CN111947783A - 非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，属于偏振传输探测领域，本发明在实验测试中制备非球形粒子环境，由电子显微镜对非球形粒子形貌、尺寸进行测量，并对烟雾箱中非球形烟雾介质浓度进行测试，建立仿真程序中的输入参数，在仿真模拟中，由于蒙特卡洛方法对非球形粒子模拟的限制，采用T矩阵方法计算非球形介质的单次散射的散射矩阵、散射系数以及吸收系数等参数，再由蒙特卡洛方法进行多次模拟，达到仿真与实验相互验证的目的。本发明可提高非球形粒子多次散射实验测试的准确性，扩展了偏振光在非球形介质中传输的应用。
Description
技术领域
本发明属于偏振传输探测领域，具体涉及一种非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法。
背景技术
雾霾环境所导致的低对比度现象，使得普通强度成像无法准确获知目标信息，军事识别探测、交通安全无一不受到极大影响，此时相比于传统成像技术(强度成像，光谱成像)，由于偏振成像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，增加雾霾等环境下的作用距离，因而成为解决以上难题的有效手段。
雾霾等强散射介质环境复杂，对于雾霾环境中沙尘、烟煤粒子的形状，早在八十年代Hill等人就证实了该粒子的椭球性，则使得在非球形强散射介质这样大量光散射的场合中，参与偏振传输过程中的影响因素众多，传统近似球形粒子及单次非球形粒子的偏振传输测试方法并不适用。国外研究方面，FengQian等人研究矿尘气溶胶粒子在0.412μm、0.441μm、0.47μm和0.65μm波段下的散射和辐射性质，分别采用T矩阵及Mie散射方法对同等体积的球形和非球形轮廓粒子的单次散射进行仿真，对比发现得到的相位矩阵具有一定差异；Markkanen等人采用一种快速的叠加T矩阵方法可计算任意形状非均匀簇状粒子的电磁散射性质。国内方面，合肥工业大学高隽教授团队采用时域有限差分法分别在0.337μm、0.55μm、0.86μm和3.75μm波段下对椭球粒子等效半径为0.5μm的火山灰、碳黑和海盐粒子的单次散射特性进行求解。解放军理工大学高太长教授团队在近红外波段(0.865μm)分别对非球形及非均匀气溶胶对近红外偏振辐射传输的影响进行了研究，分析了将气溶胶空间等效为均匀球形粒子时模拟的偏差。以上研究都为雾霾环境下非球形介质的研究做了一定贡献，但由于实验条件的限制，使得研究多停留在仿真单次非球形粒子散射的研究，且对非球形粒子多次散射结果的准确性无从验证。
因此，针对雾霾环境中非球形粒子多次散射的研究，亟需一种非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法。
发明内容
针对雾霾环境中非球形粒子多次散射问题，由于目前实验条件的限制，使得研究多停留在仿真单次非球形粒子散射的研究，且对非球形粒子多次散射结果的准确性无从验证。本发明的目的是为了研究雾霾环境下非球形粒子偏振传输特性，并在实验测试与计算机仿真方法下共同得到验证，而提出了一种非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，具有较高的测试准确性。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，其特征在于，该方法采用的光学系统包括非球形介质模拟系统、非球形介质浓度检测系统、非球形偏振传输特性探测系统及计算机处理系统，
所述非球形介质模拟系统由粒子发生装置和烟雾箱组成，粒子发生装置与烟雾箱密封连接；
