CN113933024B

CN113933024B - 一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法

Info

Publication number: CN113933024B
Application number: CN202111011504.XA
Authority: CN
Inventors: 孙亮; 洪津; 韩琳; 许孙龙; 李双; 孟炳寰
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: CN113933024A

Abstract

本发明公开了一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，其步骤包括1、搭建测试平台，确定各设备和器件的位置满足测量要求；2、利用2台自准直经纬仪，将绝对偏振方位角测量的基准传递至偏振棱镜；3、测量偏振棱镜与检偏器多个夹角状态下探测器接收的光强，并利用马吕斯定律进行数据处理，获得偏振棱镜与检偏器最大透过方向的夹角。本发明能有效提高测量精度，从而解决现有技术应用范围受限、传递环节多、测量误差偏大的问题。

Description

一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法

技术领域

本发明属于光学仪器领域，涉及一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法。

背景技术

光学遥感器中检偏器用来透过特定振动方向的偏振光，配置若干不同偏振方位角的检偏器，并用光电探测器测量各检偏器透过的光强；通过测得的光强，可以解算入射光的偏振参量。解算过程需要使用某个检偏器的绝对偏振方位角。

选择光学遥感器的基准立方棱镜的某一与光路平行的侧面，作为绝对偏振方位角测量的基准。定义某个检偏器最大透过方向与该测量基准的夹角为检偏器的绝对偏振方位角。为满足光学遥感器测量入射光的偏振参量的功能要求，需要对至少一个检偏器的绝对偏振方位角进行测量。

现有的绝对偏振方位角测量方法包括“直刃边法”及“翻转起偏器法”等。

“直刃边法”需要保证偏振棱镜与直刃边的机械对准精度。然后使直刃边在光学遥感器的光电探测器上成像，因此该方法仅限于可对近距离成像的光学遥感器。通过图像处理技术，计算直刃边相对光电探测器安装方向的夹角，即可得到偏振棱镜最大透过方向相对光电探测器安装方向的夹角。然后使用“正交消光”方法，测量偏振棱镜与检偏器最大透过方向的夹角。再结合光电探测器安装方向在光学遥感器坐标系中的方位数据，计算检偏器最大透过方向相对光学遥感器坐标系的夹角，作为检偏器的绝对偏振方位角。机械对准误差、光学遥感器成像的像差、图像处理算法、“正交消光”方法等都会引入测量误差。可见，“直刃边法”存在应用范围受限、传递环节多、测量误差偏大的问题。

“翻转起偏器法”需要测量起偏器与检偏器最大透过方向的夹角，然后通过“正交消光-翻转-正交消光”的方法确定起偏器的最大透过方向与翻转轴的夹角；另外需要将翻转轴引致轴端反射镜，期间需反复调校反射镜倾角，操作较繁琐；然后测量轴端反射镜与光学遥感器坐标系的夹角关系；最后计算检偏器最大透过方向相对光学遥感器坐标系的夹角，作为检偏器的绝对偏振方位角。2次使用“正交消光”方法、翻转轴的转动误差、测量轴端反射镜与光学遥感器坐标系夹角的误差都会引入测量误差。可见，“翻转起偏器法”存在操作繁琐、传递环节多、测量误差偏大的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，以期能有效提高测量精度，从而解决现有技术应用范围受限、传递环节多、测量误差偏大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，是应用于由光学遥感器、非偏光源、精密转台及其驱动控制器、偏振棱镜、小反射镜、2台自准直经纬仪及计算机所组成的测量系统中；所述光学遥感器包括镜头、检偏器、基准立方棱镜(6)、光电探测器；其特点是，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1、搭建测试平台；

步骤1.1、在所述偏振棱镜上，且与其最大透过方向平行或者垂直的面上设置有小反射镜；

步骤1.2、在精密转台的中心孔处安装所述偏振棱镜；

步骤1.3、依次同轴布置有非偏光源、精密转台、偏振棱镜、镜头、检偏器；由所述非偏光源发出的光线，依次穿过精密转台的中心孔、偏振棱镜的2个通光面后进入光学遥感器的镜头，以形成光路；

步骤1.4、将所述驱动控制器分别与精密转台、计算机进行连接；

步骤2、将绝对偏振方位角测量的基准传递至偏振棱镜；

步骤2.1、选择所述基准立方棱镜(6)中与所述光路平行的侧面作为绝对偏振方位角测量的基准；

步骤2.2、调校第一自准直经纬仪，使其对绝对偏振方位角测量的基准准直；

步骤2.3、转动第一自准直经纬仪与第二自准直经纬仪，使二者互瞄并准直；

步骤2.4、转动所述第二自准直经纬仪，使其对准偏振棱镜侧面的小反射镜，并记录其水平转动角度θ_B＝180°-θ_A；其中，θ_A表示所述第一自准直经纬仪的水平转动角度；

