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CN107941711B - 多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法 - Google Patents

多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法 Download PDF

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CN107941711B CN201711139602.5A CN201711139602A CN107941711B CN 107941711 B CN107941711 B CN 107941711B CN 201711139602 A CN201711139602 A CN 201711139602A CN 107941711 B CN107941711 B CN 107941711B
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Abstract

本发明多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，属于偏振传输探测领域,针对多层介质情况所产生的非均匀环境，本发明在实验测试中采用多层介质模拟系统，通过实验测试其中每一个环境模拟系统内的光学厚度、粒径等参数，建立模拟仿真系统中所需参数，采用逐一计算递推的方法，以前一个环境模拟系统仿真的出射光作为后一个环境模拟系统仿真的入射光，建立各层环境介质之间的联系，使得实验与仿真互相得到验证，使采用传统蒙特卡洛方法仿真非均匀的烟雾介质环境下的偏振传输特性成为可能，且使实验测试的结果准确率得以提高，准确性可以被理论验证，扩展了偏振传输探测的适用范围。

Description

多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法
技术领域
本发明涉及一种多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，属于偏振传输探测领域。
背景技术
偏振成像由于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、烟尘等环境下的作用距离，成为解决烟雾等特殊环境下探测的有效手段，因而在这种特定介质中对偏振传输特性进行研究对实际探测具有重要的研究意义。
近年来，随着偏振探测技术的广泛应用，对偏振传输特性计算机模拟仿真的要求也在不断提高，用于对实验测试进行指导，并验证实验测试的准确性。目前，由于实验环境的可控性及均匀球形粒子仿真计算理论的成熟性，许多研究者对偏振传输特性的研究多停留在均匀同一介质环境，但在实际测试环境中，由于多种物质的共同作用，所处环境往往是非均匀的，而其中最普遍存在的情况是偏振光通过多层介质进行探测，则在这种多层介质环境下得到的偏振传输特性实验测试无法由传统的理论及仿真方法进行验证。
因此，针对这种多层介质情况的非均匀环境，亟需一种多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法。
发明内容
为了研究偏振光经过多种介质后的偏振传输特性，并在实验测试与计算机仿真方法下共同得到验证，具有较高的测试准确性，本发明提出了一种多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法。
本发明采用如下的技术方案：多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，其特征在于，该方法采用的光学系统包括偏振光起偏系统、多层介质模拟系统及偏振传输特性探测系统，偏振光起偏系统、多层介质模拟系统及偏振传输特性探测系统依次设置在光束的传输光路上；
所述偏振光起偏系统由激光器、准直系统、滤光片、线偏振片及四分之一波片组成，且以水平方向为基准轴，线偏振片角度调节范围为0°～360°，四分之一波片的角度调节范围为0°～360°，或将四分之一波片(15)移除；
所述多层介质模拟系统包括环境模拟系统，环境模拟系统数量为N个，N≥2，N个环境模拟系统沿着光线的传播方向并列放置，相邻两个环境模拟系统，前一个环境模拟系统的出射窗口对准后一个环境模拟系统的入射窗口；
所述偏振传输特性探测系统包括偏振态测量仪，用于实时探测偏振光的偏振度；
具体包括如下步骤：
步骤一、沿着光线的传播方向,激光器、准直系统、滤光片及环境模拟系统顺次布置，开启激光器，光束依次经过准直系统、滤光片及环境模拟系统后射出，由光功率计探测出射光束的光强值，记录未充入任何介质时出射光束的光强值Io；
