RU2761781C1 - Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) - Google Patents
Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761781C1 RU2761781C1 RU2020140431A RU2020140431A RU2761781C1 RU 2761781 C1 RU2761781 C1 RU 2761781C1 RU 2020140431 A RU2020140431 A RU 2020140431A RU 2020140431 A RU2020140431 A RU 2020140431A RU 2761781 C1 RU2761781 C1 RU 2761781C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plane
- polarization
- light
- degree
- lightning
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 42
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 38
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 33
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
- G01J4/04—Polarimeters using electric detection means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения степени поляризации светового излучения молний. Способ включает в себя измерение интенсивности плоскополяризованной и неполяризованной компонент излучения. При этом плоскополяризованную компоненту преобразуют в кругополяризованную или пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации. В первом варианте световой поток пропускают через поляризационный ротатор и разделяют световой поток на два. Один из потоков пропускают через поляризационный анализатор с концентрическим распределением оси полного пропускания, а другой поток пропускают через поляризационный анализатор с радиальным распределением оси полного пропускания. Потоки направляют на двухканальный фотодетектор. Во втором варианте световой поток пропускают через клиновидную пластинку из оптически активного материала и через линейный поляризатор, в плоскости изображения которого устанавливают многоканальный фотодетектор типа ПЗС-линейки. Измеряют максимальные и минимальные значения амплитуды сигналов. Степень поляризации определяют как отношение разности между сигналами к их сумме. Технический результат заключается в упрощении способа и обеспечении возможности отличать световое излучение молний от источников света другого типа. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам и устройствам измерения поляризационных характеристик (азимута и степени поляризации) оптического излучения от источников света с помощью поляриметрических оптических средств и может быть использовано в средствах и системах регистрации молниевых разрядов.
Известен способ и устройство определения времени прихода оптического сигнала от импульсных источников [1]. Устройство содержит оптический датчик, фильтр низких частот, двойной дифференциатор, блок порогового сигнала и может быть использовано для регистрации оптического излучения от молний. Недостатком является невозможность измерения степени поляризации регистрируемого светового излучения.
Другим аналогом может служить способ и устройство для комплексной регистрации грозовых разрядов [2]. Устройство содержит блок регистрации электромагнитного импульса в радиодиапазоне, блок приема акустических сигналов и блок приема оптических сигналов. Последний состоит из восьми оптических устройств, ориентированных по сторонам света в пригоризонтной области. Каждое оптическое устройство снабжено пороговым датчиком. В момент регистрации грозового разряда срабатывает только тот пороговый датчик, на вход которого поступает сигнал с оптического приемника, ориентированного в сторону вспышки молнии. Недостатком является то, что устройство не содержит оптического приемника, ориентированного в зенит. Другим недостатком является невозможность измерения степени поляризации регистрируемого оптического излучения.
Таким образом, известные способы и устройства регистрации молний не позволяют измерять поляризационные характеристики оптических импульсов от молниевых разрядов. Однако известны способы определения параметров импульсных источников оптического излучения с использованием поляризационных характеристик рассеянного излучения. Аналогом может служить способ определения расстояния до импульсного источника оптического излучения по степени поляризации регистрируемого света [3]. Способ основан на том, что регистрируют рассеянное излучение под заданным углом относительно направления на источник. В процессе рассеяния излучение становится частично поляризованным. По мере распространения излучения в среде степень поляризации сначала возрастает, достигает максимума, а затем снова уменьшается. Отслеживая развитие степени поляризации во времени, отсчитываемого от начала вступления импульса прямого излучения от источника, измеряют время достижения максимума поляризации и по измеренному значению определяют расстояние до источника. Недостатком способа является необходимость наличия прямой видимости на источник. Недостатком является также необходимость точного фиксирования времени прихода прямого излучения. Способ не предназначен для измерения степени поляризации излучения от молний.
