CN103234637A - 一种大气辐射光谱偏振信息测量*** - Google Patents

Abstract

本发明一种大气辐射光谱偏振信息测量***属于光学电子测试技术领域，适用于大气辐射光谱偏振信息的测量及其时空分布规律分析。测量***由偏振测量头、望远光学组件、光纤光谱仪组件和计算机组成。偏振测量头由偏振片，旋转头，接口一构成；望远光学组件由折射式望远镜，赤道仪，三脚支架构成；光纤光谱仪组件由接口二、余弦校正器、抗紫外光纤和光谱仪构成。本发明采用高光谱分辨率的光纤光谱仪作为辐射光谱采集设备，采集并记录每次测得的连续辐射光谱，使得本发明的测量***在取得了偏振测量信息的同时，又保存了完整连续的辐射光谱，解决了成像偏振测量***无法解决的光谱问题。本发明具有通用性强，适用范围广，操作方便等特点。

Description

一种大气辐射光谱偏振信息测量***

技术领域

本发明是一种大气辐射光谱偏振信息测量***，属于光学电子测试技术领域，适用于大气辐射光谱偏振信息的测量及其时空分布规律分析。

背景技术

目前对大气偏振信息测量***大多都采用成像探测方法，即使用成像***对大气获取特定方向上的偏振图片，再利用计算机对获取的偏振图片进行运算处理来得到大气偏振信息图。这些测试***测量方便高效，但由于设计限制，无法精确地获取特定光波的大气偏振信息。如中国专利申请号为200910116671，发明名称为全自动大气偏振模式图像获取***及***控制方式，发明人为合肥工业大学的高隽等人，全自动大气偏振模式图像获取系能够自动快速获取大气偏振信息，但无法测得某一特定波长的大气偏振信息的空间分布规律，而对大气偏振信息谱析是大气偏振信息测量很重要的部分。

国外G.Horváth在其一系列的论著中介绍的单镜头旋转式全天空成像偏振计（J.Gál,G.Horváth,V.B.Meyer-Rochow,andR.Wehner,“Polarization patterns of the summer sky and itsneutral points measured by full-sky imaging polarimetry inFinnish Lapland north of the Arctic Circle,”Proc.R.Soc.Lond.A457,1385-1399(2001).）、三镜头三照相机的同步全天空成像偏振计（G.Horváth,A.Barta,and J.Gál et al.“Ground-basedfull-sky imaging polarimetry of rapidly changing skies and itsuse for polarimetric cloud detection,”Appl.Opt.41,543-559(2002).）等测试仪器，由于都只能测得3个特定光谱波长450nm、550nm、650nm下大气偏振信息，所以，它们获得的只是某些特定光谱波长下的天空偏振光信息，不能对大气偏振光实现连续光谱的测量，光谱分辨率较低，不能满足对大气偏振光的辐射光谱的测量与特性分析。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术缺陷，发明了一种大气辐射光的辐射光谱测量***，解决现有大气辐射光测量的全光谱测量问题。本发明的测量***能够记录连续、完整的辐射光谱数据及曲线。利用该测试***既可以完成大气辐射光偏振信息的测量以及偏振信息与光谱信息的时间及空间分布规律分析等工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种大气辐射光的辐射光谱测量***，它由偏振测量头Ⅰ、望远光学组件Ⅱ、光纤光谱仪组件Ⅲ和计算机11组成；偏振测量头Ⅰ由偏振片1，旋转头2，接口一3构成；望远光学组件Ⅱ由折射式望远镜4，赤道仪5，三脚支架6构成；光纤光谱仪组件Ⅲ由接口二7、余弦校正器8、抗紫外光纤9和光谱仪10构成；圆柱形旋转头2安放于接口一3的内侧，由旋转头紧定螺钉14固定，圆片状的偏振片1安装在旋转头2的内腔，用环形压圈12压紧，并通过两颗环形压圈紧定螺钉13固定在旋转头2上；赤道仪5安装在三角支架6上，折射式望远镜4安装于赤道仪5的上方，抗紫外光纤9的后端连接在光谱仪10上，余弦校正器8安装于抗紫外光纤9的前端，余弦校正器8的探头端***接口二7，由抗紫外光纤螺钉17固定，使余弦校正器8的探头端与目镜的出瞳位置重合；通过接口一3将偏振测量头Ⅰ安装在折射式望远光学组件Ⅱ的前端，由偏振测量头螺钉15固紧，通过接口二7将光纤光谱仪组件Ⅲ安装在望远光学组件Ⅱ的后端，由光纤光谱仪组件紧定螺钉16固定；光谱仪10通过USB接口与计算机11相连接。

