本發(fā)明屬于成像探測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

由于城市的不斷擴(kuò)張與工業(yè)的急速發(fā)展，高密度人口的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)活動(dòng)必然會(huì)排放大量細(xì)顆粒物，一旦排放超出了大氣本身凈化循環(huán)的能力與承受的范圍，細(xì)顆粒粒子的濃度會(huì)不斷增加積聚，再加上受到氣壓溫度等氣候環(huán)境影響，特別容易引起大范圍霧霾天氣，這種由灰塵與水相互包裹形成的灰霾粒子，降低了探測(cè)系統(tǒng)的精度，影響了成像系統(tǒng)對(duì)比度，

形成了低對(duì)比度環(huán)境。偏振成像相比于可見光成像增加了偏振維度信息，在低對(duì)比度環(huán)境下探測(cè)具有很大優(yōu)勢(shì)。因此，研究灰霾環(huán)境下的粒子偏振散射特性是十分必要的。

在灰霾粒子偏振散射特性測(cè)試方面，國(guó)外開展研究較早，美國(guó)進(jìn)行了圓偏振光主動(dòng)照射真實(shí)煙霧環(huán)境實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明能顯著增加煙中的對(duì)比度達(dá)40％。以色列自上世紀(jì)末開始進(jìn)行基于線偏振成像技術(shù)的去霧原理研究和實(shí)驗(yàn)，在十幾年間陸續(xù)發(fā)表了多篇文章，其試驗(yàn)結(jié)果表明在薄霧的情況下，利用線偏振去霧可顯著提高目標(biāo)對(duì)比度達(dá)40％和探測(cè)距離20公里。美國(guó)和以色列聯(lián)合進(jìn)行了渾濁液體中的線偏振主動(dòng)照射成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中等散射條件下，線偏振主動(dòng)照射可以增加目標(biāo)對(duì)比度。通過以上研究可以看出，利用偏振特性進(jìn)行成像探測(cè)可有效提升探測(cè)精度。

國(guó)內(nèi)開展相對(duì)滯后，很多高校對(duì)渾濁介質(zhì)中的偏振光傳輸特性做了數(shù)值仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究。北京師范大學(xué)對(duì)散射光偏振特性進(jìn)行了分析，選取intralipid溶液(山東魯抗辰欣藥業(yè)有限公司)生產(chǎn)作為散射介質(zhì)，掃描電鏡分析該溶液為球形散射顆粒。北京理工大學(xué)研究了532nm，650nm和780nm的后向散射光的偏振度特性，其散射粒子為理想球形的脂肪乳劑液。2015年長(zhǎng)春理工大學(xué)針對(duì)非球形橢球粒子對(duì)單次散射特性影響開展了仿真計(jì)算，但缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。目前只有球形粒子的多次散射問題能夠進(jìn)行計(jì)算，開展的實(shí)驗(yàn)也都是針對(duì)球形粒子的偏振散射特性研究，但是灰霾粒子是由空氣中水汽包裹灰塵形成的，并非球形粒子，在假設(shè)為理想的均勻球型同性粒子的同時(shí)也忽略掉了真實(shí)散射介質(zhì)的異常有用偏振信息，由于將散射介質(zhì)粒子假設(shè)為均勻球型各項(xiàng)同性僅限于在理論上獲得較高計(jì)算精度，與實(shí)際情況存在一定差異，使其在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用受限，若要將均勻球型同性的偏振傳輸理論應(yīng)用于低對(duì)比度偏振成像，甚至擴(kuò)展到煙塵、霧霾、揚(yáng)沙等復(fù)雜環(huán)境，需要在保證偏振傳輸理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，消除假設(shè)為理想介質(zhì)的弊端，即發(fā)揮了偏振成像探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，又提升了其適應(yīng)性。因此不能將灰霾粒子籠統(tǒng)的近似為球形進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，而且目前氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生粒子形狀均為球形，與真實(shí)灰霾環(huán)境存在很大差異，對(duì)定性定量的研究非球型灰霾粒子的偏振散射特性帶來一定困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了獲取灰霾粒子的偏振光散射特性，解決灰霾粒子造成的探測(cè)距離下降的問題，提高目標(biāo)識(shí)別信息的正確率，本發(fā)明提出了一種基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球形灰霾粒子模擬，可控制粒子形狀，粒子能見度，可定性定量的研究灰霾粒子對(duì)偏振光傳輸特性的影響，為霧霾環(huán)境偏振探測(cè)提供了更為可靠的理論依據(jù)。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，其特征是：該方法采用的系統(tǒng)包括主動(dòng)偏振光發(fā)射器、灰霾環(huán)境室、偏振特性分析裝置及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述主動(dòng)偏振光發(fā)射器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，主動(dòng)偏振光發(fā)射器包含偏振光產(chǎn)生裝置與望遠(yuǎn)鏡，其中偏振光產(chǎn)生裝置由沿光路順次設(shè)置的偏振器、電控液晶相位器及濾光片組成，且偏振器、電控液晶相位器及濾光片同光軸布置；所述望遠(yuǎn)鏡放置在偏振光產(chǎn)生裝置的出射光路上；所述灰霾環(huán)境室與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，灰霾環(huán)境室為中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁面為光滑平整結(jié)構(gòu)，灰霾環(huán)境室內(nèi)部布置有灰霾環(huán)境模擬裝置及粒子監(jiān)測(cè)裝置，灰霾環(huán)境室的側(cè)壁上開設(shè)有光學(xué)窗口ⅰ與光學(xué)窗口ⅱ，且光學(xué)窗口ⅰ與光學(xué)窗口ⅱ沿灰霾環(huán)境室徑向正對(duì)布置，光學(xué)窗口ⅰ正對(duì)主動(dòng)偏振光發(fā)射器，光學(xué)窗口ⅱ正對(duì)偏振特性分析裝置；所述偏振特性分析裝置包括液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀、旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置及非偏振分光棱鏡npbs，液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀和旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置分別與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，其中液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀位于非偏振分光棱鏡npbs的反射光路上，旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置位于非偏振分光棱鏡npbs的透射光路上，旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置包括四分之一波片、檢偏片及光功率計(jì)，