步骤二、向步骤一所述的环境模拟系统中充入烟雾，记录充入烟雾的时间，待停止充入烟雾后，由光功率计探测经烟雾环境后出射光束的光强值，待光功率计探测到的光强值稳定后，记录经烟雾环境后出射光束的光强值I；
步骤三、通过步骤一得到的未充入任何介质时出射光束的光强值Io和步骤二得到的经烟雾环境后出射光束的光强值I，获得在烟雾环境下的光学厚度τ，
Figure GDA0002241593880000021
步骤四、排空环境模拟系统中的烟雾，沿光线的传输方向将马尔文粒度仪放置在环境模拟系统内部，再次向环境模拟系统中充入烟雾，充入烟雾的时间与步骤二充入烟雾的时间相同，由马尔文粒度仪测量环境模拟系统中充入烟雾的粒径参数；
步骤五、排空环境模拟系统中的烟雾，把马尔文粒度仪移到不遮挡光线传输方向的任意位置；
步骤六、重复步骤二到步骤五，重复次数为(N-1)次，N≥2,且每次向环境模拟系统充入不同种类的烟雾，同时不同于步骤二到步骤五环境模拟系统中充入的烟雾，得到(N-1)个经烟雾环境后出射光束的光强值，(N-1)个烟雾环境下的光学厚度,(N-1)个环境模拟系统中充入烟雾的粒径参数；
步骤七、经过步骤一到步骤六，得到N个经烟雾环境后出射光束的光强值，N个烟雾环境下的光学厚度，N个环境模拟系统中充入烟雾的粒径参数；
步骤八、在步骤一所述的滤光片后放置线偏振片与四分之一波片，对滤光片出射的光束进行起偏，获得的偏振光入射到多层介质模拟系统，同时向多层介质模拟系统中的N个环境模拟系统内充入烟雾，每个环境模拟系统中充入一种烟雾，第一个环境模拟系统充入第一种烟雾，第一种烟雾与步骤一到步骤五所述的烟雾种类一致，且第一种烟雾的充入时间与步骤二中充入烟雾的时间相同保持一致，依次类推，第N个环境模拟系统充入第N种烟雾，且第N种烟雾的充入时间与步骤六中所述的任意一种烟雾充入时间保持一致，在多层介质模拟系统的出射端由偏振态测量仪进行实时记录；
步骤九、根据N个环境模拟系统中烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、第一个环境模拟系统中烟雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及第一个环境模拟系统中烟雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过一层介质环境后的偏振态；
步骤十、重新运行蒙特卡洛程序，将激光器发射的激光波长、偏振光通过一层介质后的偏振态、第二个环境模拟系统中烟雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及第二个环境模拟系统中烟雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过两层介质环境后的偏振态，依次类推，进行迭代，用于计算机模拟偏振光通过N层介质环境后的偏振态。
进一步，所述的步骤二中充入烟雾的浓度根据充入烟雾的时间进行调节，充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供一种多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，针对多重介质环境下的偏振传输问题，由于现有蒙特卡洛模拟仿真程序只适用于均匀同一介质，无法对实验测试结果进行验证，本发明在实验测试中采用多层介质模拟系统，通过实验测试其中每一个环境模拟系统内的光学厚度、粒径等参数，建立模拟仿真系统中所需参数，采用逐一计算递推的方法，以前一个环境模拟系统仿真的出射光作为后一个环境模拟系统仿真的入射光，建立各层环境介质之间的联系，使得实验与仿真互相得到验证，使采用传统蒙特卡洛方法仿真非均匀的烟雾介质环境下的偏振传输特性成为可能，且使实验测试的结果准确率得以提高，准确性可以被理论验证，扩展了偏振传输探测的适用范围。
附图说明
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1是本发明环境模拟系统中介质参数测试的示意图。
图2是本发明多层介质偏振传输特性实验测试的示意图。
图中：1-偏振光起偏系统、11-激光器、12-准直系统、13-滤光片、14-线偏振片、15-四分之一波片、2-多层介质模拟系统、3-偏振传输特性探测系统、4-环境模拟系统、5-光功率计。
