光弹调制差频偏振测量及误差分析

针对现有光弹调制测量偏振方法无法用普通阵列探测器有效采集锁相频率,难以测量复色光的偏振特性等缺点,提出了一种三光弹调制器互差频调制的新型偏振测量方法.操作时,3个光弹调制器分别工作在频率w1,w2和w3上,三频率大小略有差异,从而可以对光进行差频调制并产生载有被测光偏振信息的低频调制分量(0,w1-w2,2w1-2w3);然后,通过锁相放大即可以一次测量获得斯托克斯矢量S中的S0,S1和S2.介绍了三光弹调制差频偏振测量的基本原理,通过相应的数值仿真和实验验证了其可行性,并对差频大小、相位延迟幅度等因素对测量结果的误差进行了初步分析.分析表明,该方法不仅保留了原光弹调制偏振测量方法测量精度高等优点,而且调制光电流频率下降了2～3个数量级(10～500 Hz),普通阵列探测器即可实现探测,在高精度偏振成像技术方面具有潜在的应用价值.     

波导式偏振调制测距系统

为消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响,提出了利用波导式相位调制器替代体相位调制器的全光纤波导式偏振调制测距方法.对波导式偏振调制测距系统进行原理分析,利用琼斯矩阵得出传输过程中测量光偏振态的变化规律,建立调制信号频率、偏振光强度与被测距离的函数关系.然后,进行了直波导相位调制器特性测试,验证其半波...     

弹光和电光级联的组合相位调制型椭偏测量术

利用弹光调制器的偏振调制优势,提出了将弹光调制器和电光调制器级联的组合相位调制型椭偏测量术。该技术采用单光路实现信号探测,通过切换电光调制器的两个工作状态,并结合数字锁相信号处理技术来完成样品反射光的p分量和s分量的幅值比Ψ和相位差Δ的全范围高精度测量。对提出的新型椭偏测量原理进行了分析,搭建了相应的实验系统。完成了弹光调制器的调制电压峰峰值和相位调制幅值关系的定标,定标结果优于99.05%,然后还采用系统初始偏移值的方法对实验系统进行了校准。最后,运用该系统对石英玻璃反射样品进行了实验分析,得到的Ψ和Δ的测量精度分别优于0.08°和0.81°。实验结果显示系统校准有效地消除了电光调制器和弹光调制器的剩余双折射引入的测量误差;数据采集和处理时间均在ms量级。提出的测量技术具有宽光谱测量、工作稳定、重复度高、测量速率快、成本相对较低和系统便于工业自动化集成的潜在优势。     

基于局域表面等离子体共振的近场偏振测量

在近场条件下金纳米粒子能引起光场矢量局部变化,针对金纳米粒子的这一特性,提出了一种检测近场光偏振态的新方法。将半径为50 nm的金纳米小球组成金纳米粒子阵列结构,利用该结构产生一定的光强分布图案,用于检测不同偏振态的光场矢量。利用数值模拟软件FDTD对金纳米粒子阵列结构进行模拟仿真,结果表明,从仿真图案上可以直观地分辨出5种不同偏振态的光场。     

强度调制偏振光谱仪的系统设计

理论分析和实验研究了强度调制偏振光谱仪系统参数的设计。介绍了强度调制偏振光谱仪的结构原理,分析了调制器设计、光谱仪选型与系统指标间的匹配关系。给出了一个完整的设计实例,以搭台方式建立了强度调制偏振光谱仪原理实验装置,并对平行光管直接输出的光和经起偏器起偏后输出的光进行了偏振光谱测量和分析。结果表明:在有效测量波段内(525～700nm),以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度值10%;经过线偏振器起偏后输出光的偏振度值接近100%,与理论分析的结果一致,验证了基于强度调制技术设计偏振光谱仪方法的可行性。     

激光制导中偏振态动态检测技术研究

研究了激光制导中弹体旋转或光场时变与光速偏振态间的关系,在对偏振光信号特征参数分析的基础上,介绍了一种动态检测光偏振状态的方法,采用特定的相位延迟器及差和比的数据处理方式,可以消除测量装置与偏振光相对旋转的影响,并利用琼斯矩阵法分析了这一工作原理.研制的测量装置能实时给出偏振光的旋向和椭圆度.实验结果表明,相对旋转对偏振态测量的影响确实可以消除.     