所述非球形介质浓度检测系统由第一激光器、第一衰减器和光功率计组成，测量非球形介质浓度时，第一激光器和第一衰减器位于非球形介质模拟系统的入射光路侧，且第一衰减器设置在第一激光器的出射光路上，第一激光器作为光源，第一激光器发射的激光通过第一衰减器调制出射光强后射入非球形介质模拟系统，光功率计位于非球形介质模拟系统的出射光路侧，光功率计用于测量非球形介质模拟系统射出光的光强度；
所述非球形偏振传输特性探测系统由第二激光器、第二衰减器、线偏振片、四分之一波片和偏振态测量仪组成，对非球形介质偏振特性进行测试时，第二激光器、第二衰减器、线偏振片及四分之一波片位于非球形介质模拟系统的入射光路侧，用于产生偏振光并入射至非球形介质模拟系统，偏振态测量仪位于非球形介质模拟系统的出射光路侧，用于测量非球形介质模拟系统射出光的偏振态；
所述计算机处理系统分别与非球形介质模拟系统、光功率计、偏振态测量仪相连接；
具体该方法包括如下步骤：
步骤S1、前期准备：
①将碳纳米管200mg和无水乙醇20mL进行混合放入超声震荡机震荡0.5h，再与甘油80mL相混合经过超声震荡机震荡2h后，形成混合溶液，将所述混合溶液倒入粒子发生装置中；
②在烟雾箱中预先放置一载玻片，用于接收沉降的非球形烟雾粒子；
步骤S2、测量非球形烟雾介质的浓度：将非球形介质浓度检测系统中的第一激光器和第一衰减器放置在非球形介质模拟系统的入射光路侧，且第一衰减器设置在第一激光器的出射光路上，非球形介质浓度检测系统中的光功率计放置在非球形介质模拟系统的出射光路侧，首先开启第一激光器和光功率计，由光功率计对未充入非球形烟雾介质时的光强值进行记录；之后开启粒子发生装置，由粒子发生装置向烟雾箱中充入非球形烟雾粒子，待烟雾环境稳定，记录非球形烟雾粒子充入时间，由光功率计记录此时光强值，并由充烟前后的光强值计算该非球形烟雾介质充入时间下的光学厚度τ，用于表征非球形烟雾介质浓度ρ；
步骤S3、将步骤S2中烟雾箱内的非球形烟雾介质排空，取出烟雾箱中已接收到非球形烟雾粒子的载玻片，利用电子显微镜观察载玻片上的非球形烟雾粒子的形状及尺寸；
步骤S4、对非球形介质偏振特性进行测试：移走非球形介质浓度检测系统，放置非球形偏振传输特性探测系统，调节线偏振片和四分之一波片的角度，达到预期发射偏振态，开启第二激光器和偏振态测量仪，再次向烟雾箱中充入非球形烟雾粒子，充入时间与步骤S2中完全相同，待烟雾环境稳定，记录偏振态测量仪所测量的偏振度值；
步骤S5、将第二激光器发射的激光波长、非球形粒子折射率及由步骤S3中电子显微镜所观察到的非球形烟雾粒子形状和尺寸一同输入到计算机处理系统的T矩阵程序中，由T矩阵程序计算出非球形烟雾介质的散射特性参数，所述散射特性参数包括散射矩阵、散射系数以及吸收系数；
步骤S6、将步骤S2中所得到的光学厚度τ、步骤S4中所调节的发射偏振态和步骤S5得到的散射特性参数输入到计算机处理系统的蒙特卡洛程序中，仿真偏振光经非球形烟雾粒子多次散射后的偏振度值；
步骤S7、将步骤S4中所测量的偏振度值与步骤S6中所得到的偏振度值相互对比，进行验证。
进一步，步骤S2中所述光学厚度τ与非球形烟雾介质浓度ρ的关系为：
τ＝ρ·Ce·L
其中，ρ为非球形烟雾介质浓度，Ce为质量消光系数，L为非球形烟雾介质厚度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，在实验测试中制备非球形粒子环境，由电子显微镜对粒子形貌、尺寸进行测量，并对烟雾箱中非球形介质浓度进行测试，建立仿真程序中的输入参数，在仿真模拟中，由于蒙特卡洛方法对非球形粒子模拟的限制，采用T矩阵方法计算介质的单次散射的散射矩阵、散射系数以及吸收系数等参数，再由蒙特卡洛方法进行多次模拟，达到仿真与实验相互验证的目的。本发明可提高非球形粒子多次散射实验测试的准确性，扩展了偏振光在非球形介质中传输的应用。
附图说明
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明实施例中非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法中用于非球形介质浓度测量的光学系统示意图。
