PSIM系統(tǒng)穩(wěn)定性自校準(zhǔn)原理分析范文

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《半導(dǎo)體光電雜志》2016年第一期

摘要：

針對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制（psim）系統(tǒng)存在的環(huán)境穩(wěn)定性問題，在PSIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偏振光譜信息調(diào)制解調(diào)機(jī)理的前期研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，提出了一套基于傅里葉變換、濾波和傅里葉逆變換等數(shù)字信號(hào)處理過程的PSIM系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定性實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)算法流程。該算法流程可以從PSIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中分離出因環(huán)境擾動(dòng)而引入的變化量，實(shí)現(xiàn)PSIM系統(tǒng)解調(diào)系數(shù)自校正，從而有效增強(qiáng)PSIM系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：

光學(xué)測(cè)量；PSIM系統(tǒng)；穩(wěn)定性；自校準(zhǔn)

目標(biāo)反射輻射的偏振光譜信息在天文觀測(cè)、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事等領(lǐng)域均有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［1－5］。與傳統(tǒng)的偏振光譜信息獲取方法相比，偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制（PSIM）技術(shù)具有更好的時(shí)間分辨率，更易實(shí)現(xiàn)高精度偏振測(cè)量［6－8］。因此，近年來正受到越來越多國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜覀兊年P(guān)注。但是，PSIM系統(tǒng)中，因?yàn)槭褂昧藢?duì)環(huán)境條件變化較為敏感的高階延遲器，當(dāng)環(huán)境條件波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)影響其工作的穩(wěn)定性，制約了PSIM技術(shù)的工程應(yīng)用。我們?cè)趯?duì)PSIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偏振光譜信息調(diào)制解調(diào)機(jī)理的研究過程中發(fā)現(xiàn)［9－10］，PSIM系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境擾動(dòng)影響的自校準(zhǔn)能力。通過引入恰當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理過程，可以從PSIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果中實(shí)時(shí)分離出環(huán)境擾動(dòng)產(chǎn)生的變化量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境擾動(dòng)的實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)。

1影響PSIM系統(tǒng)穩(wěn)定性因素

PSIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件由光譜儀和調(diào)制器兩部分組成。調(diào)制器如圖1中的虛線框所示，含有兩塊快軸方向夾角為45°的高階延遲器和一塊偏振器，偏振器的透光軸方向與第一塊延遲器的快軸方向一致。調(diào)制器為待測(cè)光的四個(gè)Stokes矢量元素譜對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同頻率的載波信號(hào)，其輸出是已調(diào)制的各個(gè)Stokes矢量元素譜的線性疊加。假定待測(cè)入射光的Stokes矢量元素譜。當(dāng)入射光經(jīng)過調(diào)制器后，由入射光Stokes矢量元素譜、構(gòu)成調(diào)制器光學(xué)件的級(jí)聯(lián)米勒矩陣及調(diào)制器岀射光Stokes矢量元素譜三者間的關(guān)系，可計(jì)算出調(diào)制器岀射光的強(qiáng)度譜。其中心頻率由延遲器中O、E光間的折射率差B（σ）和延遲器的厚度Dj（j＝1，2）決定。假定待測(cè)光信號(hào)的Stokes矢量元素譜是帶限的，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)兩塊延遲器的厚度，可在變換域（光程差域）中將各個(gè)已調(diào)制信號(hào)分開，再通過后續(xù)的濾波和解調(diào)處理過程，理論上可將待測(cè)光的Stokes矢量元素譜解調(diào)出來［6］。但是，在決定載波信號(hào)中心頻率的參量中存在一個(gè)不穩(wěn)定因子，即高階延遲器中O、E光間的折射率差B（σ）。研究表明，B（σ）易受環(huán)境條件變化的影響，對(duì)溫度、壓力等環(huán)境因素的變化有一定的敏感性，會(huì)隨著它們的變化而發(fā)生改變。這種改變將導(dǎo)致載波信號(hào)的中心頻率產(chǎn)生漂移，從而使由系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到的解調(diào)系數(shù)，不再適用于光譜儀測(cè)量結(jié)果的解調(diào)處理，影響整個(gè)PSIM系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2PSIM系統(tǒng)穩(wěn)定性自校準(zhǔn)原理

通過對(duì)PSIM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理的深入分析后發(fā)現(xiàn)，PSIM系統(tǒng)具有環(huán)境擾動(dòng)自校準(zhǔn)潛力。環(huán)境條件變化對(duì)PSIM系統(tǒng)載波信號(hào)的影響，可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理過程，從PSIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果中分離出來，為PSIM系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)提供了可能。

3結(jié)論

結(jié)合對(duì)PSIM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)機(jī)理的前期研究基礎(chǔ)，分析了影響PSIM系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；給出了在環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，利用PSIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PSIM系統(tǒng)解調(diào)系數(shù)實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)原理的完整理論推導(dǎo)，為PSIM系統(tǒng)環(huán)境擾動(dòng)自校準(zhǔn)算法的工程實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。綜合上述推導(dǎo)過程，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境擾動(dòng)實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)的PSIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法流程如下：（1）根據(jù)硬件設(shè)計(jì)參數(shù)，通過理論計(jì)算得到PSIM系統(tǒng)的解調(diào)系數(shù)K（i）－（σ）、K（i）2（σ）和K（i）＋（σ）；（2）測(cè)量待測(cè)光經(jīng)過調(diào)制器后輸出的強(qiáng)度譜數(shù)據(jù)，對(duì)該強(qiáng)度譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、濾波及傅里葉逆變換處理。

作者：宋志平 張明輝 單位：安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院