CN111141389B - 水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法 - Google Patents
水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法，属于偏振传输探测技术领域，包括光源、光束整形透镜、滤光片、线偏振片、1/4波片、玻璃水槽、能量分光棱镜、偏振分光棱镜、光电探测器Ⅰ、光功率计以及光电探测器Ⅱ，所述光源、光束整形透镜、滤光片、线偏振片、1/4波片、玻璃水槽、能量分光棱镜、偏振分光棱镜以及光电探测器Ⅰ依次同光轴布置；所述光功率计设置在分光棱镜的反射方向上；所述光电探测器Ⅱ设置在偏振分光棱镜的反射方向上。本发明测试圆偏振光与线偏振光等固定特殊初始状态的偏振光，经过不同水下环境传输后的偏振、能量，分析并得到水下环境偏振光传输特性，有利于提升水下目标探测识别性能。
Description
技术领域
本发明属于偏振传输探测技术领域，特别是涉及到一种水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法。
背景技术
随着现代光学技术的发展，水下光学探测应用越来越广泛。光在水下环境传输产生杂散光，对光学强度成像造成严重影响，降低光学成像性能和图像对比度。利用入射偏振光在水下传输过程中偏振特性的变化规律，能够分离场景中的目标信息光和背景散射光，提高成像图像对比度和清晰度，提升水下目标探测识别概率。水下环境偏振光传输特性的规律尚不能完全掌握，因此现有技术中亟需一种新的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法，测试圆偏振光与线偏振光等固定特殊初始状态的偏振光，经过不同水下环境传输后的偏振、能量，分析并得到水下环境偏振光传输特性，有利于提升水下目标探测识别性能。
水下环境偏振光传输特性的测量装置，其特征是：包括光源、光束整形透镜、滤光片、线偏振片、1/4波片、玻璃水槽、能量分光棱镜、偏振分光棱镜、光电探测器Ⅰ、光功率计以及光电探测器Ⅱ，所述光源、光束整形透镜、滤光片、线偏振片、1/4波片、玻璃水槽、能量分光棱镜、偏振分光棱镜以及光电探测器Ⅰ依次同光轴布置；所述光功率计设置在分光棱镜的反射方向上；所述光电探测器Ⅱ设置在偏振分光棱镜的反射方向上。
水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：应用所述的水下环境偏振光传输特性的测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、所述光源出射激光进入光束整形透镜，经光束整形透镜透射后的出射光为能量调制分布光束；
步骤二、所述步骤一出射的能量调制分布光束通过滤光片、线偏振片以及1/4波片产生偏振光入射至玻璃水槽；
步骤三、所述玻璃水槽内部设置有液体，步骤二入射的偏振光经玻璃水槽内的液体传输一定距离后出射至能量分光棱镜；
步骤四、能量分光棱镜将出射光平均分为两路，其中一路通过光功率计测量偏振光功率，另一路经过偏振分光棱镜后分别通过光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ进行测量偏振态。
所述步骤一中光源出射的激光波长为450nm～600nm，光斑直径为1mm～5cm。
所述步骤一中的能量调制分布光束为高斯光束或平顶光束。
所述步骤二中的能量调制分布光束通过滤光片、线偏振片以及1/4波片产生圆偏振光，能量调制分布光束通过滤光片、线偏振片产生线偏振光。
所述步骤三中偏振光传输路径的长度通过玻璃水槽的长度或增加反射镜设置。
所述步骤三中玻璃水槽内部添加牛奶、人工海盐以及纯净水。
