本發(fā)明涉及一種適用于遙感偏振探測(cè)、基于磷酸二氘鉀(kd^*p)晶體調(diào)制實(shí)現(xiàn)的線偏振分析器以及基于此線偏振分析器實(shí)現(xiàn)的偏振測(cè)量方法，屬于遙感偏振技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于kd^*p晶體調(diào)制的線偏振分析器是目前典型的一種偏振測(cè)量?jī)x器，其主要是用于太陽(yáng)日冕的測(cè)量。傳統(tǒng)的kd^*p型線偏振分析器主要由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的1/4波片、一個(gè)kd^*p調(diào)制器和一個(gè)檢偏器組成。測(cè)量時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)1/4波片選擇入射光的兩個(gè)線偏振參數(shù)q和u，再通過(guò)kd^*p調(diào)制器和檢偏器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)線偏振參數(shù)的調(diào)制和解調(diào)。從實(shí)際實(shí)施中可以看到，上述傳統(tǒng)偏振測(cè)量方法的最大缺點(diǎn)在于，stokes參數(shù)(i、q、u)的獲得需要操作1/4波片使其旋轉(zhuǎn)，而1/4波片的旋轉(zhuǎn)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)控制的，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的響應(yīng)速度很大程度上限制了線偏振分析器的測(cè)量速度，因此在實(shí)際測(cè)量中，獲得一組線偏振stokes參數(shù)的速度較慢，不能充分利用kd^*p晶體的高調(diào)制頻率(幾十khz)，無(wú)法獲得快速變化的偏振信號(hào)且受大氣湍流影響較大，降低了偏振測(cè)量靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于磷酸二氘鉀調(diào)制的線偏振分析器及基于此線偏振分析器實(shí)施的偏振測(cè)量方法，其使用兩個(gè)固定的kd^*p調(diào)制器替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加kd^*p調(diào)制方式，入射光束射入便開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量速度快、靈敏度高，充分利用了kd^*p晶體的高調(diào)制頻率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種基于磷酸二氘鉀調(diào)制的線偏振分析器，其特征在于：它包括沿同一光軸依次排列的第一kd^*p調(diào)制器、第二kd^*p調(diào)制器、1/4波片、檢偏器、成像透鏡和探測(cè)器；探測(cè)器將探測(cè)獲得的光強(qiáng)值輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行線偏振stokes參數(shù)的計(jì)算；信號(hào)發(fā)生器對(duì)交流高壓調(diào)制器的運(yùn)行進(jìn)行控制，通過(guò)交流高壓調(diào)制器對(duì)第一kd^*p調(diào)制器、第二kd^*p調(diào)制器的頻率、相位實(shí)現(xiàn)調(diào)制；計(jì)算機(jī)對(duì)同步控制器的運(yùn)行進(jìn)行控制，同步控制器對(duì)信號(hào)發(fā)生器和探測(cè)器進(jìn)行同步控制，以使第一、第二kd^*p調(diào)制器在交流高壓調(diào)制器作用下的頻率、相位調(diào)制與探測(cè)器的光探測(cè)同步完成。

所述信號(hào)發(fā)生器借由所述交流高壓調(diào)制器以倍頻關(guān)系調(diào)制所述第一kd^*p調(diào)制器和所述第二kd^*p調(diào)制器，所述第一kd^*p調(diào)制器、所述第二kd^*p調(diào)制器的相位延遲以±90°變換進(jìn)行調(diào)制。

所述光軸定義為z軸，與z軸垂直的豎直平面為xy平面，在水平面內(nèi)與z軸垂直的軸線定義為x軸，與x軸垂直的軸線定義為y軸，其中：所述檢偏器、所述第二kd*p調(diào)制器、所述第一kd*p調(diào)制器三者的快軸方位角均處于xy平面內(nèi)定義的第一象限內(nèi)，其中，所述檢偏器快軸的方位角為0度，所述第一kd*p調(diào)制器快軸的方位角是所述第二kd*p調(diào)制器快軸的方位角的三倍，所述1/4波片快軸的方位角與所述第一kd*p調(diào)制器快軸的方位角相同。