图2是本发明实施例中非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法中用于非球形介质偏振特性测试的光学系统示意图。
图中各标记如下：1-非球形介质模拟系统；11-粒子发生装置；12-烟雾箱；2-非球形介质浓度检测系统；21-第一激光器；22-第一衰减器；23-光功率计；3-非球形偏振传输特性探测系统；31-第二激光器；32-第二衰减器；33-线偏振片；34-四分之一波片；35-偏振态测量仪；4-计算机处理系统。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明保护主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有进行详尽的说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
为了便于描述，本发明中各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
如图1和图2所示，非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，该方法采用的光学系统包括非球形介质模拟系统1、非球形介质浓度检测系统2、非球形偏振传输特性探测系统3及计算机处理系统4。
所述非球形介质模拟系统1由粒子发生装置11和烟雾箱12组成；粒子发生装置11与烟雾箱12密封连接，粒子发生装置11用于生成非球形烟雾粒子并向烟雾箱12中充入非球形烟雾粒子，粒子发生装置11采用型号为Z-3000，台湾安特利品牌的烟雾机。
所述非球形介质浓度检测系统2由第一激光器21、第一衰减器22和光功率计23组成，在测量非球形烟雾介质浓度时，第一激光器21和第一衰减器22位于非球形介质模拟系统1的左侧，且第一衰减器22设置在第一激光器21的出射光路上，第一激光器21作为光源，第一激光器21发射的激光通过第一衰减器22调制出射光强后射入非球形介质模拟系统1，光功率计23位于非球形介质模拟系统1的右侧，光功率计23用于测量非球形介质模拟系统1射出光的光强度。
所述非球形偏振传输特性探测系统3由第二激光器31、第二衰减器32、线偏振片33、四分之一波片34和偏振态测量仪35组成，其中第二激光器31、第二衰减器32、线偏振片33和四分之一波片34位于非球形介质模拟系统1的左侧，用于产生偏振光并入射至非球形介质模拟系统1，偏振态测量仪35位于非球形介质模拟系统1的右侧，用于测量非球形介质模拟系统1射出光的偏振态；
所述计算机处理系统4分别与非球形介质模拟系统1、光功率计23、偏振态测量仪35相连接，用于控制非球形介质模拟系统1中非球形烟雾介质浓度以及记录光功率计23和偏振态测量仪35中的数据，并且用于非球形多次散射介质偏振特性的计算机仿真。
计算机处理系统4内部安装有VC++软件，计算机处理系统4内部预先读入T矩阵程序和蒙特卡洛程序；
具体非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法包括如下步骤：
步骤S1、前期准备：
①将碳纳米管200mg和无水乙醇20mL进行混合放入超声震荡机震荡0.5h，再与甘油80mL相混合经过超声震荡机震荡2h后，形成混合溶液，将所述混合溶液倒入粒子发生装置11中，准备向烟雾箱12中排放非球形烟雾粒子；
②在烟雾箱12中预先放置一载玻片，用于接收沉降非球形烟雾粒子，方便后续用电子显微镜对非球形烟雾粒子的形状和尺寸进行测量；