本发明的效果是：采用具有高光谱分辨率的光纤光谱仪作为辐射光谱采集设备，采集并记录每次测得的连续辐射光谱，使得本发明的测量***在取得了偏振测量信息的同时，又保存了完整连续的辐射光谱，解决了成像偏振测量***无法解决的光谱问题。因此，该***具有通用性强，适用范围广，操作方便等特点。

附图说明

图1为本发明测量***的构成简图，图2为偏振测量头Ⅰ水平放置后的结构剖面图，图3为接口二的连接构造图。其中：Ⅰ—偏振测量头，Ⅱ—望远镜光学组件，Ⅲ—光纤光谱仪组件，1—偏振片，2—旋转头，3—接口一，4—折射式望远镜，5—赤道仪，6—三脚支架，7—接口二，8—余弦校正器，9—抗紫外光纤，10—光谱仪，11—计算机，12—环形压圈，13-环形压圈紧定螺钉，14-旋转头紧定螺钉，15—偏振测量头螺钉，16—光纤光谱仪组件紧定螺钉，17—抗紫外光纤螺钉。

图4为使用该***测量太阳子午圈得到的光谱偏振度曲线图，其中：P—纵坐标表示偏振度（%），θ_D—横坐标为测试高度角，1-400nm光波偏振度曲线，2-500nm光波偏振度曲线，3-600nm光波偏振度曲线，4-700nm光波偏振度曲线。

图5为旋转头与偏振片零点对齐示意图，其中：1—偏振片，2—旋转头，0°-旋转头0度刻度，60°-旋转头60度刻度，120°-旋转头120度刻度。

具体实施方式

结合技术方案和附图，现详细说明本发明的技术实施方式。如图1、5所示，采用标定后的赤道仪作为转角控制装置，安装于望远组件的三脚支架上，可将赤道仪的赤经转盘和赤纬转盘的转角角度值进行标定后，作为对准某天空方位时的测试方位角和测试高度角，实现了角度调整及定位的功能，使得本发明的测量***可以测得天空偏振光的时空分布，即测得该方位下的0度、60度、120度三个偏振方向的辐射光谱，并由软件计算给出该方位的光辐射度、偏振度、偏振方位角等信息，再通过调整赤道仪的角度，重复上述实验步骤，最终实现大气辐射光偏振信息的测量。设计偏振片旋转头，一方面实现偏振片的安装和旋转，另一方面可以安装在望远组件的前端实现偏振测量。设计旋转头与望远镜的接口一及余弦校正器与望远镜的接口二将整个测试光路连接起来，使测试***的测试功能得以实现。此外，该***采用的折射式天文望远镜仪器、赤道仪和光纤光谱仪等设备，可以在同类产品中进行更换及升级，其设备自身的参数及精度决定了测试***的角度精度及光谱分辨率精度等参数。

使用该测试***时，首先要进行***安装。如图2组装偏振测量头Ⅰ时，将圆柱形旋转头2安装于接口一3的内侧，稍微拧紧紧固螺钉14以保证旋转头不会掉落且能够旋转，同时将偏振片的主光轴与旋转头的0度刻度对准，然后将圆片状的偏振片1摆放在旋转头2的内腔，用环形压圈12压紧并通过两颗螺钉13固定在旋转头2上；将赤道仪5安装在三角支架6上，再将折射式望远镜4安装于赤道仪的上方，保证折射式望远镜4能够与赤道仪一起同步转动，至此完成望远光学组件Ⅱ的搭建；如图3所示将抗紫外光纤9的后端连接在光谱仪10上，然后将余弦校正器8安装于抗紫外光纤9的前端，再将余弦校正器8的探头端***接口二7并拧紧上紧螺钉17，使余弦校正器8的探头端与目镜的出瞳位置重合，完成光纤光谱仪组件Ⅲ的组装；然后通过接口一3，将偏振测量头Ⅰ安装于折射式望远光学组件Ⅱ的前端，并拧紧上紧螺钉15，再通过接口二7将光纤光谱仪组件Ⅲ安装于望远光学组件Ⅱ的后端并拧紧上紧螺钉16；最后将光谱仪10通过USB接口与计算机11相连，并开启电源，进行大气偏振光的辐射光谱测量。