所述步骤四中偏振分光棱镜将偏振光束中的水平偏振P光和垂直偏振S光分离，通过光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ完成光束中水平偏振P光电压值VP和垂直偏振S光电压值VS的测量，利用(VP-VS)/(VP+VS)计算获得出射光的偏振度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法，用不同光源和光学器件搭配产生圆偏光和线偏光，经过水槽的海水介质作用后的出射光经分光系统后，由光功率计和光电探测器接收出射光的能量和偏振态，避免了实地测量遇到的各种不可控因素，操作简单可行，并且节约了80％以上的测量成本。
进一步的，本发明中偏振光的产生与测试具有较高置信度，精度误差小于1％；利用牛奶和人工海盐模拟不同的自然水体，模拟自然水体的光学特性相似度在90％以上，使得传输特性模拟更加真实。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明水下环境偏振光传输特性的测量装置结构示意图。
图中1-光源、2-光束整形透镜、3-滤光片、4-线偏振片、5-1/4波片、6-玻璃水槽、7-能量分光棱镜、8-偏振分光棱镜、9-光电探测器Ⅰ、10-光功率计、11-光电探测器Ⅱ。
具体实施方式
水下环境偏振光传输特性的测量装置及方法，其装置如图1所示，包括光源1、光束整形透镜2、滤光片3、线偏振片4、1/4波片5、玻璃水槽6、能量分光棱镜7、偏振分光棱镜8、光电探测器9、光功率计10、光电探测器11。各个器件摆放的位置关系如下：光源1、光束整形透镜2、滤光片3、线偏振片4、1/4波片5、玻璃水槽6、能量分光棱镜7、偏振分光棱镜8、光电探测器9同轴依次排列，光功率计10放在能量分光棱镜7的反射方向上；光电探测器11放在偏振分光棱镜8的反射方向上。
其方法包括以下步骤，
步骤一、光源1产生不同波段和口径的激光；
步骤二、经光束整形透镜2把激光光束转化为一个能量调制分布的光束出射，；
步骤三、出射激光通过滤光片3、线偏振4产生圆偏振光入射到玻璃水槽6，或通过滤光片3、线偏振片4以及1/4波片5分别产生线偏振光入射到玻璃水槽6；
步骤四、玻璃水槽6模拟不同的水下环境，入射光在玻璃水槽经过一定传输距离的水体相互作用后产生出射光，通过玻璃水槽6中加入不同质量的牛奶和人工海盐来模拟不同浑浊度的自然水体，或通过加设反射镜来设定光束的传输路径长度；
步骤五、能量分光棱镜7将出射光平均分为两路，且光经过棱镜后偏振态没有变化，一路由光功率计10测量偏振光的功率；
步骤六、能量分光棱镜7出射光的另一路由偏振分光棱镜8、光电探测器Ⅰ9和光电探测器Ⅱ11来测量偏振态，偏振分光棱镜8将偏振光束中的水平偏振P光和垂直偏振S光分离，通过光电探测器Ⅰ9和光电探测器Ⅱ11完成光束中水平偏振P光电压值VP和垂直偏振S光电压值VS的测量，利用(VP-VS)/(VP+VS)计算获得出射光的偏振度，避免通过调节检偏器来分别获取水平偏振P光和垂直偏振S光所带来的误差,所以测量精度高。
具体的，光源1采用长富科技(北京)有限公司生产的染料可调谐激光器，光束整形透镜2采用北京锦坤科技有限公司的型号为HM的光斑均匀镜，滤光片3采用菲克科技公司生产的Alluxa滤光片，线偏振片4采用是南通银兴光学有限公司生产的线偏振片，1/4波片5采用福州美扬光电有限公司生产的1/4波片、能量分光棱镜7采用美国THORLABS生产的棱镜，偏振分光棱镜8采用美国THORLABS生产的棱镜，光电探测器Ⅰ9和光电探测器Ⅱ11采用苏州弗光点科技有限公司生产的DSC2-100S的一款光电探测器，光功率计10采用美国THORLABS生产的数字式手持光功率计。
实施例一、
步骤一、用牛奶、人工海盐和纯净水的配置不同的水体溶液：溶液1、溶液2、溶液3、溶液4；在玻璃水槽6中加入溶液1；
步骤二、去除1/4波片5，将偏振片调至0°，开启激光器，装置发射0°线偏光；
步骤三、开启光功率计10，测量能量分光棱镜7的一路出射光，同时调整滤光片，以保证另一路出射光的光强值合适，同时记录数据；
步骤四、另一路光束经过偏振分光棱镜8由光电探测器Ⅰ9和光电探测器Ⅱ11测量光束中水平偏振P光电压值VP和垂直偏振S光电压值VS的测量,并利用(VP-VS)/(VP+VS)计算得出出射光的偏振度记录数据；
