混浊介质二维后向漫散射穆勒矩阵的测量

研制了一套实验系统用于测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵.在系统中,激光被调制成所需偏振态,聚焦于混浊介质表面.利用CCD相机配合相应的偏振元件,测量入射点周围区域的后向散射光中特定偏振态的能量空间分布,并由测量值计算出介质的后向漫散射穆勒矩阵.描述了系统的组成、测量原理以及方法,分别测量了消偏振分光棱镜的反射穆勒矩阵和浓度1.5％的脂肪乳溶液的后向漫散射穆勒矩阵.实验证明:该系统能够完全消除样品表面镜面反射光的干扰,精确的测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵;并可望用于生物组织的研究中.     

水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法,采用抛物面镜结合传感器探测方式,同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置,采用粒径为57~954nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本,获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数,测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合,验证了利用该装置对水体中粒径小于1μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

基于退偏振特性分辨伪装涂层的研究

伪装技术作为现代战争中一种重要的作战方式,在战场上起着至关重要的作用,对伪装目标的探测直接影响到战争的结果,利用退偏振特性检测伪装涂层的研究未见报道,因此对伪装涂层退偏振特性的研究具有重要意义。为了研究这一问题,从电磁波散射的机理出发,研究了其与退偏振特性之间的理论关系,利用琼斯矩阵和穆勒矩阵建立物理模型,结合偏振特性分解穆勒琼斯矩阵,得到被测量样品表面的完全退偏振系数(ω_d)。实验分别通过七个不同的入射角度对土壤与三种黄色伪装涂层进行测量,分析了土壤和三种黄色伪装涂层表面的退偏振特性,最后应用菲涅尔方程验证理论模型。分析可知：被测量样品表面的退偏振特性与表面散射程度相关,并且随着入射角度的增大,被测量样品的完全退偏振系数(ω_d)均呈递减趋势,但是在整个测量过程中,土壤与三种伪装涂层的完全退偏振系数(ω_d)具有很大的差异。研究表明：首次引用完全退偏振系数作为伪装目标分辨的重要参量,精确有效地分辨出土壤背景中的黄色伪装涂层,并且实验操作过程简单,周期较短,在现代战场上可以方便快速地识别出伪装目标,为战斗的胜利赢得了宝贵的时间,具有极大的应用价值,对伪装识别技术的发展有着极为重要的意义。     

离轴三反望远物镜的穆勒矩阵测量

搭建了一种大口径反射式物镜的穆勒矩阵测量系统，建立了该测量系统受温度影响的数学分析模型，推导出对应的系统参数求解方程，获得准确的系统参数，最终实现三反物镜的穆勒矩阵测量。通过对延迟器进行温度测量和补偿，提升了测量结果的准确性，得到三反物镜的双向衰减和相位延迟量，与CODE V仿真理论值基本吻合，分别差0.0002、0.5211°。利用所提方法测量的穆勒矩阵各因子的合成标准不确定度≤0.0006，对相机偏振测量精度的影响≤0.0038@p=1.0(p为偏振度)，因此所提方法可作为一种高精度的偏振定标方法。     

涂层目标1.06μm偏振双向反射分布函数测量方法研究

为了获取复杂涂层目标的光学散射特性,介绍了一套全自动偏振双向反射分布函数测量系统,可以测量半球空间内几乎所有角度下的偏振双向反射分布函数。采用双波片旋转法实现了对光的偏振调制,利用离散傅里叶变换反演出了涂层目标的Muller矩阵。给出了某涂层样品的测量结果与模型的计算比较。结果表明,这种方法是一种测量涂层目标偏振双向反射分布函数的有效方法。     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性,也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前,利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射,其出射光源可能存在一定的偏振,进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前,关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题,以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例,对其出射光源的偏振特性进行了系统测量,并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明,HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%),其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。因此,HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响,且影响程度随着波段,线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下,光源偏振引起的420,442,470,510,590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%,11.27%,12.79%,14.43%,13.76%,12.46%。因此,利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响,并需尽可能降低出射光源的偏振度。     