較佳地，所述第二kd*p調(diào)制器快軸、所述第一kd*p調(diào)制器快軸相對(duì)于所述檢偏器快軸的夾角分別為22.5度、67.5度。

所述第一kd^*p調(diào)制器、所述第二kd^*p調(diào)制器包括z向切割而成的kd^*p晶體。

所述1/4波片為云母或石英，所述檢偏器為二向色性起偏器或雙折射起偏器，所述探測(cè)器為光電二極管或光電倍增管或ccd圖像傳感器。

一種基于所述的基于磷酸二氘鉀調(diào)制的線偏振分析器實(shí)現(xiàn)的偏振測(cè)量方法，其特征在于，它包括步驟：

1)調(diào)整所述第一kd^*p調(diào)制器、所述第二kd^*p調(diào)制器、所述1/4波片和所述檢偏器的方位角；

2)設(shè)定所述交流高壓調(diào)制器的高電壓以及頻率輸出；

3)設(shè)定所述信號(hào)發(fā)生器調(diào)制所述第一kd^*p調(diào)制器與所述第二kd^*p調(diào)制器之間的倍頻關(guān)系，設(shè)定以±90°變換調(diào)制所述第一kd^*p調(diào)制器、所述第二kd^*p調(diào)制器的相位延遲；

3)所述同步控制器同步控制所述信號(hào)發(fā)生器和所述探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)所述第一kd^*p調(diào)制器、所述第二kd^*p調(diào)制器的調(diào)制與所述探測(cè)器的光信號(hào)采集之間的同步；

4)所述探測(cè)器基于接收的代表4個(gè)線性無(wú)關(guān)的調(diào)制光狀態(tài)計(jì)算出4個(gè)光強(qiáng)值，并將4個(gè)光強(qiáng)值傳送給所述計(jì)算機(jī)，其中，4個(gè)光強(qiáng)值分別記為i1、i2、i3、i4；

5)所述計(jì)算機(jī)通過(guò)下式1)-4)計(jì)算出線偏振stokes參數(shù)：

i＝(i1+i2+i3+i4)/41)

q＝(i1-i2)/22)

u＝(i3-i4)/23)

sin＝[iqu]^t4)

上式中：sin為stokes參數(shù)，i為總光強(qiáng)，q為水平線偏振分量與垂直線偏振分量之差，u為45度線偏振分量與135度線偏振分量之差。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明線偏振分析器結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用，使用兩個(gè)固定的kd^*p調(diào)制器替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加kd^*p調(diào)制方式，不存在需要旋轉(zhuǎn)的部件，入射光束射入后便開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量速度快，調(diào)制速度快，測(cè)量靈敏度高，充分利用了kd^*p晶體的高調(diào)制頻率。

2、本發(fā)明運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便、簡(jiǎn)單，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)即可完成測(cè)量，無(wú)需人工參與繁瑣的操作，測(cè)量準(zhǔn)確性高，測(cè)量效率高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明線偏振分析器的構(gòu)成原理圖。

圖2是本發(fā)明定義的方位坐標(biāo)圖。

圖3是檢偏器、第一kd^*p調(diào)制器、第二kd^*p調(diào)制器和1/4波片的擺放方位角說(shuō)明圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于磷酸二氘鉀(kd^*p)調(diào)制的線偏振分析器包括沿同一光軸依次排列的第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12、1/4波片13、檢偏器14、成像透鏡15和探測(cè)器16；探測(cè)器16將探測(cè)獲得的光強(qiáng)值輸送給計(jì)算機(jī)17進(jìn)行線偏振stokes參數(shù)的計(jì)算；信號(hào)發(fā)生器19對(duì)交流高壓調(diào)制器18的運(yùn)行進(jìn)行控制，通過(guò)交流高壓調(diào)制器18對(duì)第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12的頻率、相位實(shí)現(xiàn)調(diào)制；計(jì)算機(jī)17對(duì)同步控制器10的運(yùn)行進(jìn)行控制，同步控制器10對(duì)信號(hào)發(fā)生器19和探測(cè)器16進(jìn)行同步控制，以使第一、第二kd^*p調(diào)制器11、12在交流高壓調(diào)制器18作用下的頻率、相位調(diào)制與探測(cè)器16的光探測(cè)在同一時(shí)間內(nèi)同步完成。

如圖，計(jì)算機(jī)17向同步控制器10發(fā)出測(cè)量指令，而后同步控制器10同步控制信號(hào)發(fā)生器19和探測(cè)器16工作，以使第一、第二kd^*p調(diào)制器11、12受交流高壓調(diào)制器18實(shí)現(xiàn)頻率和相位調(diào)節(jié)與探測(cè)器16實(shí)現(xiàn)光探測(cè)這兩個(gè)動(dòng)作同步執(zhí)行。于是，射入的入射光束依次通過(guò)第一、第二kd^*p調(diào)制器11、12、1/4波片13、檢偏器14和成像透鏡15后被探測(cè)器16接收，探測(cè)器16將其處理后得到的光強(qiáng)值結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)17進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便求取線偏振stokes參數(shù)。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，信號(hào)發(fā)生器19借由交流高壓調(diào)制器18以倍頻關(guān)系調(diào)制第一kd^*p調(diào)制器11和第二kd^*p調(diào)制器12，例如優(yōu)選地，第二kd^*p調(diào)制器12的頻率為兩倍的第一kd^*p調(diào)制器11的頻率，即若第一kd^*p調(diào)制器11的頻率為f，則第二kd^*p調(diào)制器12的頻率為2f。第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12的相位延遲以±90°變換進(jìn)行調(diào)制，即設(shè)定第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12的相位延遲均為90°，在交流高壓調(diào)制下分別在[90°90°]、[90°-90°]、[-90°90°]、[-90°-90°]之間變換，從而實(shí)施相位調(diào)制。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，1/4波片13的相位延遲可設(shè)定為90°。