本实例中所用的偏振片1为中性密度偏振片，其光谱敏感范围为400nm～700nm，折射式望远镜4的视场角小于4度，光纤光谱仪10的光谱探测范围200nm～1100nm，光谱分辨率1.4nm，即时探测，积分时间为2ms～60s可调，本例选用50ms积分时间。进行测试时，首先将赤道仪5的赤经转盘和赤纬转盘调零，然后依次转动旋转头2分别对准60度、120度，并记录各自的辐射光谱。接着调整赤道仪5的赤经转盘和赤纬转盘的角度，并记录下与其对应的测试方位角及测试高度角，再次记录偏振片位于0度、60度、120度的辐射光谱，如此重复上述实验，直到测得全部的待测天空方位，再由计算软件算得各自的偏振信息。

当所有的辐射光谱采集完成后，将同一个测试方位角和测试高度角下三组辐射光谱，即0度、60度和120度的辐射光谱作为一组曲线，再选定某个光谱范围通过方程式（1）进行计算：

其中：I′(0°)，I′(60°)和I′(120°)为测量得到的该光谱范围下的三个辐射强度值。而I，Q，U是Stokes矢量的前三个分量（第四分量圆偏振分量为零，即V=0）。

再将方程组（1）转换为方程组（2）得到Stokes矢量的三个分量：

最后通过Stokes矢量与偏振度的关系，可以得到该方位角及高度角、该光谱下的偏振总光强I，偏振度P及偏振方位角χ等信息，即：

$P=\frac{\sqrt{Q^2+U^2}}{I^2};\tan 2\mathrm{\χ}=\frac{U}{Q}---\left(3\right)$

再通过改变光谱范围及测试方位，重复上述计算，便可以得到不同天空方位角及高度角、不同光谱范围下的偏振信息。

该实例测得了当太阳高度角为35度时，选用0度测试方位角不变，并选用10度的测试高度角（θ_D）间隔，对太阳子午圈的大气偏振光进行测量所得到的偏振度曲线，如图4所示。为了显示方便，本实例只提供了400nm、500nm、600nm和700nm光谱波长下大气偏振光的偏振度曲线。从图4中可以看出，曲线1是400nm光波偏振度曲线，曲线2是500nm光波偏振度曲线，曲线3是600nm光波偏振度曲线，曲线4是700nm光波偏振度曲线。本测试***可以实现400nm至700nm任意光谱波长下的大气偏振光测量。若选用光谱范围更宽的偏振片，可以扩展本***的光谱测试范围；测量得到的偏振度分布曲线与瑞利散射理论相符合，证明该测试***所测得的大气偏振光的分布信息真实可靠。

Claims (1)

1.一种大气辐射光谱偏振信息测量***，其特征是，测量***由偏振测量头（Ⅰ）、望远光学组件（Ⅱ）、光纤光谱仪组件（Ⅲ）和计算机（11）组成；偏振测量头（Ⅰ）由偏振片（1），旋转头（2），接口一（3）构成；望远光学组件（Ⅱ）由折射式望远镜（4），赤道仪（5），三脚支架（6）构成；光纤光谱仪组件（Ⅲ）由接口二（7）、余弦校正器（8）、抗紫外光纤（9）和光谱仪（10）构成；圆柱形旋转头（2）安放于接口一（3）的内侧，由旋转头紧定螺钉（14）固定，圆片状的偏振片（1）安装在旋转头（2）的内腔，用环形压圈（12）压紧，并通过两颗环形压圈紧定螺钉（13）固定在旋转头（2）上；赤道仪（5）安装在三角支架（6）上，折射式望远镜（4）安装于赤道仪（5）的上方，抗紫外光纤（9）的后端连接在光谱仪（10）上，余弦校正器（8）安装于抗紫外光纤（9）的前端，余弦校正器（8）的探头端***接口二（7），由抗紫外光纤螺钉（17）固定，使余弦校正器（8）的探头端与目镜的出瞳位置重合；通过接口一（3）将偏振测量头（Ⅰ）安装在折射式望远光学组件（Ⅱ）的前端，由偏振测量头螺钉（15）固紧，通过接口二（7）将光纤光谱仪组件（Ⅲ）安装在望远光学组件（Ⅱ）的后端，由光纤光谱仪组件紧定螺钉（16）固定；光谱仪（10）通过USB接口与计算机（11）相连接。

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