振幅偏振分割型全偏振成像光学系统误差分析与实验验证研究

论文摘要

偏振遥感测量可获取更丰富的光学信息,已在各领域显现了重要的价值。偏振测量精度取决于偏振测量系统的研制精度,研制高精度的偏振测量系统已是研究热点。偏振测量系统中关键参数误差对偏振测量精度有着不可忽略的影响,研究系统参数误差对偏振测量精度影响的机理,有助于消除或减小系统参数误差对偏振测量精度的影响,为偏振测量系统的参数设计和研制提供理论支撑。偏振测量系统的误差分析与实验验证研究具有很高学术价值和应用价值。振幅偏振分割型全偏振成像系统具有空间分辨率高,偏振测量精度高,实时性好等优点,有很高的应用价值。针对振幅偏振分割型全偏振成像系统,国内外学者仅仿真分析了系统中波片快轴角度误差及部分偏振分束器分束比误差对偏振度测量误差的影响,然而在系统偏振测量精度评估过程中并未考虑入射光椭圆度角的变化对系统偏振测量精度的影响,现有的系统偏振测量精度评估方法尚不完备,系统性能的优化方法、系统中其他关键参数误差及系统关键参数耦合误差对偏振测量精度影响的分析及其分析结果的实验验证研究尚未见到相关文献报道。因此,本文针对振幅偏振分割型全偏振成像系统,主要研究系统性能的优化方法,通过分析系统中关键参数误差对偏振测量精度的影响,提出一种完备的系统偏振测量精度评估方法,分析系统中关键参数耦合误差对偏振测量精度的影响,通过实验验证的方法,对系统误差模型以及系统关键参数耦合误差分析结果的正确性进行验证,具体研究内容如下:本文根据振幅偏振分割型全偏振成像系统的偏振测量原理,建立了误差模型,提出一种系统性能优化方法,该方法通过优化系统中部分偏振分束器的分束比可有效地减小系统中波片快轴装调误差对偏振测量精度影响。系统性能优化仿真结果表明:系统测量矩阵的条件数小于1.84时,选取系统中部分偏振分束器的分束比为0.772/0.228,可使波片快轴装调误差对系统偏振测量精度的影响最小,获取了系统最优的理论设计参数。提出一种系统偏振测量精度的评估方法。误差模型分析结果表明:在邦加球球面和球内均匀地选取不同偏振度、偏振角和椭圆度角的Stokes矢量作为入射光,当系统关键参数误差恒定时,入射光偏振度越大对应的偏振测量误差越大,因此选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统。利用该系统偏振测量精度评估方法,对系统中1/2波片和1/4波片快轴装调误差、1/2波片和1/4波片相位延迟误差以及偏振分束器分束比误差进行了分析,研究了系统参数耦合误差对偏振测量误差的影响,给出了系统中关键参数的误差容限,为系统的装调和研制提供理论依据。对本文建立的系统误差模型进行了实验验证,实验验证结果表明,实验结果与利用系统误差模型仿真的结果具有很好的一致性,由此验证了系统误差模型的正确性。搭建了成像式实验光路,在成像式光路中加入了小视场光学镜头,对光学镜头的起偏特性进行了实验测量,实验结果表明:小视场的光学镜头对入射光Stokes矢量及偏振度所造成的偏差均不大于2.6×10-4,与本文要求的偏振测量精度优于2%相比较,可以忽略光学镜头的起偏特性。利用成像式实验光路对系统关键参数耦合误差分析结果进行了实验验证,实验结果表明,实验结果与系统关键参数耦合误差分析结果具有很好的一致性,验证了系统关键参数耦合误差分析结果的正确性。本文研究的内容,可为振幅偏振分割型全偏振成像系统的研制提供重要的科学依据。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 国内外偏振测量系统的研究进展
•     1.2.1 国外偏振测量系统研究进展
•     1.2.2 国内偏振测量系统研究进展
•   1.3 偏振测量系统误差建模分析的研究进展
•   1.4 论文研究思路及章节安排
•     1.4.1 论文研究思路
•     1.4.2 章节安排
• 第2章 振幅偏振分割型全偏振成像系统误差建模及系统性能优化
•   2.1 偏振光的Stokes矢量
•   2.2 系统中关键偏振器件的Mueller矩阵
•     2.2.1 部分偏振分束器的Mueller矩阵
•     2.2.2 波片的Mueller矩阵
•   2.3 振幅偏振分割型全偏振成像系统工作原理及误差建模
•     2.3.1 系统工作原理
•     2.3.2 系统关键误差源分析
•     2.3.3 系统的误差建模
•   2.4 系统波片快轴装调误差分析及优化
•     2.4.1 波片快轴装调误差建模
•     2.4.2 基于典型基态入射光的波片快轴装调误差仿真及分析
•     2.4.3 基于邦加球采样的波片快轴装调误差仿真及分析
•     2.4.4 振幅偏振分割型全偏振成像系统波片快轴装调误差的优化
•     2.4.5 波片快轴装调误差对偏振度测量精度的影响
•   2.5 本章小结
• 第3章 振幅偏振分割型全偏振成像系统关键光学参数加工误差建模分析
•   3.1 系统中波片相位延迟加工误差建模分析
•     3.1.1 波片相位延迟误差建模
•     3.1.2 基于典型基态入射光的波片相位延迟误差仿真及分析
•     3.1.3 基于邦加球采样的波片相位延迟误差仿真及分析
•     3.1.4 波片相位延迟误差对偏振度测量精度的影响
•   3.2 系统中PPBS分束比加工误差建模分析
•     3.2.1 PPBS分束比误差建模
•     3.2.2 基于邦加球采样的PPBS分束比误差仿真及分析
•     3.2.3 PPBS分束比误差对偏振度测量精度的影响
•   3.3 系统中PBS1分束比加工误差建模分析
•     3.3.1 PBS1分束比误差建模
•     3.3.2 基于邦加球采样的PBS1分束比误差仿真及分析
•     3.3.3 PBS1分束比误差对偏振度测量精度的影响
•   3.4 系统中PBS2分束比加工误差建模分析
•     3.4.1 PBS2分束比误差建模
•     3.4.2 基于邦加球采样的PBS2分束比误差仿真及分析
•     3.4.3 PBS2分束比误差对偏振度测量精度的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 系统关键参数耦合误差分析及误差模型实验验证
•   4.1 振幅偏振分割型全偏振成像系统关键光学参数耦合误差分析
•   4.2 系统偏振测量误差模型的实验验证
•     4.2.1 系统误差模型的验证实验光路
•     4.2.2 四分束偏振分析装置测量矩阵的实验测量及精度验证
•     4.2.3 系统误差模型的验证结果及分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 基于成像式实验光路的系统误差仿真结果实验验证研究
•   5.1 成像式系统误差分析结果验证实验光路的组成
•   5.2 成像式四分束偏振分析装置测量矩阵的实验测量及精度分析
•   5.3 基于成像式光路的系统误差对偏振精度影响的实验验证
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 殷玉龙

导师: 孙晓兵

关键词: 振幅偏振分割,偏振测量,误差建模分析,实验验证,耦合误差

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O436.3

总页数: 145

文件大小: 11840K

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