所述四分之一波片、檢偏片及光功率計(jì)沿光路順次布置；

具體通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、光束入射到主動(dòng)偏振光發(fā)射器，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制主動(dòng)偏振光發(fā)射器對(duì)入射光束進(jìn)行起偏，得到偏振光；

步驟二、通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制灰霾環(huán)境室中的灰霾環(huán)境，并由粒子監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)灰霾環(huán)境中非球形灰霾粒子的粒徑分布；

步驟三、將步驟一獲得的偏振光入射到經(jīng)步驟二處理的灰霾環(huán)境室內(nèi)產(chǎn)生散射光，散射光從灰霾環(huán)境室射出后入射到偏振特性分析裝置；

步驟四、偏振特性分析裝置接收灰霾環(huán)境室出射的散射光并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理散射光信息，從而獲得光束經(jīng)非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。

優(yōu)選的，所述灰霾環(huán)境室的直徑為2米。

進(jìn)一步，步驟一中所述入射光束為波長(zhǎng)范圍為380nm～800nm激光束。

通過上述設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可以帶來如下有益效果：

1、本發(fā)明提出的基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，可以定性定量的分析出灰霾粒子對(duì)可見光偏振信息消光退偏特性，可以解算出經(jīng)過不同能見度灰霾與不同形狀灰霾粒子的偏振光退偏度。

2、本發(fā)明提出的基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，可以模擬出不同能見度與不同長(zhǎng)短軸比的非球形灰霾粒子，相比于市面上的氣溶膠產(chǎn)生裝置均為球形顆粒而言本方法產(chǎn)生的粒子更接近真實(shí)灰霾環(huán)境，在這種環(huán)境下開展偏振特性研究利于提高偏振探測(cè)精度。

3、本發(fā)明提出的基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，可以對(duì)不同能見度與粒子長(zhǎng)短軸比的灰霾環(huán)境粒子偏振散射特性進(jìn)行多次測(cè)量，屏蔽外界干擾，利于定性定量的獲取不同能見度與長(zhǎng)短軸比條件下的灰霾粒子散射特性。

4、本發(fā)明首次采用液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀與旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置進(jìn)行相互驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果，可以有效確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說明

以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1本發(fā)明基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-主動(dòng)偏振光發(fā)射器、11-偏振光產(chǎn)生裝置、111-偏振器、112-電控液晶相位器、113-濾光片、12-望遠(yuǎn)鏡、2-灰霾環(huán)境室、21-灰霾環(huán)境模擬裝置、22-粒子監(jiān)測(cè)裝置、23-光學(xué)窗口ⅰ、24-光學(xué)窗口ⅱ、3-偏振特性分析裝置、31-液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀、32-旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置、321-四分之一波片、322-檢偏片、323-光功率計(jì)、33-非偏振分光棱鏡npbs、4-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，其所需條件和實(shí)現(xiàn)步驟如下：

