一种穆勒矩阵同步测量系统和方法

技术领域

本发明涉及穆勒矩阵测量技术领域，具体涉及一种穆勒矩阵同步测量系统和方法。

背景技术

近些年随着人类对海洋资源的探索逐渐增加，各类技术人员需要频繁的进行信息传递，海洋大气环境复杂多变，光在海雾环境中进行上行和下行传输时都会发生明显的散射衰减，造成光传输距离短、交互信息接收困难等问题。

针对海雾的强散射情况，技术人员大多采用偏振光进行信息传递，但目前对于海雾环境中粒子的物理特性以及散射规律的探索还处于起步阶段，此前建立的海雾环境下的偏振光传输模型的实际应用能力还有待验证。穆勒矩阵中的不同矩阵元素代表着传输介质环境的不同物理特性，利用穆勒矩阵测量方法能更加有效的分析海雾环境下传输介质的散射规律。

但是，现有穆勒矩阵测量系统不能够高效率的采集偏振信息以供海雾环境下的偏振光传输模型作为参考，并且低效率的偏振信息采集会造成模拟环境的改变，得到的偏振信息失去了真实性。除此之外，海雾模拟装置中穆勒矩阵测量系统采集偏振信息耗时较长，以及采集偏振信息不充分，也会导致分析海雾环境下传输介质散射规律不够全面。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种穆勒矩阵同步测量系统和方法。

本发明的技术方案如下：

一种穆勒矩阵同步测量系统，包括偏振光发射装置、海雾发生装置和偏振光接收装置；

所述偏振光发射装置用于发射偏振光，将偏振光传递至所述海雾发生装置；所述海雾发生装置用于模拟海雾环境下的传输信道进行偏振光传输；所述偏振光接收装置用于偏振光接收，进行偏振信息收集；

所述海雾发生装置包括沿偏振光传输方向依次连接的多层海雾箱以及排空装置，所述多层海雾箱用于容纳悬浮的海雾粒子，模拟室内真实海雾环境，所述偏振光在多层海雾箱中传输，并被所述偏振光接收装置接收，所述排空装置用于在测量后排空海雾粒子。

优选地，所述偏振光发射装置包括LED光源、第一准直器、衰减片、第一偏振片和第一1/4波片；

所述LED光源用于发出可见光波段的光束，所述第一准直器用于将光束整形并沿光轴进行传输，所述衰减片用于对光束进行光强度调整，所述第一偏振片用于对光束进行起偏，所述第一1/4波片用于将起偏后的线偏振光转化成圆偏振光。

优选地，所述多层海雾箱包括第一海雾箱、第二海雾箱和第三海雾箱，所述第一海雾箱、第二海雾箱和第三海雾箱中分别设有第一海雾发生器、第二海雾发生器和第三海雾发生器，用于将海水进行超声波雾化产生海雾粒子；所述多层海雾箱上设有光学窗口，偏振光依次通过第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口和第四光学窗口进行传输。

优选地，所述偏振光接收装置包括光束接收模块、分光模块、偏振分析模块、穆勒矩阵成像模块、光功率计、仪器控制模块、图像处理与储存模块以及电源模块；

所述偏振光经过所述光束接收模块进入偏振光接收装置，通过所述分光模块分成不同光束，其中一束被光功率计所接收，用以计算海雾发生装置内的光学厚度，其余光束被所述偏振分析模块和穆勒矩阵成像模块接收，所述仪器控制模块用于调整穆勒矩阵成像模块，使其达到实验要求的线偏振光或圆偏振光；所述图像处理与储存模块用于处理与储存来自穆勒矩阵成像模块生成的图像；所述电源模块为仪器控制模块和图像处理与储存模块供电。

优选地，所述光束接收模块包括第五光学窗口、缩束器和第二准直器，所述光束通过第五光学窗口进入后，经过所述缩束器进行缩束，所述第二准直器用于将光束整形并沿光轴进行传输；

所述分光模块包括第一分光棱镜、450nm滤光片、第二分光棱镜、第三分光棱镜、550nm滤光片、第四分光棱镜、第五分光棱镜、650nm滤光片和第六分光棱镜；所述偏振分析模块包括第一偏振分析仪、第二偏振分析仪和第三偏振分析仪；