步骤五、调整线偏振片4角度至45°，重复步骤三、四；
步骤六、调整线偏振片4角度至90°，重复步骤三、四；
步骤七、调整线偏振片4角度至135°，重复步骤三、四；
步骤八、调整线偏振片4角度至0°，加入1/4波片5，调整波片角度产生左旋圆偏光，重复步骤三、四；
步骤九、调整1/4波片5角度产生右旋圆偏光，重复步骤三、四；
步骤十、分别在玻璃水槽6内加入溶液2、溶液3、溶液4，重复步骤二～步骤九，可以得到经过不能水体浑浊度的偏振光的变换；
步骤十一、改变玻璃水槽6的长度，重复步骤二～步骤八，可以得到偏振光不同传输距离偏振态的变化。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.水下环境偏振光传输特性的测量装置，其特征是：包括光源(1)、光束整形透镜(2)、滤光片(3)、线偏振片(4)、1/4波片(5)、玻璃水槽(6)、能量分光棱镜(7)、偏振分光棱镜(8)、光电探测器Ⅰ(9)、光功率计(10)以及光电探测器Ⅱ(11)，所述光源(1)、光束整形透镜(2)、滤光片(3)、线偏振片(4)、1/4波片(5)、玻璃水槽(6)、能量分光棱镜(7)、偏振分光棱镜(8)以及光电探测器Ⅰ(9)依次同光轴布置；所述光功率计(10)设置在能量分光棱镜(7)的反射方向上；所述光电探测器Ⅱ(11)设置在偏振分光棱镜(8)的反射方向上。
2.水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：应用权利要求1所述的水下环境偏振光传输特性的测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、所述光源(1)出射激光进入光束整形透镜(2)，经光束整形透镜(2)透射后的出射光为能量调制分布光束；
步骤二、所述步骤一出射的能量调制分布光束通过滤光片(3)、线偏振片(4)以及1/4波片(5)产生偏振光入射至玻璃水槽(6)；
步骤三、所述玻璃水槽(6)内部设置有液体，步骤二入射的偏振光经玻璃水槽(6)内的液体传输一定距离后出射至能量分光棱镜(7)；
步骤四、能量分光棱镜(7)将出射光平均分为两路，其中一路通过光功率计(10)测量偏振光功率，另一路经过偏振分光棱镜(8)后分别通过光电探测器Ⅰ(9)和光电探测器Ⅱ(11)进行测量偏振态。
3.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤一中光源(1)出射的激光波长为450nm～600nm，光斑直径为1mm～5cm。
4.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤一中的能量调制分布光束为高斯光束或平顶光束。
5.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤二中的能量调制分布光束通过滤光片(3)、线偏振片(4)以及1/4波片(5)产生圆偏振光，能量调制分布光束通过滤光片(3)、线偏振片(4)产生线偏振光。
6.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤三中偏振光传输路径的长度通过玻璃水槽(6)的长度或增加反射镜设置。
7.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤三中玻璃水槽内部添加牛奶、人工海盐以及纯净水。
8.根据权利要求2所述的水下环境偏振光传输特性的测量方法，其特征是：所述步骤四中偏振分光棱镜(8)将偏振光束中的水平偏振P光和垂直偏振S光分离，通过光电探测器Ⅰ(9)和光电探测器Ⅱ(11)完成光束中水平偏振P光电压值VP和垂直偏振S光电压值VS的测量，利用(VP-VS)/(VP+VS)计算获得出射光的偏振度。
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