考虑静态双折射和圆二色性的弹光调制器偏振特性

为了进一步理解弹光调制器(PEM)的静态双折射和圆二色性,深入研究了PEM偏振特性。运用Muller矩阵分别描述弹光调制、静态双折射和圆二色性的偏振特性,建立了同时考虑静态双折射和圆二色性的PEM偏振特性模型;对该模型进行理论分析和仿真分析;搭建实验装置并进行了偏振调制实验。实验结果表明理论分析正确合理,PEM的偏振特性应为微小静态双折射、弹光调制和微弱圆二色性效应的组合。此外,还精细测量了其中一个PEM样品的圆二色性值为2.755×10~(-2),静态双折射的相位延迟值b=5.73×10~(-2)rad和方向角α=3.96°。较全面地给出了PEM偏振特性的一般Muller矩阵描述,扩充了弹光偏振调制方面的知识。     

基于离轴三反的同时全偏振成像仪的偏振定标方法

同时全偏振成像仪是一种基于大口径离轴三反系统的高空间分辨率偏振遥感器,它采用棱镜分振幅的同时偏振测量方法。由于仪器偏振器件多,特性复杂,导致仪器的测量矩阵偏离理想值。为保证仪器的偏振测量精度,需要进行有效的偏振定标。提出了一种利用标准线偏振光源与圆偏振光源对一种分振幅型同时偏振成像仪进行定标的方法。线偏振定标源定标仪器测量矩阵的前三列,利用最小二乘拟合傅里叶系数获得定标系数;圆偏振定标源定标仪器测量矩阵的第4列,采用将光源旋转90°测量两次求平均的方法消除光源圆偏振态的非理想性。最后通过实验验证了同时全偏振成像仪的偏振测量精度,结果表明:定标后偏振测量精度优于1%(P≤0.3)。     

基于穆勒矩阵的模拟溢油样品荧光偏振特性研究

为了对模拟溢油样品在不同偏振态激发下诱导荧光的偏振特性进行研究,借鉴了穆勒矩阵椭偏仪的原理和结构,搭建了基于旋转波片原理的模拟溢油样品激光诱导荧光椭偏实验装置。通过特征值校准方法对该装置进行校准,获得了宽波段下偏振状态调制矩阵W(λ)和偏振状态分析矩阵A(λ)的确切调制状态,并基于荧光光谱强度矩阵Flu(λ)分别建立了轻、中、重质原油样品和柴油样品的荧光穆勒矩阵。通过极化分解方法对荧光穆勒矩阵进行分解后发现,不同样品荧光光谱的退偏振性质差异十分显著。柴油样品荧光穆勒矩阵的退偏振系数Δ(λ)没有明显的波长响应性,在荧光光谱范围内始终保持较高的退偏值,而三种原油样品的退偏系数Δ(λ)则随波长增大逐渐上升,其中,中质原油样品退偏系数随波长的变化幅度小于重质样品,超过轻质样品;就不同样品的退偏值来看,轻质原油样品最高,重质样品最低,中质原油样品介于二者之间,柴油样品的荧光退偏值略低于轻质原油样品,介于轻质和中质原油样品之间。将基于荧光穆勒矩阵极化分解后的结果与线偏振激发下样品荧光光谱的正交偏振实验结果进行对比,发现两种实验方法获得的退偏系数具有较高的吻合程度。实验还发现,四种模拟溢油样品荧光穆勒矩阵所包含的双向衰减和相位延迟性质都很微弱,不具有明显的差异。     

基于微流控技术的双颗粒体散射函数测量实验研究

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析,以PDMS为材料,设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片,并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台,搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒,在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配,持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75μm、31.10μm、40.01μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究,并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒,实验操作简单且具有较好的重复性,在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。     

