用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法

摘要

本发明涉及用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法，属于偏振传输探测领域。包括发射系统、烟雾环境模拟系统、分光系统、接收系统、计算机处理系统，针对烟雾气体介质在测试中出现沉降等不稳定的现象，尽量减少实验操作步骤，保证四路接收系统同时接收探测，将现有最少操作的十六种组合的测试方法，减少为四次操作，实现对蒙特卡洛仿真得到的穆勒矩阵中十六个散射图样的快速、准确验证。本发明可根据实际测试需要，选择相应烟雾粒径、湿度、温度、浓度等不同测试条件的烟雾介质，并根据操作者的计算习惯，调节发射系统与接收系统中线偏振片与四分之一波片的组合方式，操作简便、易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法，属 于偏振传输探测领域。

背景技术

目前城市污染所导致雾霾天气日益严重的现象，使得环境中某些介质对光 的吸收和散射产生衰减作用，为了研究光子与烟雾介质中粒子的作用过程，对 大量光子采用蒙特卡洛的计算机模拟方法，得到烟雾环境穆勒矩阵中16个元素 的仿真图样。该模拟方法与其他方法相比，具有条件限制影响小、操作简便， 仿真误差小等优点。

为了验证仿真结果的正确性，采用实际的实验方法得到散射图样，进行对 比。由于需要对穆勒矩阵中的16个散射图样依次进行验证，则实验中至少需要 16种组合才能充分表达穆勒矩阵中各元素。Hielscher和国防科技大学分别采 用49种和36种组合完成对液体反射的背向散射图样测试，福建师范大学以起 偏片和检偏片分别调节为水平、垂直、+45°线偏和右旋圆偏方向的16种组合得 到液体样品穆勒矩阵图样，节省了大量的实验过程。但在实验中，由于每一次 调节对探测结果精确性的影响和记录的不同时性，使得测量精度下降，难以满 足对计算机仿真结果验证的准确性高的要求。而且现有的测试方法多是对稳定 的液体散射特性的测量，对于烟雾气体环境中由于烟雾粒子沉降所造成的测试 环境不稳定的现象并未考虑。

可见现有介质散射穆勒矩阵图样的验证方法操作复杂，精确性低，数十组 繁琐的实验操作过程并不适用于烟雾介质不稳定的特点，则烟雾气体环境中粒 子散射特性穆勒矩阵的验证仍亟待解决。

发明内容

为了适应于烟雾介质特点，研究操作更简便、测试精度更高的散射特性穆 勒矩阵的验证方法，本发明提出了用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振 幅型测量方法。

用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法，其特征是：包 括发射系统、烟雾环境模拟系统、分光系统、接收系统和计算机处理系统，发 射系统、烟雾环境模拟系统、分光系统、接收系统和计算机处理系统依次设置 在光束传输的光路上；

所述发射系统包括激光器、准直扩束系统、滤光片、线偏振片Ⅰ和四分之 一波片Ⅰ，且以水平方向为基准轴，线偏振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ的角度调节 范围均为0°～360°或移除；

所述分光系统包括非偏振分光棱镜Ⅰ、非偏振分光棱镜Ⅱ和非偏振分光棱 镜Ⅲ，且非偏振分光棱镜Ⅰ、非偏振分光棱镜Ⅱ和非偏振分光棱镜Ⅲ的透射能 量与反射能量之比均为1:1；

所述接收系统包括接收单元Ⅰ、接收单元Ⅱ、接收单元Ⅲ和接收单元Ⅳ； 所述接收单元Ⅰ包括四分之一波片Ⅱ、线偏振片Ⅱ和探测器Ⅰ；所述接收单元 Ⅱ包括四分之一波片Ⅲ、线偏振片Ⅲ和探测器Ⅱ；所述接收单元Ⅲ包括四分之 一波片Ⅳ、线偏振片Ⅳ和探测器Ⅲ；所述接收单元Ⅳ包括四分之一波片Ⅴ、线 偏振片Ⅴ和探测器Ⅳ；以水平方向为基准轴，四分之一波片Ⅱ、线偏振片Ⅱ、 四分之一波片Ⅲ、线偏振片Ⅲ、四分之一波片Ⅳ、线偏振片Ⅳ、四分之一波片 Ⅴ和线偏振片Ⅴ的角度调节范围均为0°～360°或移除；

