes参量测量具有非常重要的意义。
弹光调制器(Photoelastic Modulator,PEM)是基于弹光效应的调制器件，具有无机械振动、通光角孔径大、信号调制频率高(数十KHz到数百KHz)、适用波段宽(从紫外到红外)等优点。这些优点使得PEM在大视场、高灵敏度、高速、宽光谱偏振测量中具有不可比拟的优势。目前的基于PEM测偏振主要有三种：1)一次测量锁相4个不同频率分量获得Stokes参量的不同元素，但控制操作比较复杂，主要针对单色光测量，要实现偏振光谱测量需额外添加分光器件；2)双PEM差频调制测偏振，但该方法需要加入波片，速度较慢，且需要转动偏振片获得Stokes参量前三个元素的测量；3)三PEM差频调制偏振光谱测量方法，由于PEM调制频率过高，面阵探测器难以实现探测，因此采用三个PEM互差频的方式降低调制频率，该方法主要是结合声光可调谐滤波器和面阵探测器实现偏振光谱成像，但2)和3)方法调制速度都较慢(差频调制频率为数十Hz～数百Hz)，无法对运动目标和快速变化目标进行偏振光谱探测，且这两种方法只能测Stokes参量中的前三个元素(I,Q,U)，无法获得V。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置及方法
通过PEM调制获得干涉信号，该方法使得目标光Stokes参量中不同元素的干涉信号在PEM调制光程差的不同位置，实现Stokes参量各元素干涉信号的分离；由于PEM调制频率很高(数十KHz到数百KHz)，因此该方法可实现超高速全偏振光谱测量。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，该装置包括第一相位延迟器、第二相位延迟器、偏振器、弹光调制器PEM、检偏器和探测器组成，入射光依次通过第一相位延迟器、第二相位延迟器、偏振器、弹光调制器PEM、检偏器和探测器；所述弹光调制器PEM包括第一压电驱动器、弹光调制晶体和第二压电驱动器。
所述第一相位延迟器与第二相位延迟器为双折射晶体材料加工而成，所述探测器为高速光电探测器。
第一相位延迟器、第二相位延迟器、偏振器、弹光调制器PEM和检偏器参考方向夹角分别为45°、0°、45°、0°、-45°，偏振器的偏振方向与检偏器的偏振方向相互垂直。
所述光谱测量装置采样率应不低于4πfL0/λmin，其中f为弹光调制器PEM驱动频率，L0为弹光调制器PEM最大光程差，λmin为入射光谱波段中的最小波长。
一种基于PEM的高速全偏振光谱测量方法，被测光谱经第一相位延迟器和第二相位延迟器调制，进入偏振器变成线偏振光，通过弹光调制器PEM调制获得干涉信号，经检偏器出射光强被探测器接收，实现斯托克斯参量I、Q、U、V四元素光谱的高速测量。
通过调整弹光调制器PEM的驱动调制频率实现超高速的干涉信号调制。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置及方法，该装置通过在PEM前加两个相位延迟器，再通过PEM调制获得干涉信号，该方法使得目标光Stokes参量中不同元素的干涉信号在PEM调制光程差的不同位置，实现Stokes参量各元素干涉信号的分离；由于PEM调制频率很高(数十KHz到数百KHz)，因此该方法可实现超高速全偏振光谱测量；该方法采用PEM实现超高速的干涉信号调制，实现Stokes参量I、Q、U、V四元素光谱的高速测量，使得目标光Stokes参量中不同元素的干涉信号在PEM调制光程差的不同位置；采用PEM高速调制的特点结合光谱强度调制，实现被测光Stokes参量I、Q、U、V四元素谱的高速全偏振测量；完成一次干涉信号测量所需时间优于5μs，如果进一步提高PEM的调制频率，测量时间还可以进一步加快。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置；