消光比与探测器噪声对基于纳米线栅偏振成像系统偏振精度的影响

消光比和探测器噪声是决定纳米线栅偏振成像偏振精度的两个重要参数。为解决两参数在系统优化时的取值问题,本文建立了两参数与偏振噪声的数学模型,采用像元组接收光电子数作为衡量探测器噪声与系统偏振噪声的桥梁量化了两者关系。仿真分析比较了两参数在入射光偏振态变化时对偏振噪声的作用。然后搭建消光比和曝光时间可调的偏振成像系统精度实验平台,验证该数学模型和仿真结果。仿真与实验共同表明,系统消光比大于20后,通过提高像元组接收的光电子数以抑制探测器噪声要比继续提升消光比对提高系统偏振精度的贡献大。     

仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。     

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率1pm,测量精度1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。     

分焦平面偏振图像传感器信噪比标定

为了标定分焦平面偏振图像传感器的信噪比,设计了分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比标定实验。对分焦平面偏振图像传感器信噪比参数对偏振角度测量结果的影响程度、信噪比标定原理、标定实验流程等进行了研究。根据分焦平面偏振传感器的结构和数字图像传感器的数学模型得到信噪比的标定原理。在不同信噪比、不同入射角度线偏振光情况下,对偏振角度测量结果进行了仿真。然后,根据标定原理设计标定实验的装置结构和实验流程。最后,进行实际标定并对实验数据进行了分析。信噪比-偏振角度测量精度仿真结果表明：分焦平面偏振图像传感器的信噪比越大,偏振角度测量精度越高,且入射偏振光角度也会影响测量精度。分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比参数的实际测试结果表明：标定值与指标值相差不超过0.55 dB。实验结果证明,该方法是准确有效的,能够较好地完成分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比的标定任务。     

基于液晶的激光偏振测量系统研究

主要研究基于液晶的激光偏振测量系统,利用液晶可变相位延迟器(LCVR)代替传统测量技术中的旋转波片,改变所加的电压值控制液晶双折射系数,对入射光的偏振状态进行精确控制.通过偏振光调制法测量斯托克斯(Stokes)参量,从而实时、准确地测量激光的偏振特性.同时,利用虚拟仪器LabVIEW软件平台实现系统的数据分析、处理、界面显示和打印输出功能的一体化.研究表明:该方法能够准确地测量光束的偏振特性,能够服务于从科研实验室到工业生产过程的各类应用领域,具有广阔的应用前景.     

正交偶极子天线比相测向算法

对电磁波的极化特性进行了研究,提出一种利用电磁波极化特性进行测角的方法,采用正交偶极子天线接收信号,并将信号综合成左旋信号与右旋信号,通过对两个信号进行比相的来测向.利用一个参考相位解决了测角模糊的问题.分析了噪声和信源入射角度对测角性能的影响,指出在信噪比较高时其测角精度与信源入射角度无关,只与信噪比有关.计算机仿真和对实验结果的分析证明了该测角方法的可行性和分析结果的正确性.     

高功率半导体激光器列阵封装引入应变的测量

考虑高功率半导体激光器列阵在封装过程中引入的封装应变会影响激光器的功率、波长和可靠性,对激光器封装应变的测量进行了研究。基于激光器输出光的偏振度变化可反映激光器有源区中量子阱的带隙变化,采用电致发光谱法推导了高功率半导体激光器输出的偏振度值与有源区应变值的关系。对800nmGaAsP/GaInP高功率半导体激光器列阵有源区的应变进行了测量,测量结果与有限元模拟计算结果吻合较好。与理论计算出的有源区固有应变的对比结果显示,激光器芯片在封装过程中受到铜热沉的压缩,会将封装应变引入到有源区中,并且激光器中间的封装应变大于边缘的封装应变。另外,激光器有源区的应变起伏比较明显,认为这是由于采用电镀方法制备的铟焊接层中存在缺陷。测量得到的最大封装应变为1.370×10-3,缺陷密度为40.8%。得到的结果表明,激光器偏振度的测量能够正确反映激光器的缺陷和封装应变值,进而可以有效衡量激光器封装质量的好坏。     