所述计算机处理系统通过数据线分别与探测器Ⅰ、探测器Ⅱ、探测器Ⅲ和 探测器Ⅳ连接，且计算机处理系统与烟雾环境模拟系统连接；

实现步骤：

步骤一、开启激光器，发射光束经过准直扩束系统入射到滤光片进行滤光， 获得的准直扩束平行光依次经过线偏振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ，通过移除或调 节线偏振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ的角度进行起偏，以水平方向为基准轴，线偏 振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ的角度调节范围均为0°～360°；

步骤二、将步骤一获得的出射光束入射到烟雾环境模拟系统，光束经烟雾 环境模拟系统入射到分光系统，通过调节分光系统中三个非偏振分光棱镜的摆 放位置，光束经分光系统分成四路，且每路光束的光强度均相同；

步骤三、步骤二获取的四路光束同时射入到四个接收单元；入射光束在四 个光路上均依次经过四分之一波片和线偏振片后出射，四个探测器同时探测到 四路出射光束的光强，且将探测信息传送给计算机处理系统，计算机处理系统 进行图样处理，获得光强图样；

步骤四、完成上述步骤后，操作人员经计算机处理系统控制烟雾环境模拟 系统中烟雾环境，并由计算机处理系统监测烟雾环境模拟系统中烟雾环境的粒 子半径参数、折射率参数、湿度参数、浓度参数、温度参数，经计算机处理系 统接收发射系统此时发射光束的四组光强图样，并记录烟雾环境模拟系统中的 烟雾环境；

步骤五、调节发射系统中线偏振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ的摆放位置，以水 平方向为基准轴，线偏振片Ⅰ和四分之一波片Ⅰ的角度调节范围均为0°～360°； 重复步骤四，且保持烟雾模拟系统中烟雾环境参数与步骤四中记录的参数相同；

步骤六、步骤五重复执行两次，以上共得到十六组光强图样，通过计算机 处理系统获得烟雾介质散射特性穆勒矩阵中十六个元素的散射图样。

所述步骤三中的四路接收单元分别按以下两种方法调节：

1)所述接收单元Ⅰ中的四分之一波片Ⅱ、线偏振片Ⅱ移除，检测无偏光； 所述接收单元Ⅱ中的四分之一波片Ⅲ移除,且线偏振片Ⅲ调节到水平方向或垂 直方向，检测水平或垂直偏振光；所述接收单元Ⅲ中的四分之一波片Ⅳ移除， 且线偏振片Ⅳ调节到与水平方向成+45°或-45°的方向，检测+45°或-45°方向的线 偏振光；所述接收单元Ⅳ中的四分之一波片Ⅴ调节到与水平成+45°或-45°方向， 且线偏振片Ⅴ调节到水平方向，检测右旋或左旋偏振光；

2)所述四路接收单元中的检偏状态分别为检测水平偏振光、垂直偏振光、 +45°方向的线偏振光、-45°方向的线偏振光、右旋偏振光和左旋偏振光中的任意 四种，但要确保四路接收单元中具备对水平或垂直偏振光、+45°或-45°方向的线 偏振光及右旋或左旋偏振光的检测。

1、根据权利要求1所述的用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型 测量方法，其特征是：所述步骤一中的发射系统中的线偏振片Ⅰ和四分之一波 片Ⅰ共调节四次，产生四组不同的起偏光，且确保四组起偏光的偏振态与四路 接收单元中检偏状态相同。