步骤S2、测量非球形烟雾介质的浓度：如图1所示，将非球形介质浓度检测系统2中的第一激光器21和第一衰减器22放置在非球形介质模拟系统1的左侧，且第一衰减器22设置在第一激光器21的出射光路上，非球形介质浓度检测系统2中的光功率计23放置在非球形介质模拟系统1的右侧，首先开启第一激光器21和光功率计23，由光功率计23对未充入入非球形烟雾介质时的光强值进行记录；之后开启粒子发生装置11，由粒子发生装置11向烟雾箱12中充入非球形烟雾粒子，待烟雾环境稳定，记录非球形烟雾粒子充入时间，由光功率计23再次记录此时光强值，并由充烟前后的光强值计算该非球形烟雾介质充入时间下的光学厚度τ，表征非球形烟雾介质浓度ρ；
光学厚度τ与非球形烟雾介质浓度ρ的关系为：
τ＝ρ·Ce·L
其中，ρ为非球形烟雾介质浓度，Ce为质量消光系数，L为非球形烟雾介质厚度；
步骤S3、将步骤S2中烟雾箱12内的非球形烟雾介质排空，取出烟雾箱12中已接收到非球形烟雾粒子的载玻片，利用电子显微镜观察载玻片上的非球形烟雾粒子的形状及尺寸；
步骤S4、对非球形介质偏振特性进行测试：在非球形介质模拟系统1两侧移走非球形介质浓度检测系统2，如图2所示，放置非球形偏振传输特性探测系统3，调节线偏振片33和四分之一波片34的角度，达到预期发射偏振态，开启第二激光器31和偏振态测量仪35，再次向烟雾箱12中充入非球形烟雾粒子，充入时间与步骤S2中完全相同，待烟雾环境稳定，记录偏振态测量仪35所测量的偏振度值；
步骤S5、将已知的第二激光器31发射的激光波长、非球形粒子折射率及由步骤S3中电子显微镜所观察到的非球形烟雾粒子形状和尺寸一同输入到计算机处理系统4的T矩阵程序中，由T矩阵程序计算出非球形烟雾介质的散射矩阵、散射系数以及吸收系数；
步骤S6、将步骤S2中所得到的光学厚度τ、步骤S4中所调节的发射偏振态和步骤S5所仿真的散射矩阵、散射系数以及吸收系数输入到计算机处理系统4的蒙特卡洛程序中，仿真偏振光经非球形烟雾粒子多次散射后的偏振度值；
步骤S7、将步骤S4中所测量的偏振度值与步骤S6中所仿真的偏振度值相互对比，进行验证。
采用本发明提出的非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，在实验中，由粒子发生装置11制备非球形烟雾粒子，在烟雾箱12中排放非球形烟雾粒子，在实验中实现非球形烟雾粒子的多次散射。在仿真验证中，由T矩阵程序计算出非球形介质的单次散射特性，再将散射特性参数、初始偏振态与表征浓度的光学厚度τ输入到蒙特卡洛程序中，实现非球形多次散射特性的仿真研究；所述散射特性参数包括散射矩阵、散射系数以及吸收系数。
综上，本发明提出的用于非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，针对雾霾环境中非球形粒子多次散射问题，由于目前实验条件的限制，使得研究多停留在仿真单次非球形粒子散射的研究，且对非球形粒子多次散射结果的准确性无从验证；本发明在实验测试中制备非球形粒子环境，由电子显微镜对非球形粒子形貌、尺寸进行测量，并对烟雾箱12中非球形烟雾介质浓度进行测试，建立仿真程序中的输入参数，在仿真模拟中，由于蒙特卡洛方法对非球形粒子模拟的限制，采用T矩阵方法计算非球形介质的单次散射的散射矩阵、散射系数以及吸收系数等参数，再由蒙特卡洛方法进行多次模拟，达到仿真与实验相互验证的目的。本发明可提高非球形粒子多次散射实验测试的准确性，扩展了偏振光在非球形介质中传输的应用。
Claims (2)
1.非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，其特征在于，该方法采用的光学系统包括非球形介质模拟系统(1)、非球形介质浓度检测系统(2)、非球形偏振传输特性探测系统(3)及计算机处理系统(4)，
所述非球形介质模拟系统(1)由粒子发生装置(11)和烟雾箱(12)组成，粒子发生装置(11)与烟雾箱(12)密封连接；