所述偏振光分别经过第一分光棱镜、第三分光棱镜和第五分光棱镜后，平均分成四等份的光束，其中一束被光功率计所接收，其余三束光又被第二分光棱镜、第四分光棱镜和第六分光棱镜平均分成六等份的光束，并分别被第一偏振分析仪、450nm穆勒矩阵成像单元、第二偏振分析仪、550nm穆勒矩阵成像单元、第三偏振分析仪和650nm穆勒矩阵成像单元接收，用以分析海雾发生装置内海雾环境的散射规律。

优选地，所述穆勒矩阵成像模块包括450nm穆勒矩阵成像单元、550nm穆勒矩阵成像单元和650nm穆勒矩阵成像单元；

所述450nm穆勒矩阵成像单元中包括沿光路依次设置的第二1/4波片、第二偏振片和第一CCD，所述550nm穆勒矩阵成像单元中包括沿光路依次设置的第三1/4波片、第三偏振片和第二CCD，所述650nm穆勒矩阵成像单元中包括沿光路依次设置的第四1/4波片、第四偏振片和第三CCD。

一种穆勒矩阵同步测量方法，应用如上所述穆勒矩阵同步测量系统，所述方法包括以下步骤：

S1、利用海雾发生装置模拟室内真实多层海雾环境；

S2、通过偏振光发射装置发射偏振光，使偏振光通过海雾发生装置，最后被偏振光接收装置接收；

S3、通过偏振光接收装置进行穆勒矩阵同步测量，计算退偏图像和双向衰减图像，并测量海雾发生装置中多层海雾模拟装置的光学厚度；

S4、利用第一排空装置和第二排空装置排空海雾发生装置中的海雾，测量实验完毕。

优选地，所述步骤S1中所述室内真实多层海雾环境的模拟方式为：

通过第一海雾发生器、第二海雾发生器、第三海雾发生器将海水进行超声波雾化产生海雾粒子；

若偏振光上行传输，则第一海雾发生器的喷雾时间是第二海雾发生器喷雾时间的2倍，是第三海雾发生器喷雾时间的4倍；若偏振光下行传输，则第三海雾发生器喷雾时间是第二海雾发生器喷雾时间的2倍，是第一海雾发生器的喷雾时间的4倍；

通过海雾粒子的自由运动在第一海雾箱、第二海雾箱和第三海雾箱形成均匀的多层海雾环境。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S2.1、LED光源发出可见光波段的光束经过第一准直器将光束整形并沿光轴进行传输，再通过衰减片进行光强衰减，使光功率降低至10mw以下；

S2.2、依次调整第一偏振片方向为0°、45°、90°和135°，使光通过第一偏振片进行起偏，最后被偏振光接收装置接收。

优选地，所述步骤S3具体包括：

S3.1、计算海雾发生装置的光学厚度：

I=I

其中，I代表海雾完全扩散充满箱体内部后出射偏振光强值，I

S3.2、其中第一偏振分析仪、第二偏振分析仪和第三偏振分析仪分析入射偏振光的偏振度和椭圆率数据，450nm穆勒矩阵成像单元、550nm穆勒矩阵成像单元和650nm穆勒矩阵成像单元生成穆勒矩阵图像；

当偏振光发射装置发射偏振方向为0°的线偏振光时，第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片调整偏振方向依次为0°、45°、90°、135°，并在第一CCD、第二CCD和第三CCD中同步采集4张线偏振图像；再改变第二1/4波片、第三1/4波片和第四1/4波片的旋转方向使其与第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片组合形成左旋和右旋圆偏振光，并在第一CCD、第二CCD和第三CCD中同步采集两张圆偏振图像；

S3.3、当偏振光发射装置（1）发射偏振方向为45°线偏振光、90°线偏振光、135°线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光时，分别重复步骤S3.1和S3.2；

S3.4、将步骤S3.2和S3.3中得到的36种偏振图像，通过下式进行计算得到穆勒矩阵图像：

其中I的下角标中第一个数字表示偏振光发射装置（1）发出偏振光的偏振方向，第二个数字表示穆勒矩阵成像模块中对应的偏振光的偏振方向；数字1表示0°偏振光，数字2表示90°偏振光，数字3表示45°偏振光，数字4表示135°偏振光，数字5表示左旋圆偏振光，数字6表示右旋圆偏振光；