Wollaston棱镜偏振非正交对空间测角系统的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Wollaston棱镜后引起的两出射光束的偏振非正交及进而引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法,并利用坐标变化的方式,对任意入射角和方位角下Wollaston棱镜的偏振非正交进行了理论推导。接着,对偏振非正交与入射角的关系及它对系统测角精度的影响进行了Matlab仿真。仿真结果表明,随着偏振非正交及空间方位角的变大,系统测量误差变大,且Wollaston棱镜偏振非正交对系统测角精度的影响较大;当方位角为3°,偏振非正交为10′时,测角误差为30″。最后,通过分析偏振非正交的产生原因,改进了原有光源扩束系统,改善了偏振非正交对系统测角精度的影响,减小了测角误差。本文的研究成果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

油纸绝缘变压器老化状态评估的极化/去极化电流技术研究

对一种非破坏性的,不需要对变压器吊罩处理的油纸绝缘老化评估方法--极化/去极化电流(polarization and depolariza-tion current)测量方法进行了实验室及现场试验研究.在阐述了该方法的基本理论基础之后,在实验室对影响PDC测量结果的主要因素进行了试验研究,发现绝缘结构、纸板含水量及绝缘的老化程度等对PDC测量结果有着显著影响.研究发现油纸绝缘结构中绝缘油的状态对应PDC测量曲线起始部分的变化,而绝缘结构及纸板的状态则对应了测量曲线的中段和末段部分.现场试验表明,通过对变压器进行PDC测量及对PDC测量曲线的分析,可以对绝缘油的状态及纸板的状态分别进行合理的老化评估.     

分时偏振光谱测量系统的起偏效应校正

针对实验室偏振光谱测量系统短波红外起偏效应大、测量偏差大的问题,建立了系统目标斯托克斯校正模型,提出了该模型中相关系数的测量方法,从而实现了系统偏振效应的精密校正。首先分析了实验室常用的低成本分时偏振光谱测量系统存在的主要问题及起偏效应的来源。然后根据偏振传输理论,将系统中起偏效应较大的波谱仪等效为检偏系统,建立了目标偏振信息的校正模型,并通过与理想模型的对比验证了模型的正确性。最后针对本测量设备,为提高校正系数的测量精度,在解析法的基础上提出了一种更精确的拟合法。实验结果表明,本方法的校正精度高于0.5%,满足实验室中对目标偏振信息处理的精度要求,对偏振光谱测量系统的研制和标定具有指导意义。     

基于SIMPACK仿真分析的高速列车蛇行失稳识别方法

高速列车的横向运动稳定性不仅会影响列车的运行品质,还影响车辆的运行安全.现有的高速列车失稳在线监测方法大多是对高速列车大幅蛇行失稳状态进行识别,然而高速列车的小幅蛇行失稳状态很难被准确有效地识别出来.为此,提出了一种基于信号分析的蛇行失稳识别方法,不但可以识别出大幅蛇行失稳,而且可以识别出小幅蛇行失稳.首先通过SIMP...     

悬臂梁压电弯曲效应研究与验证

采用各向异性弹性理论和电磁理论计算压电石英悬臂梁的弯曲应力和弯曲束缚电荷密度,并利用有限元方法模拟出极化电场分布。理论分析表明,采用分割电极法在压电梁表面合理布置检测电极可测量弯曲效应。对该悬臂梁压电弯曲效应进行了实验验证,实验结果表明电极检测的电荷量与外力成线性关系,理论分析与实验结果基本一致。悬臂梁压电弯曲效应研究将为新型压电谐振器或执行器的开发奠定理论和实验基础。