所述非球形介质浓度检测系统(2)由第一激光器(21)、第一衰减器(22)和光功率计(23)组成，测量非球形介质浓度时，第一激光器(21)和第一衰减器(22)位于非球形介质模拟系统(1)的入射光路侧，且第一衰减器(22)设置在第一激光器(21)的出射光路上，第一激光器(21)作为光源，第一激光器(21)发射的激光通过第一衰减器(22)调制出射光强后射入非球形介质模拟系统(1)，光功率计(23)位于非球形介质模拟系统(1)的出射光路侧，光功率计(23)用于测量非球形介质模拟系统(1)射出光的光强度；
所述非球形偏振传输特性探测系统(3)由第二激光器(31)、第二衰减器(32)、线偏振片(33)、四分之一波片(34)和偏振态测量仪(35)组成，对非球形介质偏振特性进行测试时，第二激光器(31)、第二衰减器(32)、线偏振片(33)及四分之一波片(34)位于非球形介质模拟系统(1)的入射光路侧，用于产生偏振光并入射至非球形介质模拟系统(1)，偏振态测量仪(35)位于非球形介质模拟系统(1)的出射光路侧，用于测量非球形介质模拟系统(1)射出光的偏振态；
所述计算机处理系统(4)分别与非球形介质模拟系统(1)、光功率计(23)、偏振态测量仪(35)相连接；
具体该方法包括如下步骤：
步骤S1、前期准备：
①将碳纳米管200mg和无水乙醇20mL进行混合放入超声震荡机震荡0.5h，再与甘油80mL相混合经过超声震荡机震荡2h后，形成混合溶液，将所述混合溶液倒入粒子发生装置(11)中；
②在烟雾箱(12)中预先放置一载玻片，用于接收沉降的非球形烟雾粒子；
步骤S2、测量非球形烟雾介质的浓度：将非球形介质浓度检测系统(2)中的第一激光器(21)和第一衰减器(22)放置在非球形介质模拟系统(1)的入射光路侧，且第一衰减器(22)设置在第一激光器(21)的出射光路上，非球形介质浓度检测系统(2)中的光功率计(23)放置在非球形介质模拟系统(1)的出射光路侧，首先开启第一激光器(21)和光功率计(23)，由光功率计(23)对未充入非球形烟雾介质时的光强值进行记录；之后开启粒子发生装置(11)，由粒子发生装置(11)向烟雾箱(12)中充入非球形烟雾粒子，待烟雾环境稳定，记录非球形烟雾粒子充入时间，由光功率计(23)记录此时光强值，并由充烟前后的光强值计算该非球形烟雾介质充入时间下的光学厚度τ，用于表征非球形烟雾介质浓度ρ；
步骤S3、将步骤S2中烟雾箱(12)内的非球形烟雾介质排空，取出烟雾箱(12)中已接收到非球形烟雾粒子的载玻片，利用电子显微镜观察载玻片上的非球形烟雾粒子的形状及尺寸；
步骤S4、对非球形介质偏振特性进行测试：移走非球形介质浓度检测系统(2)，放置非球形偏振传输特性探测系统(3)，调节线偏振片(33)和四分之一波片(34)的角度，达到预期发射偏振态，开启第二激光器(31)和偏振态测量仪(35)，再次向烟雾箱(12)中充入非球形烟雾粒子，充入时间与步骤S2中完全相同，待烟雾环境稳定，记录偏振态测量仪(35)所测量的偏振度值；
步骤S5、将第二激光器(31)发射的激光波长、非球形粒子折射率及由步骤S3中电子显微镜所观察到的非球形烟雾粒子形状和尺寸一同输入到计算机处理系统(4)的T矩阵程序中，由T矩阵程序计算出非球形烟雾介质的散射特性参数，所述散射特性参数包括散射矩阵、散射系数以及吸收系数；
步骤S6、将步骤S2中所得到的光学厚度τ、步骤S4中所调节的发射偏振态和步骤S5得到的散射特性参数输入到计算机处理系统(4)的蒙特卡洛程序中，仿真偏振光经非球形烟雾粒子多次散射后的偏振度值；
步骤S7、将步骤S4中所测量的偏振度值与步骤S6中所得到的偏振度值相互对比，进行验证。
2.根据权利要求1所述的非球形多次散射介质的偏振传输特性测试与仿真验证方法，其特征在于：步骤S2中所述光学厚度τ与非球形烟雾介质浓度ρ的关系为：
τ＝ρ·Ce·L
其中，ρ为非球形烟雾介质浓度，Ce为质量消光系数，L为非球形烟雾介质厚度。
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