Известно также устройство, позволяющее измерять степень и азимут поляризации регистрируемого излучения [4]. Светоприемное устройство содержит конус Маха и электронно-лучевую трубку. Анализируемый свет попадает на конус Маха и после отражения от него образует световое кольцо на катоде трубки. Образующийся в трубке потенциальный рельеф считывается вращающимся по кольцу электронным лучом. Если свет частично поляризован, яркость кольца неравномерна. Анализируя распределение яркости, определяют степень и азимут поляризации регистрируемого излучения. Недостатком способа и устройства является невозможность измерения параметров поляризации от импульсного источника, в частности, от молний.
Прототипом является способ измерения степени поляризации света, рассеянного атмосферой экзопланет на фоне светового излучения от центральной звезды [5]. Способ основан на разделении регистрируемого излучения на обыкновенный и необыкновенный лучи с помощью призмы Волластона и измерении интенсивности поляризованной и неполяризованной компонент излучения при трех положениях призмы. Недостатками способа являются необходимость точного наведения поляриметрического оптического устройства на звезду, сложность обработки и анализа параметров регистрируемого излучения и невозможность измерения степени поляризации света от молний.
Техническая проблема заключается в том, что неизвестно, какой степенью поляризации обладает рассеянное световое излучение от молний. Актуальность проблемы заключается в том, что по степени поляризации можно отличать световое излучение молний от источников света другого типа. С научной точки зрения решение проблемы позволит лучше понять физические механизмы развития молниевого разряда.
Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что регистрируют раздельно поляризованную и неполяризованную компоненты рассеянного атмосферой светового излучения не менее, чем в двух оптических каналах, направленных в зенит. Разделение компонент регистрируемого излучения производят при помощи соответствующих поляризационных элементов. Потоки оптического излучения в каждом канале направляют на специальные фотодетекторы известных типов. Электрические сигналы с выходов фотодетекторов через фильтры низких частот и пороговые устройства подают в электронный блок анализа и обработки сигналов. По результатам обработки определяют степень и, по необходимости, азимут поляризации.
Способ отличается от прототипа тем, что плоскополяризованную компоненту регистрируемого излучения путем вращения плоскости поляризации преобразуют в кругополяризованную компоненту или в пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации. В первом случае первичное световое излучение пропускают через оптический фильтр, затем направляют на поляризационный ротатор. При наличии плоскополяризованной компоненты в первичном потоке излучения на выходе ротатора плоскополяризованная компонента превращается в кругополяризованную. Далее первичный поток подают на светоделительную систему, разделяющую поток на два оптических канала. В одном из каналов устанавливают поляризационный анализатор с радиальным распределением оси полного пропускания поляризованной компоненты (радиальный анализатор). В другом канале устанавливают поляризационный анализатор с концентрическим распределением оси полного пропускания (концентрический анализатор). Оптические потоки в каждом из каналов направляют на две половины светочувствительного слоя двухканального фотодетектора. Электрические сигналы i1 и i2 с каждой половины подают через низкочастотные фильтры на пороговые устройства, а затем в электронный блок анализа сигналов и регистрации результатов измерений. При помощи этого блока производят обработку и анализ поступивших на его вход электрических сигналов и измеряют амплитуды i1 и i2 этих сигналов. Степень поляризации определяют по формуле:
Вторая модификация способа заключается в том, что регистрируемое световое излучение направляют на плоскопараллельную пластинку, вращающую плоскость поляризации и состоящую из двух оптических клиньев. Один из клиньев выполняют из оптически активного материала, например, из кристаллического кварца. Этот клин вырезают так, чтобы его оптическая ось была перпендикулярна нижней грани клина. Другой клин выполняют из такого же, но аморфного материала с таким же показателем преломления, как и у первого клина. Клинья склеивают так, чтобы получилась плоскопараллельная пластинка. После этой пластинки вдоль ребра оптически активного клина возникает пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации. Горизонтальный размер (длина) клиньев берут равным размеру подходящей фоточувствительной ПЗС-линейки, содержащей не менее 1000 фоточувствительных ячеек. Такой линейкой может быть, например, линейка типа К1200-ЦЛ1, содержащая 1024 ячейки. Сразу после клиньев устанавливают поляризационный анализатор, ось полного пропускания которого параллельна горизонтальному ребру оптически активного клина. В итоге при наличии поляризованной компоненты в первичном световом потоке на выходе поляризатора в горизонтальной плоскости изображения, совпадающей с плоскостью ПЗС-линейки, возникает периодическое распределение яркости синусоидального вида. Угол клиновидности и вращательную способность кристалла выбирают так, чтобы на ПЗС-линейке улеглось примерно 100-300 периодов синусоидального распределения яркости. Сигналы с каждого светочувствительного элемента ПЗС-линейки считывают и подают на вход блока анализа сигналов, при помощи которого измеряют максимальные А1 и минимальные А2 значения амплитуды синусоиды. Степень поляризации определяют по формуле:
Реализация способа может быть осуществлена при помощи устройств, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показаны: 1 - светоприемный блок; 2 - сменный оптический фильтр; 3 - поляризационный ротатор; 4 - светоделительная система; 5 - радиальный анализатор; 6 - концентрический анализатор; 7 - светособирающие линзы; 8 - двухканальный фотодетектор.