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明提出的一种多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，其特征是：包括偏振光起偏系统1、多层介质模拟系统2及偏振传输特性探测系统3，偏振光起偏系统1、多层介质模拟系统2及偏振传输特性探测系统3依次设置在光束的传输光路上；
所述偏振光起偏系统1包括激光器11、准直系统12、滤光片13、线偏振片14及四分之一波片15，且以水平方向为基准轴，线偏振片14角度调节范围为0°～360°，四分之一波片15的角度调节范围为0°～360°，或将四分之一波片15移除；
所述多层介质模拟系统2包括环境模拟系统4，环境模拟系统4数量为两个，且沿着光线的传播方向两个环境模拟系统4并列放置，前一个环境模拟系统4的出射窗口对准后一个环境模拟系统4的入射窗口；所述多层介质模拟系统2根据实际测试需要可遵循以上放置原则放置多个环境模拟系统4；
所述偏振传输特性探测系统3包括偏振态测量仪，用于实时探测偏振光的偏振度；
所需设备：安装VC++的计算机系统；
实施例一
多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，包括如下步骤，
步骤一、开启激光器11，光束依次经过准直系统12、滤光片13，产生均匀、准直的平行光，入射到环境模拟系统4中，经环境模拟系统4出射的光束由光功率计5探测未充入任何介质时的光强值Io；
步骤二、向环境模拟系统4中充入油雾，记录充入油雾的时间，待停止充雾后，开始由光功率计5记录经油雾环境后出射的光强值，待光功率计5中探测到的光强值稳定后，说明此时环境模拟系统4中油雾达到稳定，则记录此光强值I；
步骤三、由记录的未充入任何介质时的光强值Io和充入油雾介质后的光强值I计算在此采样时间下的光学厚度τ，如下所示：
Figure GDA0002241593880000051
步骤四、排空在环境模拟系统4中的油雾，沿光线的传输方向将马尔文粒度仪放置在环境模拟系统4内部，再次向环境模拟系统4中充入油雾，充入油雾的时间与步骤二充入油雾的时间相同，确保充入油雾的浓度与步骤二中充入油雾的浓度相同，由马尔文粒度仪测量环境模拟系统4中充入油雾的粒径参数；
步骤五、排空环境模拟系统4中的油雾，把马尔文粒度仪移到不遮挡光线传输方向的任意位置；
步骤六、重复步骤二，此时向环境模拟系统4中充入水雾，再重新进行记录；并重复步骤三，记录水雾环境下的光学厚度；重复步骤四，测量环境模拟系统4中充入水雾的粒径参数；重复步骤五，排空环境模拟系统4中的水雾，将马尔文粒度仪移到不遮挡光线传输方向的任意位置；
步骤七、在滤光片13后放置线偏振片14与四分之一波片15，构成偏振光起偏系统，产生的偏振光入射到多层介质模拟系统2中，多层介质模拟系统2中包括两个环境模拟系统4，第一个环境模拟系统4中充入油雾，且确保充入时间与步骤二中充入油雾的时间一致，第二个环境模拟系统4中充入水雾，且确保充入时间与步骤六中充入水雾的时间一致，待环境稳定后，在多层介质模拟系统2的出射端由偏振态测量仪进行实时记录；
步骤八、根据多层介质模拟系统2中两个环境模拟系统4中烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器11发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、多层介质模拟系统2中第一个环境模拟系统4中油雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及第一个环境模拟系统4中油雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过一层介质环境后的偏振态；
步骤九、重新运行蒙特卡洛程序，将激光器11发射的激光波长、偏振光通过一层介质后的偏振态、多层介质模拟系统2中第二个环境模拟系统4中水雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及二个环境模拟系统4中水雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过两层介质环境后的偏振态；
所述的步骤二中充入油雾的浓度可根据充入油雾的时间进行调节，充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比，即充油雾时间越长，环境模拟系统中油雾的浓度越高。
所述的步骤二中充入的油雾和步骤六中充入的水雾，可根据实际测量需要选择其他烟雾，但测量步骤不变。
上述实施例仅为例示性说明本发明的方法和有益效果，而非用于限制本发明。任何熟悉此方法的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如申请专利范围所列。