S3.5、将步骤S3.4得到的图像通过以下方法计算得到退偏图像和双向衰减图像：

首先将穆勒矩阵M进行归一化：

然后计算双向衰减值和退偏值：

其中，D表示标量双向衰减值，△表示标量退偏值。将双向衰减值和退偏值视为图像中对应的像素值，并将其表示为双向衰减图像和退偏图像。

与现有技术相比，本发明解决了现有穆勒矩阵测量系统得到的偏振信息缺乏真实性的问题，具体有益效果为：

本发明提供了一种基于多层海雾模拟装置的穆勒矩阵同步测量的系统，首先本发明利用海雾发生装置模拟海雾环境，模拟的海雾环境更真实并且发生的散射现象真实性更高；其次，本发明通过偏振光发射装置和偏振光接收装置进行偏振光发射与接收，并通过偏振光接收装置进行穆勒矩阵同步测量，计算退偏图像和双向衰减图像，并测量海雾发生装置中多层海雾的光学厚度，能够有效避免传统穆勒矩阵测量系统采集偏振信息耗时较长的问题；最后，通过偏振分析仪的数值、穆勒矩阵图像、退偏图像和双向衰减图像来分析海雾环境下传输介质的散射规律，并通过测量得到的海雾发生装置的光学厚度辅助分析海雾环境下传输介质的散射规律，采集的偏振信息更充分，能够更全面地分析海雾环境下传输介质散射规律，避免了由于采集时间过长，模拟环境变化导致的采集数据失真的问题。

附图说明

图1为本发明提供的穆勒矩阵同步测量系统总体结构示意图；

图2为本发明所述偏振光发射装置结构示意图；

图3为本发明所述海雾发生装置结构示意图；

图4为本发明所述偏振光接收装置结构示意图。

1、偏振光发射装置；11、LED光源；12、第一准直器；13、衰减片；14、第一偏振片；15、第一1/4波片；

2、海雾发生装置；21、第一海雾箱；22、第一光学窗口；23、第一排空装置；24、第一海雾发生器；25、第二海雾箱；26、第二光学窗口；27、第二海雾发生器；28、第三海雾箱；29、第三光学窗口；210、第三海雾发生器；211、第二排空装置；212、第四光学窗口；

3、偏振光接收装置；31、第五光学窗口；32、缩束器；33、第二准直器；34、第一分光棱镜；35、450nm滤光片；36、第二分光棱镜；37、第一偏振分析仪；38、450nm穆勒矩阵成像单元；39、第二1/4波片；310、第二偏振片；311、第一CCD；312、第三分光棱镜；313、550nm滤光片；314、第四分光棱镜；315、第二偏振分析仪；316、550nm穆勒矩阵成像单元；317、第三1/4波片；318、第三偏振片；319、第二CCD；320、第五分光棱镜；321、650nm滤光片；322、第六分光棱镜；323、第三偏振分析仪；324、650nm穆勒矩阵成像单元；325、第四1/4波片；326、第四偏振片；327、第三CCD；328、光功率计；329、仪器控制模块；330、图像处理与储存模块；331、电源模块。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。

实施例1.

本实施例提供了一种穆勒矩阵同步测量系统，如图1所示，包括偏振光发射装置1、海雾发生装置2和偏振光接收装置3；

所述偏振光发射装置1用于发射偏振光，将偏振光传递至所述海雾发生装置2；所述海雾发生装置2用于模拟海雾环境下的传输信道进行偏振光传输；所述偏振光接收装置3用于偏振光接收，进行偏振信息收集；

所述海雾发生装置2包括沿偏振光传输方向依次连接的多层海雾箱以及排空装置，所述多层海雾箱用于容纳悬浮的海雾粒子，模拟室内真实海雾环境，所述偏振光在多层海雾箱中传输，并被所述偏振光接收装置3接收，所述排空装置用于在测量后排空海雾粒子。

本实施例所述穆勒矩阵同步测量系统，基于多层海雾模拟装置，利用海雾发生装置模拟海雾环境，模拟的海雾环境更真实并且发生的散射现象真实性更高。

实施例2.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述偏振光发射装置1如图2所示，包括LED光源11、第一准直器12、衰减片13、第一偏振片14和第一1/4波片15；

所述LED光源11用于发出可见光波段的光束，所述第一准直器12用于将光束整形并沿光轴进行传输，所述衰减片13用于对光束进行光强度调整，所述第一偏振片14用于对光束进行起偏，所述第一1/4波片15用于将起偏后的线偏振光转化成圆偏振光。