基于六参量偏振BRDF模型的地物背景偏振反射特性研究

为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性。     

基于双折射晶体的快拍穆勒矩阵成像测偏原理分析

针对传统穆勒矩阵成像测偏仪包含活动部件,需进行多次测量,容易产生测量误差,不能对运动目标或动态场景进行同时、实时测量等问题,提出了一种以改进型萨瓦偏光镜为核心分光器件的快拍Mueller矩阵成像测偏技术(MSP-SMMIP).它不含任何活动部件,能通过单次快拍测量获取目标强度图像和全部16个穆勒矩阵阵元图像.它主要由偏振态产生和偏振态分析两部分组成,偏振干涉条纹通过偏振态产生光路后定位于测试样品上,随后这些条纹通过空间载频将样品的Mueller矩阵分量编码,经偏振态分析光路成像于焦平面上.采用斯托克斯矢量-穆勒矩阵形式阐明了光场偏振态被MSP-SMMIP调制的过程,给出了其像面干涉图表达式,讨论了Mueller矩阵反演和系统定标的方法.基于CCD相机参数分析了系统的光学指标.通过数值模拟实验给出模拟测量结果,通过定性和定量评价测量结果表明该系统的可行性.MSP-SMMIP技术具有稳态、快拍、结构简洁、易定标、可同时实时获取目标强度图像和全部Mueller矩阵阵元图像的显著特点.     

水下多粒子场激光偏振特性研究

水中粒子偏振效应的变化对激光水下探测领域的研究具有重要意义。针对不同粒子多次散射对后向散射光强以及偏振度的影响规律问题,基于激光偏振特性理论,通过实验测量的方法,对比分析了线偏振激光入射不同气泡大小和不同气泡数密度形成的气泡幕、不同气泡幕所在距离、洁净水与混浊水、不同入射角度情况下回波信号在强度和偏振度特性上的差异性,验证了水下激光偏振特性变化用于激光水下探测领域的可行性。     

检偏角对水中光脉冲后向散射特性的影响

水体自身对光脉冲有着较强的散射,这限制了水下目标探测的有效检测距离。利用偏振技术对近处水域散射信号进行抑制,有着极大的应用价值。实验探测和分析了探测系统检偏角不同时,水体对激光脉冲后向散射特性的影响。结果表明,检偏角不同时,光脉冲后向散射信号的前沿、后沿、脉宽、峰值、波形以及脉冲面积等特性都会发生变化;利用偏振技术可以有效地对近处水域的散射进行抑制。     

基于偏振双向反射分布函数的粗糙表面偏振特性

为了研究高斯粗糙表面偏振特性,基于微面元理论,综合考虑微面元的漫反射和镜面反射,建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标,对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角,以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明:粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值,且随方位角的增大而增大;相位延迟随入射角的增大而减小,且在方位角变化范围内有极大值;退偏能力在入射角范围内有极小值,且随方位角的增大而减小;粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

偏振显示及椭圆偏振光测量实验

以单束正交线偏振光为光源,利用角向偏振显示器,采用CCD摄像机进行图像采集,利用Matlab软件进行图像处理,设计了一种由He-Ne激光器、角向偏振显示器组成的偏振光偏振方向显示系统,并研究了其角度特性.实验结果表明:系统在起偏器的起偏角分别为0°、90°、180°、270°、360°时,角向偏振显示器偏振显示角度的测量准确度分别为0.480°、0.168°、0.528°、0.421°、0.340°,测量精确度分别为0.208°、0.576°、0.660°、0.603°、0.466°,测量数据拟合曲线的线性相关系数为0.999.结合1/4波片,检偏器和分光比为50:50的分束器,构建了椭圆偏振光测量系统,完成了椭圆偏振光测量实验,椭圆率为0.198.     

动态光散射实验中散射光偏振状态的研究

颗粒散射光的偏振状态对提高动态光散射实验系统空间相干性和测量结果正确性有着重要影响,因此研究散射光的偏振状态具有重要现实意义的。本文利用米散射理论分析了入射光与散射光偏振状态之间的关系,在此基础上揭示了在动态光散射中使用垂直偏振光作为入射光的理论依据,并在实验中验证了上述理论的正确性。     

基于穆勒矩阵成像全阵元曲线的癌变组织识别

改进原有背向穆勒矩阵成像装置,采集未染色肺癌、乳腺癌切片,基于穆勒矩阵各阵元的物理含义,借鉴光谱数据生成偏振立方体,纵向提取任意像素全阵元曲线,展示曲线特有的穆勒矩阵信息分析方式。采用夹角余弦曲线分类方法,对照病理标注生成混淆矩阵。其中肺癌、乳腺癌精度可达89.59%、87.82%,高倍率乳腺癌精度为77.52%。全阵元曲线较单一阵元分类准确率更高。本文方法的可视化分析、像素分类、跨尺度特性表明在偏振检测领域有很大的挖掘空间以及应用潜力。