图2为入射Stokes参量光谱；
图3为被弹光调制器PEM调制后的干涉信号；
图4为被弹光调制器PEM调制后的去直流干涉信号；
图5为反演I与Q光谱；
图6为反演U与V光谱。
图1中：1为第一相位延迟器、2为第二相位延迟器、3为偏振器、4为弹光调制器PEM、5为第一压电驱动器、6为弹光调制晶体、7为第二压电驱动器、8为检偏器；
图3-4中：a为干涉信号、b为驱动电压；
图5中：c为入射光谱I、d为入射光谱Q、e为反演光谱I、f为反演光谱Q；
图6中：g为入射光谱U、h为入射光谱V、i为反演光谱U、j为反演光谱V。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，该装置包括第一相位延迟器1、第二相位延迟器2、偏振器3、弹光调制器PEM 4、检偏器8和探测器9组成，所述弹光调制器PEM 4包括第一压电驱动器5、弹光调制晶体6和第二压电驱动器7。所述第一相位延迟器与第二相位延迟器为双折射材料加工而成，所述探测器为高速光电探测器。基于PEM的高速全偏振光谱测量方法为：被测光谱经第一相位延迟器1和第二相位延迟器2调制，进入偏振器3变成线偏振光，通过弹光调制器4调制获得干涉信号，经检偏器8出射光强被探测器9接收，获得斯托克斯参量总光强。
在本实施例中，第一相位延迟器1、第二相位延迟器2、偏振器3、弹光调制器PEM 4和检偏器8与参考方向夹角分别为45°、0°、45°、0°、-45°，偏振器3的偏振方向与检偏器8的偏振方向相互垂直。
在本实施例中，光谱测量装置的最低采样率应以PEM驱动频率f、PEM调制最大光程差L0和光谱波段中的最小波长λmin为参考，采样率应不低于4πfL0/λmin。
在本实施例中，通过调整弹光调制器PEM 4的驱动调制频率实现超高速的干涉信号调制。
相位延迟器1、相位延迟器2、偏振器3、弹光调制器PEM 4和检偏器对应的Mueller矩阵记为式(1)：
相位延迟器1对应的Mueller矩阵：
相位延迟器2对应的Mueller矩阵：
偏振器3对应的Mueller矩阵：
弹光调制器PEM 4对应的Mueller矩阵：
检偏器8对应的Mueller矩阵：
其中，
式中，σ为波数，为波数σ下相位延迟器1的相位延迟，为波数σ下相位延迟器2的相位延迟，为波数σ下弹光调制器PEM 4的相位延迟，L1为相位延迟器1的光程差，L2为相位延迟器2的光程差，L0为PEM的最大调制光程差，f为弹光调制器PEM 4的驱动信号频率。
斯托克斯(Stokes)参量包括I、Q、U、V四元素谱，入射光Stokes参量S＝[I(σ),Q(σ),U(σ),V(σ)]T经过整个系统调制后，光的Stokes参量S'＝[I(t),Q(t),U(t),V(t)]T满足：
S'＝MP2MPEMMP1MR2MR1S (3)
由于探测器只能探到Stokes参量总光强I(t)，将式(1)带入式(3)后得到随时间t变化的光强I(t)：
由于探测器获得的直流成分是Stokes参量中各元素的综合结果，对反演I、Q、U、V无贡献，因此(4)式省去直流成分得：
将(5)式中正余弦按欧拉公式展开后为：
由(6)式可知，经过PEM调制后，I干涉图的零光程差位置保持不变，U干涉图的零光程差被搬到±L2处，-Q-iV干涉图的零光程差被搬到(L2-L1)处，-Q+iV干涉图的零光程差被搬到-(L2-L1)处，Q-iV干涉图的零光程差被搬到(L2+L1)处，Q+iV干涉图的零光程差被搬到-(L2+L1)处。在干涉图中截取对应分量的干涉图，进行傅里叶变换后可得被测目标Stokes参量I、Q、U、V的光谱。由于PEM的调制频率很高(一般是数十KHz到数百KHz)，假设PEM驱动频率为50KHz，一个PEM调制周期可实现两次完整的干涉测量，因此实现一次测量所需时间为10μs，也就是说1s内可得到100000张完整的干涉图；如果采用单边傅里叶变换，一个PEM调制周期可实现4次完整的干涉测量，实现一次测量所需时间为5μs，即1s内可得到200000张完整的干涉图，如果提高PEM的驱动调制频率，速度还可以更高。