所述探测器Ⅰ、探测器Ⅱ、探测器Ⅲ和探测器Ⅳ均为CCD照相机。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明针对烟雾气体 介质在测试中不稳定的现象，尽量减少实验操作步骤，采用分振幅型烟雾介质 散射特性穆勒矩阵图样的验证方法，将现有最少操作的十六种组合的测试方法， 减少为四次操作，保证四路接收系统同时接收探测，且接收系统一旦确定，无 需再次调节，在发射系统端，每一次调节发射光束时，重新监测烟雾介质中各 参数，确保实验环境相同，实现在烟雾介质中对蒙特卡洛仿真得到的穆勒矩阵 中十六个散射图样的快速、准确验证。本发明可根据实际测试需要，选择相应 烟雾粒径、湿度、温度、浓度等不同测试条件的烟雾介质，并根据操作者的计 算习惯，调节发射系统与接收系统中的线偏振片与四分之一波片的组合方式， 操作简便、易于实现。

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本发明用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法中的 系统结构示意图。

图中：1-发射系统、101-激光器、102-准直扩束系统、103-滤光片、104- 线偏振片Ⅰ、105-四分之一波片Ⅰ，2-烟雾环境模拟系统、3-分光系统、401- 接收单元Ⅰ、4010-四分之一波片Ⅱ、4011-线偏振片Ⅱ、4012-探测器Ⅰ、402- 接收单元Ⅱ、4020-四分之一波片Ⅲ、4021-线偏振片Ⅲ、4022-探测器Ⅱ、403- 接收单元Ⅲ、4030-四分之一波片Ⅳ、4031-线偏振片Ⅳ、4032-探测器Ⅲ；404- 接收单元Ⅳ、4040-四分之一波片Ⅴ、4041-线偏振片Ⅴ、4042-探测器Ⅳ；5-计 算机处理系统。

具体实施方式

如图所示，用于烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的分振幅型测量方法，其 所需条件和实现步骤如下：

所需条件：

包括发射系统1、烟雾环境模拟系统2、分光系统3、接收系统、计算机处 理系统5；

所述的发射系统1，由激光器101、准直扩束系统102、滤光片103，线偏 振片Ⅰ104和四分之一波片Ⅰ105组成，且以水平方向为基准轴，线偏振片Ⅰ和 四分之一波片Ⅰ角度调节范围均为0°～360°或移除,用于产生不同状态的偏振 光；

所述的烟雾环境模拟系统2，可产生水雾、油雾和燃烧型烟尘等多种不同烟 雾介质，并与计算机处理系统5相连接，计算机处理系统5用来控制和监测烟 雾环境；

所述的分光系统3由三块透射与反射能量比为1:1的非偏振分光棱镜Ⅰ 301、非偏振分光棱镜Ⅱ302、非偏振分光棱镜Ⅲ303组成，分光系统3用于将一 束光分为四束，同时进行探测，三个非偏振分光棱镜均不改变偏振光的偏振态， 只将一束光分为透射与反射的两束，且强度减半；

所述的接收系统共分为四路，包括接收单元Ⅰ401、接收单元Ⅱ402、接收 单元Ⅲ403和接收单元Ⅳ404，且组成元件相同，均包括四分之一波片、线偏振 片和探测器，其中四分之一波片和线偏振片可以调节角度或移除，用于检偏， 探测器为CCD照相机，用于探测这四路光束产生的光强图样；

所述计算机处理系统5通过数据线与四路接收系统中的探测器和烟雾环境 模拟系统2相连接。

优选实施例：

步骤一、开启激光器101，发射光束经过准直扩束系统102入射到滤光片 103进行滤光，移除偏振片104和四分之一波片105，产生无偏光，入射到烟雾 环境模拟系统2，光束经烟雾环境模拟系统入射到分光系统3，光束经分光系统 3分成四路，且每路光束的光强度均相同；

步骤二、将步骤一获取的光束入射到接收系统；所述接收系统的数量与分 得光束的数量相同，接收系统的数量为四个，分别为接收单元Ⅰ401、接收单元 Ⅱ402、接收单元Ⅲ403和接收单元Ⅳ404，所述接收单元Ⅰ401包括四分之一波 片Ⅱ4010、线偏振片Ⅱ4011和探测器Ⅰ4012；所述接收单元Ⅱ402包括四分之 一波片Ⅲ4020、线偏振片Ⅲ4021和探测器Ⅱ4022；所述接收单元Ⅲ403包括四 分之一波片Ⅳ4030、线偏振片Ⅳ4031和探测器Ⅲ4032；所述接收单元Ⅳ404包 括四分之一波片Ⅴ4040、线偏振片Ⅴ4041和探测器Ⅳ4042；每路入射光束依次 经过四分之一波片和线偏振片后出射，探测器探测到出射光束的光强，探测器 将探测信息传送给计算机处理系统5，计算机处理系统5进行图样处理，获得光 强图样；