实施例3.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，如图3所示，所述多层海雾箱包括第一海雾箱21、第二海雾箱25和第三海雾箱28，所述第一海雾箱21、第二海雾箱25和第三海雾箱28中分别设有第一海雾发生器24、第二海雾发生器27和第三海雾发生器210，用于将海水进行超声波雾化产生海雾粒子；所述多层海雾箱上设有光学窗口，偏振光依次通过第一光学窗口22、第二光学窗口26、第三光学窗口29和第四光学窗口212进行传输。

本实施例所述多层海雾箱，其产生的海雾粒子悬浮于第一海雾箱21、第二海雾箱25和第三海雾箱28中，其中第一海雾箱21和第二海雾箱25之间的第二光学窗口26可以让两层的海雾粒子进行相互流通，第二海雾箱25和第三海雾箱28之间的第三光学窗口29可以让两层的海雾粒子进行相互流通，通过海雾粒子的自由运动在第一海雾箱21、第二海雾箱25和第三海雾箱28形成均匀的多层海雾环境，本实施例所述的这种装置结构，其模拟的海雾环境真实，发生的散射现象真实性高。

实施例4.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述偏振光接收装置3包括光束接收模块、分光模块、偏振分析模块、穆勒矩阵成像模块、光功率计328、仪器控制模块329、图像处理与储存模块330以及电源模块331；

所述偏振光经过所述光束接收模块进入偏振光接收装置3，通过所述分光模块分成不同光束，其中一束被光功率计328所接收，用以计算海雾发生装置2内的光学厚度，其余光束被所述偏振分析模块和穆勒矩阵成像模块接收，所述仪器控制模块329用于调整穆勒矩阵成像模块，使其达到实验要求的线偏振光或圆偏振光；所述图像处理与储存模块330用于处理与储存来自穆勒矩阵成像模块生成的图像；所述电源模块331为仪器控制模块329和图像处理与储存模块330供电。

实施例5.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述光束接收模块包括第五光学窗口31、缩束器32和第二准直器33，所述光束通过第五光学窗口31进入后，经过所述缩束器进行缩束，所述第二准直器33用于将光束整形并沿光轴进行传输；

所述分光模块包括第一分光棱镜34、450nm滤光片35、第二分光棱镜36、第三分光棱镜312、550nm滤光片313、第四分光棱镜314、第五分光棱镜320、650nm滤光片321和第六分光棱镜322；所述偏振分析模块包括第一偏振分析仪37、第二偏振分析仪315和第三偏振分析仪323；

所述偏振光分别经过第一分光棱镜34、第三分光棱镜312和第五分光棱镜320后，平均分成四等份的光束，其中一束被光功率计328所接收，其余三束光又被第二分光棱镜36、第四分光棱镜314和第六分光棱镜322平均分成六等份的光束，并分别被第一偏振分析仪37、450nm穆勒矩阵成像单元38、第二偏振分析仪315、550nm穆勒矩阵成像单元316、第三偏振分析仪323和650nm穆勒矩阵成像单元324接收，用以分析海雾发生装置2内海雾环境的散射规律。

实施例6.

本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述穆勒矩阵成像模块包括450nm穆勒矩阵成像单元38、550nm穆勒矩阵成像单元316和650nm穆勒矩阵成像单元324；

所述450nm穆勒矩阵成像单元38中包括沿光路依次设置的第二1/4波片39、第二偏振片310和第一CCD311，所述550nm穆勒矩阵成像单元316中包括沿光路依次设置的第三1/4波片317、第三偏振片318和第二CCD319，所述650nm穆勒矩阵成像单元316中包括沿光路依次设置的第四1/4波片325、第四偏振片326和第三CCD327。

实施例7.