Устройство работает следующим образом. После светоприемного блока 1 первичный световой поток пропускают через сменный оптический фильтр 2. Набор оптических фильтров выбирают таким образом, чтобы обеспечить регистрацию оптических сигналов в диапазоне от 0,35 до 0,90 мкм. После прохождения через оптический фильтр первичный световой поток пропускают через поляризационный ротатор 3. Ротатор выполнен из двух одинаковых оптически активных кристаллических полуволновых пластинок (трансцендентная пластинка). Пластинки вырезаны параллельно их оптической оси и склеены так, чтобы оптические оси относительно друг друга составляли угол 45°. Ротатор превращает падающий на него плоскополяризованный свет в кругополяризованный. Прошедший через ротатор свет поступает в светоделительную систему 4, которая разделяет первичный световой поток на два одинаковых световых канала. Один из каналов содержит радиальный анализатор 5, а другой - концентрический анализатор 6. Выходящий из анализатора 5 световой поток будет содержать поляризованную и неполяризованную компоненты, а выходящий из анализатора 6 - только неполяризованную компоненту. Оба потока через светособирающие линзы 7 поступают на светочувствительные слои 8 двухканального фотодетектора. Светочувствительные слои расположены на одной подложке фотодетектора и разделены диэлектрическим промежутком. Электрические сигналы i1 и i2 с выходов фотодетектора пропорциональны световым потокам. Эти сигналы через низкочастотные фильтры Ф и пороговые устройства П поступают в электронный блок анализа сигналов, где происходит анализ и обработка сигналов, а также расчет степени поляризации в соответствии с формулой (1). Результаты измерений фиксируются при помощи регистратора РЕГ.
Модификация устройства представлена на фиг. 2, где показаны: 1 - светоприемный блок; 2 - сменный оптический фильтр; 9 - клин из оптически активного материала; 10 - такой же клин из такого же, но аморфного материала; 11 - линейный поляризатор; 12 - ось полного пропускания поляризованной компоненты, проходящей через поляризатор; 13 - синусоидальное распределение яркости в плоскости изображения; 14 - ПЗС-линейка.
Устройство работает следующим образом. После выхода из светоприемного блока 1 и светофильтра 2 регистрируемое излучение падает на плоскопараллельную пластинку, состоящую из двух клиньев 9 и 10. Оптически активный клиновидный кристалл 9 вращает плоскость поляризации поляризованной компоненты излучения. Угол вращения пропорционален толщине клина и, соответственно, пропорционален положению точки вдоль оси ОХ. Сразу же за клином 9 размещен линейный поляризатор 11 с осью полного пропускания поляризованной компоненты 12, параллельной нижнему ребру клина 9. При наличии плоскополяризованной компоненты в составе первичного излучения в плоскости изображения вдоль оси ОХ возникает периодическое распределение яркости 13 синусоидального вида. В плоскости изображения установлена ПЗС-линейка 14. Номера светочувствительных ячеек линейки соответствуют координате вдоль оси ОХ.