步骤2.5、使精密转台带动偏振棱镜转动，直至第二自准直经纬仪对小反射镜准直；使得绝对偏振方位角测量的基准传递给所述偏振棱镜，并记录此时精密转台的角度读数α₀；

步骤3、测量偏振棱镜与检偏器最大透过方向的夹角；

步骤3.1、使精密转台带动偏振棱镜转动，每转过角度δ后，利用光电探测器测量一次接收的光强，共转动并测量N次；并将精密转台的角度和光电探测器测量的光强信息传递给所述计算机；

步骤3.2、以精密转台的角度为横轴、光电探测器测量的光强为纵轴，将全部测量数据进行绘制并连接成测量曲线；

步骤3.3、若测量曲线应中无极值点，则返回步骤3.1执行，增加测量次数N，直到测量曲线中至少包含1个极值点为止；

步骤3.4、根据马吕斯定律对测量曲线中的各个测量点进行拟合，得到拟合曲线；

步骤3.5、计算所述拟合曲线的极值点对应的精密转台的角度β值，记作β_ex；

将偏振棱镜与检偏器最大透过方向的夹角记作β₀；

若极值点是极大值点，则令β₀＝β_ex；

若极值点是极小值点，则令β₀＝β_ex+90°；且0≤β₀＜180°；

步骤4、若所述小反射镜平行设置在所述偏振棱镜上，则所述检偏器的绝对偏振方位角为β₀-α₀+90°；

若所述小反射镜垂直设置在所述偏振棱镜上，则所述检偏器的绝对偏振方位角为β₀-α₀。

本发明所述的一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法的特点也在于：所述非偏光源为积分球，或在积分球的出光口上加装平行光管，使得所述非偏光源的出射光的偏振度接近于0。

所述精密转台选择中空式结构，使得所述光路能从其中心孔通过。

与现有的技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用“基准立方棱镜-偏振棱镜”、“偏振棱镜-检偏器”2步测量获得检偏器的绝对偏振方位角，传递环节少，引入测量误差的项目少，从而有效提高了测量精度。

2、本发明利用了“偏振棱镜出射的线偏振光的振动平面与偏振棱镜的2个非通光面平行，与另2个非通光面垂直”这一性质，将检偏器最大透过方向引至小反射镜，进而与基准立方棱镜建立角度关系。该性质基于晶体的双折射特性和偏振棱镜的加工方式，便于测量，传递环节少，测量精度高。

3、本发明不借助光电探测器对实物成像，因此适用于工作距离较长的光学遥感器，也适用于非成像型光学遥感器。

4、本发明中测量偏振棱镜与检偏器最大透过方向的夹角β₀的方法，不是以光电探测器测量的光强最小时的转台角度作为β₀；而是首先在一定角度范围内进行N次测量，再根据马吕斯定律对N个数据进行曲线拟合，以拟合曲线的极值点计算β₀，从而减小了非偏光源的波动、精密转台转角误差、光电探测器噪声等随机误差带来的影响，大大提高了测量精度。

5、本发明采用了在偏振棱镜的非通光面上粘贴小反射镜的方法，解决了偏振棱镜的非通光面无法反射自准直经纬仪光束的问题。

附图说明

图1是本发明的测量设备布置示意图；

图2是本发明的2自准直经纬仪互瞄时的位置状态示意图；

图3是本发明的精密转台角度读数与光电探测器输出值的拟合曲线图。

具体实施方式

本实施例中，一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，是能够实现光学遥感器中检偏器最大透过方向与光学遥感器基准立方棱镜的夹角的测量。参见图1，该方法包括以下设备和器件：待测的光学遥感器、非偏光源1、精密转台14及其驱动控制器11、偏振棱镜12、小反射镜13、2台自准直经纬仪2和3及用于数据接收和处理的计算机10。待测的光学遥感器包括镜头4、检偏器5、标识坐标系的基准立方棱镜6、光电探测器7及采集和控制电路8。该测量方法具体步骤如下：

步骤1、搭建测试平台；

步骤1.1、在偏振棱镜12上，且与其最大透过方向平行或者垂直的面上设置有小反射镜13；

偏振棱镜12的作用是作为起偏器，将非偏振光变为线偏振光，出射线偏振光的振动平面由光束传播方向和偏振棱镜最大透过方向确定，且振动平面与偏振棱镜12的2个非通光面平行，与另2个非通光面垂直。