Claims (2)

1.多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，其特征在于，该方法采用的光学系统包括偏振光起偏系统(1)、多层介质模拟系统(2)及偏振传输特性探测系统(3)，偏振光起偏系统(1)、多层介质模拟系统(2)及偏振传输特性探测系统(3)依次设置在光束的传输光路上；
所述偏振光起偏系统(1)由激光器(11)、准直系统(12)、滤光片(13)、线偏振片(14)及四分之一波片(15)组成，且以水平方向为基准轴，线偏振片(14)角度调节范围为0°～360°，四分之一波片(15)的角度调节范围为0°～360°，或将四分之一波片(15)移除；
所述多层介质模拟系统(2)包括环境模拟系统(4)，环境模拟系统(4)数量为N个，N≥2，N个环境模拟系统(4)沿着光线的传播方向并列放置，相邻两个环境模拟系统(4)，前一个环境模拟系统(4)的出射窗口对准后一个环境模拟系统(4)的入射窗口；
所述偏振传输特性探测系统(3)包括偏振态测量仪，用于实时探测偏振光的偏振度；
具体包括如下步骤：
步骤一、沿着光线的传播方向,激光器(11)、准直系统(12)、滤光片(13)及环境模拟系统(4)顺次布置，开启激光器(11)，光束依次经过准直系统(12)、滤光片(13)及环境模拟系统(4)后射出，由光功率计(5)探测出射光束的光强值，记录未充入任何介质时出射光束的光强值Io；
步骤二、向步骤一所述的环境模拟系统(4)中充入烟雾，记录充入烟雾的时间，待停止充入烟雾后，由光功率计(5)探测经烟雾环境后出射光束的光强值，待光功率计(5)探测到的光强值稳定后，记录经烟雾环境后出射光束的光强值I；
步骤三、通过步骤一得到的未充入任何介质时出射光束的光强值Io和步骤二得到的经烟雾环境后出射光束的光强值I，获得在烟雾环境下的光学厚度τ，
Figure FDA0002241593870000011
步骤四、排空环境模拟系统(4)中的烟雾，沿光线的传输方向将马尔文粒度仪放置在环境模拟系统(4)内部，再次向环境模拟系统(4)中充入烟雾，充入烟雾的时间与步骤二充入烟雾的时间相同，由马尔文粒度仪测量环境模拟系统(4)中充入烟雾的粒径参数；
步骤五、排空环境模拟系统(4)中的烟雾，把马尔文粒度仪移到不遮挡光线传输方向的任意位置；
步骤六、重复步骤二到步骤五，重复次数为(N-1)次，N≥2,且每次向环境模拟系统(4)充入不同种类的烟雾，同时不同于步骤二到步骤五环境模拟系统中充入的烟雾，得到(N-1)个经烟雾环境后出射光束的光强值，(N-1)个烟雾环境下的光学厚度,(N-1)个环境模拟系统(4)中充入烟雾的粒径参数；
步骤七、经过步骤一到步骤六，得到N个经烟雾环境后出射光束的光强值，N个烟雾环境下的光学厚度，N个环境模拟系统(4)中充入烟雾的粒径参数；
步骤八、在步骤一所述的滤光片(13)后放置线偏振片(14)与四分之一波片(15)，对滤光片(3)出射的光束进行起偏，获得的偏振光入射到多层介质模拟系统(2)，同时向多层介质模拟系统(2)中的N个环境模拟系统(4)内充入烟雾，每个环境模拟系统(4)中充入一种烟雾，第一个环境模拟系统(4)充入第一种烟雾，第一种烟雾与步骤一到步骤五所述的烟雾种类一致，且第一种烟雾的充入时间与步骤二中充入烟雾的时间相同保持一致，依次类推，第N个环境模拟系统(4)充入第N种烟雾，且第N种烟雾的充入时间与步骤六中所述的任意一种烟雾充入时间保持一致，在多层介质模拟系统(2)的出射端由偏振态测量仪进行实时记录；
步骤九、根据N个环境模拟系统(4)中烟雾的成分，查找折射率表，找到对应烟雾的折射率，将激光器(11)发射的激光波长、入射偏振光的偏振态、第一个环境模拟系统(4)中烟雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及第一个环境模拟系统(4)中烟雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过一层介质环境后的偏振态；
步骤十、重新运行蒙特卡洛程序，将激光器(11)发射的激光波长、偏振光通过一层介质后的偏振态、第二个环境模拟系统(4)中烟雾的折射率及马尔文粒度仪测得的粒径，以及第二个环境模拟系统(4)中烟雾的光学厚度值依次输入到蒙特卡洛模拟程序中，用于计算机模拟偏振光通过两层介质环境后的偏振态，依次类推，进行迭代，用于计算机模拟偏振光通过N层介质环境后的偏振态。
2.根据权利要求1所述的多层介质偏振传输特性实验测试与计算机仿真的验证方法，其特征在于：所述的步骤二中充入烟雾的浓度根据充入烟雾的时间进行调节，充入烟雾的浓度与充入烟雾的时间成正比。
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