PSIM系统稳定性自校准原理分析范文

《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