本实施例中，选择与最大透过方向平行的面上设置小反射镜13，线偏振光的振动方向与小反射镜13的表面平行。偏振棱镜12和检偏器5的最大透过方向以双向箭头标识。

步骤1.2、在精密转台14的中心孔处安装偏振棱镜12；

步骤1.3、依次同轴布置有非偏光源1、精密转台14、偏振棱镜12、镜头4、检偏器5；由非偏光源1发出的光线，依次穿过精密转台14的中心孔、偏振棱镜12的2个通光面后进入光学遥感器的镜头4，以形成光路；

非偏光源1为积分球，或在积分球的出光口上加装平行光管，使得非偏光源1的出射光的偏振度接近于0。本实施例中使用积分球。

精密转台14选择中空式结构，使得光路能从其中心孔通过，精密转台14的作用是带动偏振棱镜12旋转以连续改变线偏振光的振动方向，其转动精度直接影响偏振方位角的测量精度。

镜头4的作用是收集来自光源的光束，并聚焦于光电探测器7。光电探测器7的作用是测量接收到的光强，转换为模拟信号。采集和控制电路8的作用是驱动光电探测器7工作，将模拟信号转换为数字信号，并发送给计算机10。

步骤1.4、将驱动控制器11分别与精密转台14、计算机10进行连接；

驱动控制器11驱动精密转台14按指定的角度转动，并将角度信息发送给计算机10。

计算机10接收和记录精密转台14的角度和光电探测器7测量的光强信息，并进行数据处理。

步骤2、将绝对偏振方位角测量的基准传递至偏振棱镜12；

借助2台自准直经纬仪2和3的角度传递，经过适当调整，使偏振棱镜12的侧面的小反射镜13与光学遥感器的某一坐标轴垂直。

步骤2.1、选择基准立方棱镜6中与光路平行的侧面作为绝对偏振方位角测量的基准；

基准立方棱镜6的作用是标识光学遥感器的坐标系。镜头光轴方向、光电探测器安装方向在光学遥感器坐标系中的方位均确定并已知。具体方法可参考论文《太阳敏感器测量坐标系与立方镜坐标系转换矩阵的标定》，文章于2009年发表在期刊《光学精密工程》第17卷第4期849-853页。

步骤2.2、调校第一自准直经纬仪2，使其对绝对偏振方位角测量的基准准直；

步骤2.3、转动第一自准直经纬仪2与第二自准直经纬仪3，使二者互瞄并准直；如图2所示；

步骤2.4、转动第二自准直经纬仪3，使其对准偏振棱镜12侧面的小反射镜13，并记录其水平转动角度θ_B＝180°-θ_A；其中，θ_A表示第一自准直经纬仪的水平转动角度；

步骤2.5、使精密转台14带动偏振棱镜12转动，直至第二自准直经纬仪3对小反射镜13准直，必要情况下可以微调偏振棱镜12相对于精密转台14台面的倾斜；使得绝对偏振方位角测量的基准传递给偏振棱镜12，并记录此时精密转台14的角度读数α₀；

步骤3、测量偏振棱镜12与检偏器5最大透过方向的夹角；

步骤3.1、由非偏光源1发出的光线，依次穿过精密转台14中心孔、偏振棱镜12的2个通光面，进入光学遥感器的镜头4。镜头4收集光束，穿过检偏器5，最终聚焦于光电探测器7，进行接收和测量。采集和控制电路8驱动光电探测器7工作，将模拟信号转换为数字信号，并发送给计算机10。

使精密转台14带动偏振棱镜12转动，每转过角度δ后，利用光电探测器7测量一次接收的光强，共转动并测量N次；并将精密转台14的角度和光电探测器7测量的光强信息传递给计算机10；