在本發(fā)明中，光軸定義為z軸，與z軸垂直的豎直平面為xy平面，在水平面內(nèi)與z軸垂直的軸線定義為x軸，與x軸垂直的軸線定義為y軸，其中：檢偏器14快軸、第二kd*p調(diào)制器12快軸、第一kd*p調(diào)制器11快軸三者的方位角均處于xy平面內(nèi)定義的第一象限(或說(shuō)同一象限內(nèi))內(nèi)，其中，檢偏器14快軸的方位角為0度，即檢偏器14快軸的方位角沿x軸正向方向設(shè)置，第一kd*p調(diào)制器11快軸的方位角是三倍的第二kd*p調(diào)制器12快軸的方位角，1/4波片13快軸的方位角與第一kd*p調(diào)制器11快軸的方位角相同。

換句話說(shuō)，本發(fā)明采用圖2所示的三維坐標(biāo)系：

入射光束的傳播方向定義為z軸正向，即第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12、1/4波片13、檢偏器14、成像透鏡15和探測(cè)器16以z軸(光軸)同軸設(shè)置，在水平面內(nèi)與z軸垂直的軸線定義為x軸，x軸正向可定義為朝向紙面，與z軸、x軸均垂直的軸線定義為y軸，即xy平面與z軸垂直，y軸正向可定義為朝上，于是xy平面的第一象限便限定出。

如圖3，圖中示出了檢偏器14快軸、第二kd*p調(diào)制器12快軸、第一kd*p調(diào)制器11快軸和1/4波片13快軸在定義的xy平面第一象限內(nèi)的方位角設(shè)置。

優(yōu)選地，第二kd*p調(diào)制器12快軸、第一kd*p調(diào)制器11快軸相對(duì)于檢偏器14快軸的夾角分別為22.5度(參見(jiàn)圖3中點(diǎn)劃線所示)、67.5度(參見(jiàn)圖3中虛線所示)。

在本發(fā)明中，光矢量傳播速度快的方向定義為快軸，與快軸垂直的方向定義為慢軸，快軸、慢軸為本領(lǐng)域的熟知光學(xué)概念。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12包括z向切割而成的kd^*p晶體(磷酸二氘鉀晶體)。

1/4波片13采用云母或石英或其它材料的波片。

檢偏器14采用二向色性起偏器或雙折射起偏器。

成像透鏡15采用熟知透鏡。

探測(cè)器16采用光電二極管或光電倍增管或ccd圖像傳感器，在實(shí)際中優(yōu)選ccd圖像傳感器。

基于上述本發(fā)明磷酸二氘鉀調(diào)制的線偏振分析器，本發(fā)明還提出了一種偏振測(cè)量方法，它包括步驟：

1)調(diào)整第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12、1/4波片13和檢偏器14的方位角；

2)設(shè)定交流高壓調(diào)制器18的高電壓以及頻率f輸出，高電壓范圍控制在700v-2000v之間，例如選取輸出電壓為900v，頻率范圍控制在10hz-75hz之間，例如選取輸出頻率f為30hz；

3)設(shè)定信號(hào)發(fā)生器19調(diào)制第一kd^*p調(diào)制器11與第二kd^*p調(diào)制器12之間的倍頻關(guān)系，設(shè)定以±90°變換調(diào)制第一kd*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12的相位延遲；

3)計(jì)算機(jī)17發(fā)出測(cè)量指令，同步控制器10發(fā)出脈沖信號(hào)，同步控制信號(hào)發(fā)生器19和探測(cè)器16，實(shí)現(xiàn)第一kd^*p調(diào)制器11、第二kd^*p調(diào)制器12的調(diào)制與探測(cè)器16的光信號(hào)采集之間的同步；

