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全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析

王成 范之国 金海红 汪先球 华豆

王成, 范之国, 金海红, 汪先球, 华豆. 全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 104201. doi: 10.7498/aps.70.20210104
引用本文: 王成, 范之国, 金海红, 汪先球, 华豆. 全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 104201. doi: 10.7498/aps.70.20210104
Wang Cheng, Fan Zhi-Guo, Jin Hai-Hong, Wang Xian-Qiu, Hua Dou. Design and optimization analysis of imaging system of polarized skylight pattern of full polarization[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 104201. doi: 10.7498/aps.70.20210104
Citation: Wang Cheng, Fan Zhi-Guo, Jin Hai-Hong, Wang Xian-Qiu, Hua Dou. Design and optimization analysis of imaging system of polarized skylight pattern of full polarization[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 104201. doi: 10.7498/aps.70.20210104

全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析

doi: 10.7498/aps.70.20210104
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: hellen8228@163.com

  • 中图分类号: 42.15.Eq, 42.25.Ja, 42.30.-d, 42.79.-e

Design and optimization analysis of imaging system of polarized skylight pattern of full polarization

More Information
  • 摘要: 全偏振成像能够获取目标更为丰富的信息, 在目标探测、大气特性研究和医学诊断等领域具有广阔的应用前景. 为了实现大视场天空区域全偏振信息的快速获取, 设计了一套全偏振大气偏振模式成像系统; 针对因系统传输矩阵“性态”的不同使得求解的目标Stokes矢量存在误差的问题, 通过分析传输矩阵的特性并建立目标函数, 将传输矩阵的优化转化为目标函数在多组条件下的求解, 确定了最优系统传输矩阵; 并对系统的四分之一波片的延迟量、偏振片的消光比以及传输矩阵进行标定. 通过开展优化前后偏振信息的对比实验, 结果表明: 优化后偏振角误差较优化前降低了10%以上; 偏振度和线偏振度中最大偏振度带的误差和中性区域的误差较优化前也有不同程度的下降. 在此基础上开展了外场全偏振信息测量实验, 结果表明系统满足设计要求, 能够有效地获取天空全偏振信息.

     

  • 图  全偏振测量原理图

    Figure  1.  Principle diagram of full polarization measurement.

    图  成像系统光路示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of the optical path of the imaging system.

    图  ${{{M}}_{{\rm{tran}}}}$ $1/{\rm{Cond}}$ 与Det变化趋势 (a) $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_1}$ 变化趋势; (b) $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_2}$ 变化趋势; (c) $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_\infty }$ 变化趋势; (d) $Det$ 变化趋势

    Figure  3.  The change trend of $1/{\rm{Cond}}$ and Det of the ${{{M}}_{{\rm{tran}}}}$ : (a) Change trend of $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_1}$ ; (b) change trend of $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_2}$ ; (c) change trend of $1/{\rm{Con}}{{\rm{d}}_\infty }$ ; (d) change trend of Det.

    图  系统标定原理框图

    Figure  4.  Block diagram of system calibration principle.

    图  优化前后偏振信息对比 (a)−(d) 优化前Aop, ∆Aop, Dop和Dolp; (e)−(h) 优化后Aop, ∆Aop, Dop和Dolp

    Figure  5.  Comparisons of polarization information before and after optimization: (a)−(c) Aop, ∆Aop, Dop and Dolp before optimization; (d)−(f) Aop, ∆Aop, Dop and Dolp after optimization.

    图  优化前后Dop, Dolp的BMP和NZ对比 (a)−(d) 优化前Dop, Dolp的BMP和NZ; (e)−(h) 优化后Dop, Dolp的BMP和NZ

    Figure  6.  Comparisons of BMP and NZ of Dop and Dolp before and after optimization: (a)−(d) BMP and NZ of Dop and Dolp before optimization; (e)−(h) BMP and NZ of Dop and Dolp after optimization.

    图  目标天空区域光强图与偏振模式分布结果 (a) 偏振光强图; (b) Aop; (c) Dop; (d) Dolp; (e) Docp; (f) I分量图; (g) Q分量图; (h) U分量图; (i) V分量图

    Figure  7.  The light intensity map and polarization mode distribution results of the target sky area: (a) Polarization intensity diagram; (b) Aop; (c) Dop; (d) Dolp; (e) Docp; (f) I component diagram; (g) Q component diagram; (h) U component diagram; (i) V component diagram.

    表  1  最大Det、最小Cond与β对应表

    Table  1.   Corresponding table of maximum Det, minimum Cond and β.

    条件数(Cond) 行列式(Det) 角度(β0, β1,
    β2, β3)
    Cond1 8.6084 0.0923(最大) Det: (5°, 45°, 120°, 155°)
    Cond2 3.4864
    Cond 7.837
    Cond1(最小) 7.9448 0.0814 Cond1: (0°, 30°, 115°, 150°)
    –0.0814 Cond1: (25°, 60°, 90°, 120°)
    Cond2 4.0092
    Cond 7.0859
    Cond1 8.4653
    Cond2(最小) 3.3381 –0.0919 Cond2: (35°, 70°, 100°, 135°)
    Cond 7.791
    Cond1 8.5767
    Cond2 3.4563
    Cond(最小) 6.2275 0.0911 Cond: (0°, 40°, 115°, 150°)
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    表  2  系统传输矩阵标定结果

    Table  2.   Calibration results of system transmission matrix

    QWP旋转角度 m11 m12 m13 m14
    0.500 –0.44 –0.0775 0.225
    10° 0.500 –0.377 –0.137 0.299
    40° 0.500 0.0102 0.0577 0.497
    45° 0.500 0.001 0.144 0.479
    120° 0.500 –0.0574 –0.0994 –0.487
    125° 0.500 –0.00975 –0.0268 –0.499
    155° 0.500 –0.269 0.32 –0.274
    160° 0.500 –0.352 0.295 –0.198
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    表  3  优化前后∆Aop数据离散度对比

    Table  3.   Comparisons of data dispersion of the ∆Aop before and after optimization.

    Index 均值 标准差
    优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后
    ∆Aop 1.996 1.7956 4.9553 4.2633 27.7036 24.709
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    表  4  优化前后BMP的数据离散度指标对比

    Table  4.   Comparisons of data dispersion index of BMP before and after optimization.

    Index 均值 标准差
    优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后
    $\Delta {\rm{Do}}{{\rm{p}}_{{\rm{BMP}}}}$ 2.6884 2.5550 0.7496 0.7252 0.0476 0.0359
    $\Delta {\rm{Dol}}{{\rm{p}}_{{\rm{BMP}}}}$ 2.6933 2.5564 0.7508 0.7256 0.0481 0.0361
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    表  5  优化前后NZ数据离散度指标对比

    Table  5.   Comparisons of data dispersion index of NZ before and after optimization.

    Index 均值 标准差 Poa
    优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后
    $\Delta {\rm{Do}}{{\rm{p}}_{{\rm{NZ}}}}$ 1.5359 1.5141 0.0446 0.0413 0.0246 0.0222 31.9377 35.3431
    $\Delta {\rm{Dol}}{{\rm{p}}_{{\rm{NZ}}}}$ 1.5285 1.5085 0.0441 0.0409 0.0245 0.0223 32.8158 35.9437
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-17
  • 修回日期:  2021-02-16
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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