本实施例提供了一种穆勒矩阵同步测量方法，应用如实施例1-6中所述的穆勒矩阵同步测量系统，所述方法包括以下步骤：

S1、利用海雾发生装置2模拟室内真实多层海雾环境；

S2、通过偏振光发射装置1发射偏振光，使偏振光通过海雾发生装置2，最后被偏振光接收装置3接收；

S3、通过偏振光接收装置3进行穆勒矩阵同步测量，计算退偏图像和双向衰减图像，并测量海雾发生装置2中多层海雾模拟装置的光学厚度；

S4、利用第一排空装置23和第二排空装置211排空海雾发生装置2中的海雾，测量实验完毕。

本实施例应用如上实施例所述系统，通过偏振光发射装置和偏振光接收装置进行偏振光发射与接收，并通过偏振光接收装置进行穆勒矩阵同步测量，计算退偏图像和双向衰减图像，并测量海雾发生装置中多层海雾的光学厚度，能够有效避免传统穆勒矩阵测量系统采集偏振信息耗时较长的问题；最后，通过偏振分析仪的数值、穆勒矩阵图像、退偏图像和双向衰减图像来分析海雾环境下传输介质的散射规律，并通过测量得到的海雾发生装置的光学厚度辅助分析海雾环境下传输介质的散射规律，采集的偏振信息更充分，能够更全面地分析海雾环境下传输介质散射规律，能够避免由于采集时间过长，模拟环境变化导致的采集数据失真的问题。

实施例8.

本实施例为对实施例7的进一步举例说明，所述步骤S1中所述室内真实多层海雾环境的模拟方式为：

通过第一海雾发生器24、第二海雾发生器27、第三海雾发生器210将海水进行超声波雾化产生海雾粒子；

若偏振光上行传输，则第一海雾发生器24的喷雾时间是第二海雾发生器27喷雾时间的2倍，是第三海雾发生器210喷雾时间的4倍；若偏振光下行传输，则第三海雾发生器210喷雾时间是第二海雾发生器27喷雾时间的2倍，是第一海雾发生器24的喷雾时间的4倍；

通过海雾粒子的自由运动在第一海雾箱21、第二海雾箱25和第三海雾箱28形成均匀的多层海雾环境。

实施例9.

本实施例为对实施例7的进一步举例说明，所述步骤S2具体包括：

S2.1、LED光源11发出可见光波段的光束经过第一准直器12将光束整形并沿光轴进行传输，再通过衰减片13进行光强衰减，使光功率降低至10mw以下；

S2.2、依次调整第一偏振片14方向为0°、45°、90°和135°，使光通过第一偏振片14进行起偏，最后被偏振光接收装置3接收。

实施例10.

本实施例为对实施例7的进一步举例说明，所述步骤S3具体包括：

S3.1、计算海雾发生装置2的光学厚度：

I=I

其中，I代表海雾完全扩散充满箱体内部后出射偏振光强值，I

S3.2、其中第一偏振分析仪37、第二偏振分析仪315和第三偏振分析仪323分析入射偏振光的偏振度和椭圆率数据，450nm穆勒矩阵成像单元38、550nm穆勒矩阵成像单元316和650nm穆勒矩阵成像单元324生成穆勒矩阵图像；

当偏振光发射装置1发射偏振方向为0°的线偏振光时，第二偏振片310、第三偏振片318和第四偏振片326调整偏振方向依次为0°、45°、90°、135°，并在第一CCD311、第二CCD319和第三CCD327中同步采集4张线偏振图像；再改变第二1/4波片39、第三1/4波片317和第四1/4波片325的旋转方向使其与第二偏振片310、第三偏振片318和第四偏振片326组合形成左旋和右旋圆偏振光，并在第一CCD311、第二CCD319和第三CCD327中同步采集两张圆偏振图像；

S3.3、当偏振光发射装置1发射偏振方向为45°线偏振光、90°线偏振光、135°线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光时，分别重复步骤S3.1和S3.2；

S3.4、将步骤S3.2和S3.3中得到的36种偏振图像，通过下式进行计算得到穆勒矩阵图像：

其中I的下角标中第一个数字表示偏振光发射装置1发出偏振光的偏振方向，第二个数字表示穆勒矩阵成像模块中对应的偏振光的偏振方向；数字1表示0°偏振光，数字2表示90°偏振光，数字3表示45°偏振光，数字4表示135°偏振光，数字5表示左旋圆偏振光，数字6表示右旋圆偏振光；

S3.5、将步骤S3.4得到的图像通过以下方法计算得到退偏图像和双向衰减图像：

首先将穆勒矩阵M进行归一化：

然后计算双向衰减值和退偏值：

其中，D表示标量双向衰减值，△表示标量退偏值。将双向衰减值和退偏值视为图像中对应的像素值，并将其表示为双向衰减图像和退偏图像。