步骤3.2、以精密转台14的角度为横轴、光电探测器7测量的光强为纵轴，将全部测量数据进行绘制并连接成测量曲线；

步骤3.3、若测量曲线应中无极值点，则返回步骤3.1执行，增加测量次数N，直到测量曲线中至少包含1个极值点为止；本实施例中，N＝11；

步骤3.4、根据马吕斯定律对测量曲线中的各个测量点进行拟合；

本实施例中使用函数f(β)＝acos²(β+b)+c拟合测量点。坐标系、数据点及拟合曲线参见图3，拟合结果：a＝584.9，b＝164.7，c＝7159.5。

步骤3.5、计算拟合曲线的极值点对应的精密转台14的角度β值，记作β_ex；本实施例中，β_ex＝105.30°。

将偏振棱镜12与检偏器5最大透过方向的夹角记作β₀；

若极值点是极大值点，则令β₀＝β_ex；

本实施例中，β₀＝105.30°。

步骤4、若小反射镜13平行设置在偏振棱镜12上，则检偏器5的绝对偏振方位角为β₀-α₀+90°；

若小反射镜13垂直设置在偏振棱镜12上，则检偏器5的绝对偏振方位角为β₀-α₀。

本实施例中，测得检偏器5的绝对偏振方位角为β₀-α₀+90°。

综上所述，本方法利用了“偏振棱镜出射的线偏振光的振动平面与偏振棱镜的2个非通光面平行，与另2个非通光面垂直”这一特性，将检偏器最大透过方向引至小反射镜，进而与基准立方棱镜建立角度关系。相较于现有的测量方法，本发明不借助光电探测器对实物成像，因此适用于工作距离较长的光学遥感器，也适用于非成像型光学遥感器。本方法采用了“基准立方棱镜-偏振棱镜”、“偏振棱镜-检偏器”2步测量获得检偏器的绝对偏振方位角，传递环节少，引入测量误差的项目少，能够有效提高测试精度；本发明采用数据点曲线拟合的方法，减小了非偏光源的波动、精密转台转角误差、光电探测器噪声等随机误差带来的影响，大大提高了测量精度。

Claims

1.一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，是应用于由光学遥感器、非偏光源(1)、精密转台(14)及其驱动控制器(11)、偏振棱镜(12)、小反射镜(13)、2台自准直经纬仪及计算机所组成的测量系统中；所述光学遥感器包括镜头(4)、检偏器(5)、基准立方棱镜(6)、光电探测器(7)；其特征是，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1、搭建测试平台；

步骤1.1、在所述偏振棱镜(12)上，且与其最大透过方向平行或者垂直的面上设置有小反射镜(13)；

步骤1.2、在精密转台(14)的中心孔处安装所述偏振棱镜(12)；

步骤1.3、依次同轴布置有非偏光源(1)、精密转台(14)、偏振棱镜(12)、镜头(4)、检偏器(5)；由所述非偏光源(1)发出的光线，依次穿过精密转台(14)的中心孔、偏振棱镜(12)的2个通光面后进入光学遥感器的镜头(4)，以形成光路；

步骤1.4、将所述驱动控制器(11)分别与精密转台(14)、计算机(10)进行连接；

步骤2、将绝对偏振方位角测量的基准传递至偏振棱镜(12)；

步骤2.2、调校第一自准直经纬仪(2)，使其对绝对偏振方位角测量的基准准直；

步骤2.3、转动第一自准直经纬仪(2)与第二自准直经纬仪(3)，使二者互瞄并准直；

步骤2.4、转动所述第二自准直经纬仪(3)，使其对准偏振棱镜(12)侧面的小反射镜(13)，并记录其水平转动角度θ_B＝180°-θ_A；其中，θ_A表示所述第一自准直经纬仪的水平转动角度；

步骤2.5、使精密转台(14)带动偏振棱镜(12)转动，直至第二自准直经纬仪(3)对小反射镜(13)准直；使得绝对偏振方位角测量的基准传递给所述偏振棱镜(12)，并记录此时精密转台(14)的角度读数α₀；

步骤3、测量偏振棱镜(12)与检偏器(5)最大透过方向的夹角；

步骤3.1、使精密转台(14)带动偏振棱镜(12)转动，每转过角度δ后，利用光电探测器(7)测量一次接收的光强，共转动并测量N次；并将精密转台(14)的角度和光电探测器(7)测量的光强信息传递给所述计算机(10)；

步骤3.2、以精密转台(14)的角度为横轴、光电探测器(7)测量的光强为纵轴，将全部测量数据进行绘制并连接成测量曲线；

步骤3.5、计算所述拟合曲线的极值点对应的精密转台(14)的角度β值，记作β_ex；

将偏振棱镜(12)与检偏器(5)最大透过方向的夹角记作β₀；

若极值点是极大值点，则令β₀＝β_ex；

步骤4、若所述小反射镜(13)平行设置在所述偏振棱镜(12)上，则所述检偏器(5)的绝对偏振方位角为β₀-α₀+90°；

若所述小反射镜(13)垂直设置在所述偏振棱镜(12)上，则所述检偏器(5)的绝对偏振方位角为β₀-α₀。

2.根据权利要求1所述的一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，其特征在于：所述非偏光源(1)为积分球，或在积分球的出光口上加装平行光管，使得所述非偏光源(1)的出射光的偏振度接近于0。

3.根据权利要求1所述的一种光学遥感器中检偏器绝对偏振方位角的测量方法，其特征在于：所述精密转台(14)选择中空式结构，使得所述光路能从其中心孔通过。