本实施例中，基于PEM的超高速全偏振光谱测量方法的具体参数如下：
延迟器1的光程差L1＝25μm；
延迟器2的光程差L2＝50μm；
PEM的最大调制光程差L0＝90μm；
PEM的驱动调制频率f＝50KHz；
光谱范围：0.5μm-2μm。
入射光Stokes参量I、Q、U、V的光谱如图2所示，经整个系统调制，将上述参数带入(4)式的干涉信号如图3所示，省去直流成分得半个PEM调制周期的干涉信号如图4所示。
截取图4的I对应的干涉图，光程差为-12.5μm～12.5μm，时间为9.56μs～10.44μs；截取图4中U对应的干涉图，光程差为37.5μm～62.5μm，时间为7.56μs～8.63μs；利用干涉光谱反演算法可以复原出I和U的光谱，截取图4中Q+iV对应的干涉图，光程差为12.5μm～37.5μm，时间为8.63μs～9.56μs，对其傅里叶变换后实部为Q光谱，虚部为V光谱，反演后的I、Q、U和V光谱如图5和图6所示(图5中入射光谱I与反演光谱I基本重合，入射光谱Q与反演光谱Q基本重合；图6中入射光谱U与反演光谱U基本重合，入射光谱V与反演光谱V基本重合)，同理，截取对应Q、U、V的干涉图其他部分也可反演Q、U、V的光谱。由图5和图6复原结果可看出复原的Stokes参量中各元素的光谱与原始光谱基本一致。但是采用双边采样完成一次测量的时间只需10μs，单边采样完成一次测量的时间只需5μs，如果进一步提高PEM的调制频率，测量时间还可以进一步加快。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，其特征在于：该装置包括第一相位延迟器(1)、第二相位延迟器(2)、偏振器(3)、弹光调制器PEM(4)、检偏器(8)和探测器(9)组成，入射光依次通过第一相位延迟器(1)、第二相位延迟器(2)、偏振器(3)、弹光调制器PEM(4)和检偏器(8)，最终被探测器(9)探测；所述弹光调制器PEM(4)包括第一压电驱动器(5)、弹光调制晶体(6)和第二压电驱动器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，其特征在于：所述第一相位延迟器(1)与第二相位延迟器(2)均为双折射晶体材料加工而成，所述探测器(9)为高速光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，其特征在于：第一相位延迟器(1)、第二相位延迟器(2)、偏振器(3)、弹光调制器PEM(4)和检偏器(8)与参考方向夹角分别为45°、0°、45°、0°、-45°，偏振器(3)的偏振方向与检偏器(8)的偏振方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种基于PEM的高速全偏振光谱测量装置，其特征在于：所述光谱测量装置采样率应不低于4πfL0/λmin，其中f为弹光调制器PEM(4)驱动频率，L0为弹光调制器PEM(4)最大光程差，λmin为入射光谱波段中的最小波长。
5.一种基于PEM的高速全偏振光谱测量方法，其特征在于，所述测量方法为：被测光谱经第一相位延迟器(1)和第二相位延迟器(2)强度调制，进入偏振器(3)变成线偏振光，通过弹光调制器PEM(4)调制获得干涉信号，经检偏器(8)出射光强被探测器(9)接收，高速测量斯托克斯参量I、Q、U、V四元素光谱。
6.根据权利要求5所述的一种基于PEM的高速全偏振光谱测量方法，其特征在于：通过调整弹光调制器PEM(4)的驱动调制频率实现超高速的干涉信号调制。
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