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PSIM系统稳定性自校准原理分析

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《半导体光电杂志》2016年第一期

摘要:

针对偏振光谱强度调制(PSIM)系统存在的环境稳定性问题,在PSIM系统实现偏振光谱信息调制解调机理的前期研究基础上,经过严格的理论推导,提出了一套基于傅里叶变换、滤波和傅里叶逆变换等数字信号处理过程的PSIM系统环境稳定性实时自校准算法流程。该算法流程可以从PSIM系统的实测数据中分离出因环境扰动而引入的变化量,实现PSIM系统解调系数自校正,从而有效增强PSIM系统的环境适应能力。

关键词:

光学测量;PSIM系统;稳定性;自校准

目标反射辐射的偏振光谱信息在天文观测、地球环境监测以及军事等领域均有独特的应用优势[1-5]。与传统的偏振光谱信息获取方法相比,偏振光谱强度调制(PSIM)技术具有更好的时间分辨率,更易实现高精度偏振测量[6-8]。因此,近年来正受到越来越多国内外相关研究领域专家们的关注。但是,PSIM系统中,因为使用了对环境条件变化较为敏感的高阶延迟器,当环境条件波动较大时,会影响其工作的稳定性,制约了PSIM技术的工程应用。我们在对PSIM系统实现偏振光谱信息调制解调机理的研究过程中发现[9-10],PSIM系统具有对环境扰动影响的自校准能力。通过引入恰当的数字信号处理过程,可以从PSIM系统的实测结果中实时分离出环境扰动产生的变化量,实现环境扰动的实时自校准。

1影响PSIM系统稳定性因素

PSIM系统结构原理示意图如图1所示。系统硬件由光谱仪和调制器两部分组成。调制器如图1中的虚线框所示,含有两块快轴方向夹角为45°的高阶延迟器和一块偏振器,偏振器的透光轴方向与第一块延迟器的快轴方向一致。调制器为待测光的四个Stokes矢量元素谱对应产生不同频率的载波信号,其输出是已调制的各个Stokes矢量元素谱的线性叠加。假定待测入射光的Stokes矢量元素谱。当入射光经过调制器后,由入射光Stokes矢量元素谱、构成调制器光学件的级联米勒矩阵及调制器岀射光Stokes矢量元素谱三者间的关系,可计算出调制器岀射光的强度谱。其中心频率由延迟器中O、E光间的折射率差B(σ)和延迟器的厚度Dj(j=1,2)决定。假定待测光信号的Stokes矢量元素谱是带限的,通过适当设计两块延迟器的厚度,可在变换域(光程差域)中将各个已调制信号分开,再通过后续的滤波和解调处理过程,理论上可将待测光的Stokes矢量元素谱解调出来[6]。但是,在决定载波信号中心频率的参量中存在一个不稳定因子,即高阶延迟器中O、E光间的折射率差B(σ)。研究表明,B(σ)易受环境条件变化的影响,对温度、压力等环境因素的变化有一定的敏感性,会随着它们的变化而发生改变。这种改变将导致载波信号的中心频率产生漂移,从而使由系统设计参数计算得到的解调系数,不再适用于光谱仪测量结果的解调处理,影响整个PSIM系统工作的稳定性。

2PSIM系统稳定性自校准原理

通过对PSIM系统调制解调原理的深入分析后发现,PSIM系统具有环境扰动自校准潜力。环境条件变化对PSIM系统载波信号的影响,可以通过适当的数字信号处理过程,从PSIM系统的实测结果中分离出来,为PSIM系统稳定性实时自校准提供了可能。

3结论

结合对PSIM系统调制解调机理的前期研究基础,分析了影响PSIM系统稳定性的关键因素;给出了在环境条件发生改变时,利用PSIM系统的实测数据,实现PSIM系统解调系数实时自校准原理的完整理论推导,为PSIM系统环境扰动自校准算法的工程实现提供了理论依据。综合上述推导过程,可实现环境扰动实时自校准的PSIM系统数据处理算法流程如下:(1)根据硬件设计参数,通过理论计算得到PSIM系统的解调系数K(i)-(σ)、K(i)2(σ)和K(i)+(σ);(2)测量待测光经过调制器后输出的强度谱数据,对该强度谱数据进行傅里叶变换、滤波及傅里叶逆变换处理。

作者:宋志平 张明辉 单位:安徽大学 物理与材料科学学院

半导体光电杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次