所需條件：

該方法采用的系統(tǒng)包括主動(dòng)偏振光發(fā)射器1、灰霾環(huán)境室2、偏振特性分析裝置3及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4，所述主動(dòng)偏振光發(fā)射器1與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4連接，主動(dòng)偏振光發(fā)射器1包含偏振光產(chǎn)生裝置11與望遠(yuǎn)鏡12，其中偏振光產(chǎn)生裝置11由沿光路順次設(shè)置的偏振器111、電控液晶相位器112及濾光片113組成，且偏振器111、電控液晶相位器112及濾光片113同光軸布置；所述望遠(yuǎn)鏡12放置在偏振光產(chǎn)生裝置11的出射光路上；主動(dòng)偏振光發(fā)射器1可以通過調(diào)整偏振器111與電控液晶相位器112的光軸夾角可以實(shí)現(xiàn)圓偏振光與線偏振光的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的偏振信息控制，產(chǎn)生的偏振光通過望遠(yuǎn)鏡12進(jìn)入灰霾環(huán)境室2，所述灰霾環(huán)境室2與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4連接，灰霾環(huán)境室2為中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁面為光滑平整結(jié)構(gòu)，灰霾環(huán)境室2內(nèi)部布置有灰霾環(huán)境模擬裝置21及粒子監(jiān)測(cè)裝置22，灰霾環(huán)境模擬裝置21可以實(shí)現(xiàn)灰霾粒子的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子形狀，灰霾能見度的控制并且通過粒子監(jiān)測(cè)裝置22可以定量定性的監(jiān)測(cè)灰霾粒子，灰霾環(huán)境室2的側(cè)壁上開設(shè)有光學(xué)窗口ⅰ23與光學(xué)窗口ⅱ24，且光學(xué)窗口ⅰ23與光學(xué)窗口ⅱ24沿灰霾環(huán)境室2徑向正對(duì)布置，光學(xué)窗口ⅰ23正對(duì)主動(dòng)偏振光發(fā)射器1，光學(xué)窗口ⅱ24正對(duì)偏振特性分析裝置3；灰霾環(huán)境室2的直徑2米，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于灰霾粒子偏振散射特性測(cè)試；所述偏振特性分析裝置3包括液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀31、旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置32及非偏振分光棱鏡npbs33，液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀31和旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置32分別與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4連接，其中液晶型偏振態(tài)測(cè)試儀31位于非偏振分光棱鏡npbs33的反射光路上，旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置32位于非偏振分光棱鏡npbs33的透射光路上，旋轉(zhuǎn)偏振片型偏振態(tài)分析裝置32包括四分之一波片321、檢偏片322及光功率計(jì)323，所述四分之一波片321、檢偏片322及光功率計(jì)323沿光路順次布置；

實(shí)現(xiàn)步驟：

步驟一、通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4控制主動(dòng)偏振光發(fā)射器1產(chǎn)生所需的偏振態(tài)偏振角的偏振光；

步驟二、通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4設(shè)置灰霾環(huán)境模擬室2中的灰霾環(huán)境模擬裝置21的參數(shù)(灰霾環(huán)境能見度與灰霾粒子長(zhǎng)短軸比)，同時(shí)，

通過粒子監(jiān)測(cè)裝置22實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灰霾粒子粒徑分布；

步驟三、主動(dòng)偏振光發(fā)射器1產(chǎn)生所需偏振光入射到灰霾環(huán)境模擬室2內(nèi)產(chǎn)生散射光，散射光從灰霾環(huán)境室2射出后入射到偏振特性分析裝置3；

步驟四、偏振特性分析裝置3接收從灰霾環(huán)境模擬室2出射的散射光，經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4處理散射光信息，采用非球形粒子的仿真程序解算出經(jīng)由非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。

實(shí)施例1

若要測(cè)量長(zhǎng)短軸比為1:2的灰霾粒子對(duì)532nm偏振光的散射效應(yīng)，具體測(cè)量方法：

步驟一、通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4控制主動(dòng)偏振光發(fā)射器1產(chǎn)生所需的偏振態(tài)偏振角的偏振光；

步驟二、通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4設(shè)置灰霾環(huán)境模擬室2中的灰霾環(huán)境模擬裝置21的參數(shù)(灰霾環(huán)境能見度與灰霾粒子長(zhǎng)短軸比為2:1)，即可通過控制灰霾環(huán)境模擬裝置21中的靈芝碳化粉末與甘油的混合比，形成非球形的灰霾粒子，同時(shí)，通過粒子監(jiān)測(cè)裝置22實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灰霾粒子粒徑分布；

步驟三、主動(dòng)偏振發(fā)射器1產(chǎn)生所需偏振光入射到灰霾環(huán)境模擬室2內(nèi)產(chǎn)生散射光，散射光從灰霾環(huán)境室2射出后入射到偏振特性分析裝置3；

步驟四、偏振特性分析裝置3接收從灰霾環(huán)境模擬室2出射的散射光，經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4處理散射光信息，采用非球形粒子的仿真程序解算出經(jīng)由非球形灰霾粒子散射后的偏振特性信息。

若要模擬相同波長(zhǎng)偏振光在不同長(zhǎng)短軸比的灰霾粒子環(huán)境中散射特性，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4重新設(shè)定灰霾粒子長(zhǎng)短軸比，重復(fù)以上步驟。

綜上，本發(fā)明中提出的基于偏振探測(cè)的灰霾粒子散射效應(yīng)的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球形灰霾粒子的模擬，可控制粒子形狀，粒子能見度，可定性定量的研究灰霾粒子對(duì)偏振光傳輸特性的影響，為霧霾環(huán)境偏振探測(cè)提供了更為可靠的理論依據(jù)。

上述實(shí)施例僅為例示性說明本發(fā)明的方法和有益效果，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此方法的人士均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如申請(qǐng)專利范圍所列。