4)入射光束依次通過(guò)第一、第二kd^*p調(diào)制器11、12、1/4波片13、檢偏器14和成像透鏡15后被探測(cè)器16接收，探測(cè)器16基于接收的代表4個(gè)線性無(wú)關(guān)的調(diào)制光狀態(tài)計(jì)算出4個(gè)光強(qiáng)值，并將這4個(gè)光強(qiáng)值傳送給計(jì)算機(jī)17，其中，4個(gè)光強(qiáng)值分別記為i1、i2、i3、i4；

5)計(jì)算機(jī)17通過(guò)下式1)-4)計(jì)算出可全面描述入射光束偏振態(tài)和光強(qiáng)度的線偏振stokes參數(shù)(斯托克斯參數(shù))：

i＝(i1+i2+i3+i4)/41)

q＝(i1-i2)/22)

u＝(i3-i4)/23)

sin＝[iqu]^t4)

上式中：sin為stokes參數(shù)，i為總光強(qiáng)，q為水平線偏振分量與垂直線偏振分量之差，u為45度線偏振分量與135度線偏振分量之差，式4)中的t表示轉(zhuǎn)置矩陣。

本發(fā)明偏振測(cè)量方法的實(shí)施原理為：

設(shè)定入射光束的stokes參數(shù)sin為[iqu]^t，設(shè)定調(diào)制頻率為f，調(diào)整交流高壓調(diào)制器18的輸出電壓，令第一、第二kd*p調(diào)制器11、12的相位延遲為90°。于是，計(jì)算機(jī)17通過(guò)同步控制器10同步控制探測(cè)器16和信號(hào)發(fā)生器19，信號(hào)發(fā)生器19分別以f和2f兩倍頻關(guān)系調(diào)制第一、第二kd*p調(diào)制器11、12。

于是，當(dāng)入射光束射入，經(jīng)由第一、第二kd*p調(diào)制器11、12、1/4波片13、檢偏器14調(diào)制后，通過(guò)成像透鏡15后被探測(cè)器16接收。

根據(jù)偏振光學(xué)的mueller矩陣(米勒矩陣)理論，探測(cè)器16接收的光強(qiáng)i可表達(dá)為下式5)：

i＝[100]mar(-θ1)m1/4r(θ1)r(-θ2)mkd*p2r(θ2)r(-θ1)mkd*p1r(θ1)[iqu]^t5)

式5)中：

r(θ1)、r(-θ1)、r(θ2)、r(-θ2)分別為旋轉(zhuǎn)矩陣，ma、m1/4、mkd*p2、mkd*p1分別為檢偏器14、1/4波片13、第二kd^*p調(diào)制器12、第一kd^*p調(diào)制器11的mueller矩陣，且上述矩陣采用下式表示：

其中：θ1為第一kd*p調(diào)制器11和1/4波片13的快軸在xy平面內(nèi)的方位角，θ2為第二kd*p調(diào)制器12的快軸在xy平面內(nèi)的方位角，例如θ1＝67.5°，θ2＝22.5°；δ1、δ2和δ1/4分別為第一kd*p調(diào)制器11、第二kd*p調(diào)制器12和1/4波片13的相位延遲。

在探測(cè)器16中進(jìn)行如下計(jì)算：

a)當(dāng)δ1＝90°，δ2＝90°，δ1/4＝90°時(shí)，探測(cè)器16得到的光強(qiáng)值i1＝i+q；

b)當(dāng)δ1＝90°，δ2＝-90°，δ1/4＝90°時(shí)，探測(cè)器16得到的光強(qiáng)值i2＝i-q；

c)當(dāng)δ1＝-90°，δ2＝90°，δ1/4＝90°時(shí)，探測(cè)器16得到的光強(qiáng)值i3＝i+u；

d)當(dāng)δ1＝-90°，δ2＝-90°，δ1/4＝90°時(shí)，探測(cè)器16得到的光強(qiáng)值i4＝i-u；

于是，在計(jì)算機(jī)17中，stokes參數(shù)sin由下式計(jì)算得到：

i＝(i1+i2+i3+i4)/41)

q＝(i1-i2)/22)

u＝(i3-i4)/23)

sin＝[iqu]^t4)

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明線偏振分析器結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用，使用兩個(gè)固定的kd^*p調(diào)制器替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)kd^*p調(diào)制方式，不存在需要旋轉(zhuǎn)的部件，入射光束射入后便開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量速度快，調(diào)制速度快，測(cè)量靈敏度高，充分利用了kd^*p晶體的高調(diào)制頻率。

2、本發(fā)明運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便、簡(jiǎn)單，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)即可完成測(cè)量，無(wú)需人工參與繁瑣的操作，測(cè)量準(zhǔn)確性高，測(cè)量效率高。

以上所述是本發(fā)明較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見(jiàn)的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。