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
【技术领域】
[0001] 本发明设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】
[0002] 目前城市污染所导致雾霸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。
[0003] 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W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W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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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；
[0007] 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W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；
[000引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;
[0009] 所述接收系统包括接收单元I、接收单元II、接收单元m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m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;W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；
[0010] 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m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；
[0011] 实现步骤：
[0012] 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，W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°;
[0013] 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=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；
[0014] 步骤=、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；
[0015] 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；
[0016] 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，W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；
[0017] 步骤六、步骤五重复执行两次，W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。
[0018] 所述步骤S中的四路接收单元分别按W下两种方法调节：
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 所述探测器I、探测器II、探测器m和探测器IV均为CCD照相机。
[0023] 通过上述设计方案，本发明可W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】
[0024]W下结合【附图说明】和【具体实施方式】对本发明作进一步说明：
[0025]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。
[0026] 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】
[0027] 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：
[00測所需条件：
[0029] 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;
[0030] 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W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；
[0031] 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；
[0032] 所述的分光系统3由立块透射与反射能量比为1:1的非偏振分光棱镜I301、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，立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；
[0033] 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W调节角度或移除，用于检偏，探测器为CCD照相机，用于探测 该四路光束产生的光强图样；
[0034] 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。
[0035] 优选实施例；
[0036] 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