Выход ПЗС-линейки соединен с блоком анализа сигналов А, при помощи которого измеряются максимальные А1 и минимальные А2 значения амплитуды синусоиды. Выход блока анализа соединен с входом блока регистрации РЕГ, в котором регистрируется степень поляризации по формуле (2). При необходимости, измерив фазу синусоиды, можно определить направление на источник излучения.
Источники информации
1. Вагин Ю.П., Чудновский Л.С. и др. Устройство определения времени прихода оптического сигнала. - Патент РФ № 2663881, 2018 г.
2. Ситников Ю.М., Горин Б.Н., Юргель Н.И. Устройство для комплексной регистрации грозовых разрядов. - Авторское свидетельство СССР № 1109703, 1984 г.
3. Пузанов Ю.В. Поляризация излучения как индикатор расстояния до импульсного источника. - Изв. РАН, серия «Физика атмосферы и океана», 1993, т. 29, № 4, с. 574-576.
4. Ксанфомалити Л.В. Поляриметр. - Авт. свид. СССР № 396601, 1971 г.
5. Ксанфомалити Л.В. Поиск внесолнечных планет поляриметрическим методом. - Астрономический вестник, 2007 г., т. 41, № 4, стр. 330-336.
Claims (3)
1. Способ измерения степени поляризации светового излучения молний, включающий регистрацию рассеянного земной атмосферой света, измерение интенсивности плоскополяризованной и неполяризованной компонент не менее чем в двух оптических каналах, отличающийся тем, что плоскополяризованную компоненту путем вращения плоскости поляризации преобразуют в 1) кругополяризованную или 2) пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации, причем в первом случае световой поток, содержащий плоскополяризованную и неполяризованную компоненты, пропускают через поляризационный ротатор, после чего разделяют световой поток на два, каждый из которых содержит в равных количествах поляризованную и неполяризованную компоненты, один из потоков пропускают через поляризационный анализатор с концентрическим распределением оси полного пропускания поляризованной компоненты, а другой поток пропускают через поляризационный анализатор с радиальным распределением оси полного пропускания, оба потока после поляризаторов направляют на двухканальный фотодетектор, измеряют амплитуды сигналов с выходов фотодетектора, а степень поляризации определяют как отношение разности между сигналами к их сумме; в другом случае пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации создают так, что первичный регистрируемый световой поток пропускают через клиновидную пластинку из оптически активного материала и через линейный поляризатор, в плоскости изображения которого устанавливают многоканальный фотодетектор типа ПЗС-линейки, измеряют максимальные и минимальные значения амплитуды сигналов с выходов фоточувствительных ячеек многоканального фотодетектора, а степень поляризации определяют как отношение разности между этими сигналами к их сумме.
2. Двухканальное устройство для измерения степени поляризации светового излучения молний, содержащее светоприемный блок, светоделительную систему, образующую на выходе два оптических канала, двухканальный фотодетектор, поляризационные элементы, фильтры низких частот, пороговые блоки, блок анализа сигналов и регистрации результатов измерений, отличающееся тем, что перед светоделительной системой размещен поляризационный ротатор, преобразующий плоскополяризованную компоненту регистрируемого светового излучения в кругополяризованную и выполненный из двух кристаллических полуволновых пластинок, вырезанных параллельно их оптическим осям и склеенных так, чтобы оптические оси пересекались под углом 45°; на выходе светоделительной системы в одном из каналов установлен радиальный, а в другом – концентрический поляризационный анализатор; на выходе оптических каналов установлен двухканальный фотодетектор, преобразующий оптические потоки в электрические сигналы, выходы фотодетектора соединены с фильтрами низких частот и с пороговыми блоками, выходы которых подключены к блоку анализа сигналов и регистрации результатов измерений.