步骤三、将步骤二中所述接收单元Ⅰ401中的四分之一波片Ⅱ4010、线偏振 片Ⅱ4011移除，检测无偏光；将步骤二中所述接收单元Ⅱ402中的四分之一波 片Ⅲ4020移除、且线偏振片Ⅲ4021调节到水平方向，检测水平偏振光；将步骤 二中所述接收单元Ⅲ403中的四分之一波片Ⅳ4030移除，且线偏振片Ⅳ4031调 节到与水平方向成+45°的方向，检测+45°方向的线偏振光；将步骤二中所述接收 单元Ⅳ404中的四分之一波片Ⅴ4040调节到与水平成+45°方向，且线偏振片Ⅴ 4041调节到水平方向，检测右旋偏振光；

步骤四、经过所述步骤三处理后，操作人员经计算机处理系统5控制烟雾 环境模拟系统中烟雾环境，并监测烟雾环境中的粒子半径、湿度、浓度等参数， 由计算机处理系统5接收发射端为非偏振光时的四组光强图样，并记录此时烟 雾环境模拟系统2中的烟雾粒子各参数；

步骤五、将步骤一中所述的滤光片103后放置线偏振片Ⅰ104，并调节到水 平方向，起偏为水平偏振光；调节计算机处理系统5，保持烟雾模拟系统2中烟 雾环境各参数与步骤四中记录的参数相同，获取此时发射端为水平偏振光时的 四组光强图样；

步骤六、将步骤一中所述线偏振片Ⅰ104调节到与水平成+45°方向，起偏为 +45°方向的线偏振光；调节计算机处理系统5，保持烟雾模拟系统2中烟雾环境 各参数与步骤四中记录的参数相同，获取此时发射端为+45°偏振光时的四组光强 图样；

步骤七、将步骤一所述线偏振片Ⅰ104保持水平方向，在其后放置四分之一 波片Ⅰ105，四分之一波片Ⅰ105调节到与水平成+45°方向，起偏为右旋偏振光， 调节计算机处理系统5，保持烟雾模拟系统2中烟雾环境各参数与步骤四中记录 的参数相同，获取此时发射端为右旋偏振光时的四组光强图样；

步骤八、经步骤四～步骤七获得的十六组光强图样，十六组光强图样分别 为I₀₀～I₃₃，所述I₀₀～I₃₃的表示方法如表1所示，并由公式(1)依次计算烟雾介 质散射特性穆勒矩阵中十六个元素的散射图样。

表1 I₀₀～I₃₃的表示方法

S′₁₁＝I₀₀，S′₁₂＝I₁₀-I₀₀，S′₁₃＝I₂₀-I₀₀，S′₁₄＝I₃₀-I₀₀，

S′₂₁＝I₀₁-I₀₀，S′₂₂＝I₁₁-I₀₁-I₁₀+I₀₀，S′₂₃＝I₂₁-I₀₁-I₂₀+I₀₀，S′₂₄＝I₃₁-I₀₁-I₃₀+I₀₀

S′₃₁＝I₀₂-I₀₀，S′₃₂＝I₁₂-I₀₂-I₁₀+I₀₀，S′₃₃＝I₂₂-I₀₂-I₂₀+I₀₀，S′₃₄＝I₃₂-I₀₂-I₃₀+I₀₀

S′₄₁＝I₀₃-I₀₀，S′₄₂＝I₁₃-I₀₃-I₁₀+I₀₀，S′₄₃＝I₂₃-I₀₃-I₂₀+I₀₀，S′₄₄＝I₃₃-I₀₃-I₃₀+I₀₀    (1)

利用以上步骤即可完成烟雾介质散射特性穆勒矩阵图样的测量。

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。