3. Многоканальное устройство для измерения степени поляризации светового излучения молний, содержащее светоприемный блок, многоканальную светоделительную систему, поляризационные элементы, фильтры низких частот, пороговые блоки, блок анализа сигналов и блок регистрации результатов измерений, отличающееся тем, что многоканальная светоделительная система выполнена в виде плоскопараллельной пластинки, вращающей плоскость поляризации, после этой пластинки установлен линейный поляризатор, причем плоскопараллельная пластинка склеена из двух оптических клиньев, один из которых выполнен из оптически активного кристаллического материала, вырезанного перпендикулярно его оптической оси, а другой выполнен из такого же, но аморфного материала; ось полного пропускания поляризованной компоненты линейного поляризатора параллельна нижнему ребру оптически активного клина; в плоскости изображения анализатора установлена ПЗС-линейка, содержащая не менее 1000 светочувствительных ячеек, выход линейки соединен с фильтрами низких частот, с пороговыми блоками, выходы которых подключены к блоку анализа сигналов и регистрации результатов измерений.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140431A RU2761781C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140431A RU2761781C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2761781C1 true RU2761781C1 (ru) | 2021-12-13 |
Family
ID=79175197
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020140431A RU2761781C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2761781C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1213578A1 (en) * | 2000-12-07 | 2002-06-12 | Semiconductor300 GmbH & Co KG | Apparatus and method for detecting an amount of depolarization of a linearly polarized beam |
RU2193168C2 (ru) * | 2000-07-11 | 2002-11-20 | Камский политехнический институт | Способ измерения степени поляризации |
US6850326B2 (en) * | 2001-06-07 | 2005-02-01 | Agilent Technologies, Inc. | Determination of an optical parameter of an optical signal |
-
2020
- 2020-12-08 RU RU2020140431A patent/RU2761781C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2193168C2 (ru) * | 2000-07-11 | 2002-11-20 | Камский политехнический институт | Способ измерения степени поляризации |
EP1213578A1 (en) * | 2000-12-07 | 2002-06-12 | Semiconductor300 GmbH & Co KG | Apparatus and method for detecting an amount of depolarization of a linearly polarized beam |
US6850326B2 (en) * | 2001-06-07 | 2005-02-01 | Agilent Technologies, Inc. | Determination of an optical parameter of an optical signal |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Л.В. Ксанфомалити. "Поиск внесолнечных планет поляриметрическим методом". АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, т. 41, No 4, 2007 г., стр. 330-336. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5081348A (en) | Optical polarimeter having four channels | |
US4682024A (en) | Laser radiation warning sensor utilizing polarization | |
CA1328482C (en) | Electro-optical voltage measuring system incorporating a method and apparatus to derive the measured voltage waveform from two phase shifted electrical signals | |
US9683930B2 (en) | Polarization properties imaging systems | |
US3183763A (en) | Polarization analyzers for optical systems employing polarized light | |
US4624563A (en) | Wide field of view remote laser position sensor | |
US4626100A (en) | Wide field of view two-axis laser locator | |
CN103776537B (zh) | 一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法 | |
US2829555A (en) | Polarimetric method and apparatus | |
CN107356333B (zh) | 一种红外光谱偏振成像系统及其参数优化配置方法 | |
CN114018830B (zh) | 一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法 | |
RU2761781C1 (ru) | Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты) | |
CN109870120A (zh) | 一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统 | |
CN102636333B (zh) | 波片相位延迟量与快轴方位角的实时测量装置和方法 | |
WO2001042749A1 (en) | Apparatus and method for detecting polarization | |
CN108956480A (zh) | 一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法 | |
US3016789A (en) | Polarimetric apparatus | |
RU166564U1 (ru) | Поляризационный лидар | |
CN109187368B (zh) | 一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法 | |
CN207751589U (zh) | 新型偏振光谱相机 | |
JP2009058464A (ja) | 光軸計測方法および光軸計測装置 | |
RU173330U1 (ru) | Поляризационный лидар | |
US3744876A (en) | Optical device for transformation of polarization | |
SU1695145A1 (ru) | Эллипсометр | |
CA2181306A1 (en) | Method for the differential measurement of the angle of incidence of a luminous beam and device for implementing the method |