本发明涉及一种适用于遥感偏振探测、基于磷酸二氘钾(kd*p)晶体调制实现的线偏振分析器以及基于此线偏振分析器实现的偏振测量方法，属于遥感偏振技术领域。
背景技术：
基于kd*p晶体调制的线偏振分析器是目前典型的一种偏振测量仪器，其主要是用于太阳日冕的测量。传统的kd*p型线偏振分析器主要由一个可旋转的1/4波片、一个kd*p调制器和一个检偏器组成。测量时，通过旋转1/4波片选择入射光的两个线偏振参数q和u，再通过kd*p调制器和检偏器实现两个线偏振参数的调制和解调。从实际实施中可以看到，上述传统偏振测量方法的最大缺点在于，stokes参数(i、q、u)的获得需要操作1/4波片使其旋转，而1/4波片的旋转是由旋转电机来控制的，旋转电机的响应速度很大程度上限制了线偏振分析器的测量速度，因此在实际测量中，获得一组线偏振stokes参数的速度较慢，不能充分利用kd*p晶体的高调制频率(几十khz)，无法获得快速变化的偏振信号且受大气湍流影响较大，降低了偏振测量灵敏度。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于磷酸二氘钾调制的线偏振分析器及基于此线偏振分析器实施的偏振测量方法，其使用两个固定的kd*p调制器替代了传统的旋转加kd*p调制方式，入射光束射入便开始测量，测量速度快、灵敏度高，充分利用了kd*p晶体的高调制频率。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于磷酸二氘钾调制的线偏振分析器，其特征在于：它包括沿同一光轴依次排列的第一kd*p调制器、第二kd*p调制器、1/4波片、检偏器、成像透镜和探测器；探测器将探测获得的光强值输送给计算机进行线偏振stokes参数的计算；信号发生器对交流高压调制器的运行进行控制，通过交流高压调制器对第一kd*p调制器、第二kd*p调制器的频率、相位实现调制；计算机对同步控制器的运行进行控制，同步控制器对信号发生器和探测器进行同步控制，以使第一、第二kd*p调制器在交流高压调制器作用下的频率、相位调制与探测器的光探测同步完成。
所述信号发生器借由所述交流高压调制器以倍频关系调制所述第一kd*p调制器和所述第二kd*p调制器，所述第一kd*p调制器、所述第二kd*p调制器的相位延迟以±90°变换进行调制。
所述光轴定义为z轴，与z轴垂直的竖直平面为xy平面，在水平面内与z轴垂直的轴线定义为x轴，与x轴垂直的轴线定义为y轴，其中：所述检偏器、所述第二kd*p调制器、所述第一kd*p调制器三者的快轴方位角均处于xy平面内定义的第一象限内，其中，所述检偏器快轴的方位角为0度，所述第一kd*p调制器快轴的方位角是所述第二kd*p调制器快轴的方位角的三倍，所述1/4波片快轴的方位角与所述第一kd*p调制器快轴的方位角相同。
较佳地，所述第二kd*p调制器快轴、所述第一kd*p调制器快轴相对于所述检偏器快轴的夹角分别为22.5度、67.5度。
所述第一kd*p调制器、所述第二kd*p调制器包括z向切割而成的kd*p晶体。
所述1/4波片为云母或石英，所述检偏器为二向色性起偏器或双折射起偏器，所述探测器为光电二极管或光电倍增管或ccd图像传感器。
一种基于所述的基于磷酸二氘钾调制的线偏振分析器实现的偏振测量方法，其特征在于，它包括步骤：
1)调整所述第一kd*p调制器、所述第二kd*p调制器、所述1/4波片和所述检偏器的方位角；
2)设定所述交流高压调制器的高电压以及频率输出；
3)设定所述信号发生器调制所述第一kd*p调制器与所述第二kd*p调制器之间的倍频关系，设定以±90°变换调制所述第一kd*p调制器、所述第二kd*p调制器的相位延迟；
3)所述同步控制器同步控制所述信号发生器和所述探测器，实现所述第一kd*p调制器、所述第二kd*p调制器的调制与所述探测器的光信号采集之间的同步；
4)所述探测器基于接收的代表4个线性无关的调制光状态计算出4个光强值，并将4个光强值传送给所述计算机，其中，4个光强值分别记为i1、i2、i3、i4；
5)所述计算机通过下式1)-4)计算出线偏振stokes参数：
i＝(i1+i2+i3+i4)/41)
q＝(i1-i2)/22)
u＝(i3-i4)/23)
sin＝[iqu]t4)
上式中：sin为stokes参数，i为总光强，q为水平线偏振分量与垂直线偏振分量之差，u为45度线偏振分量与135度线偏振分量之差。
本发明的优点是：
1、本发明线偏振分析器结构合理、实用，使用两个固定的kd*p调制器替代了传统的旋转加kd*p调制方式，不存在需要旋转的部件，入射光束射入后便开始测量，测量速度快，调制速度快，测量灵敏度高，充分利用了kd*p晶体的高调制频率。
2、本发明运行稳定可靠，操作方便、简单，直接通过计算机即可完成测量，无需人工参与繁琐的操作，测量准确性高，测量效率高。
附图说明
图1是本发明线偏振分析器的构成原理图。
图2是本发明定义的方位坐标图。
图3是检偏器、第一kd*p调制器、第二kd*p调制器和1/4波片的摆放方位角说明图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于磷酸二氘钾(kd*p)调制的线偏振分析器包括沿同一光轴依次排列的第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12、1/4波片13、检偏器14、成像透镜15和探测器16；探测器16将探测获得的光强值输送给计算机17进行线偏振stokes参数的计算；信号发生器19对交流高压调制器18的运行进行控制，通过交流高压调制器18对第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12的频率、相位实现调制；计算机17对同步控制器10的运行进行控制，同步控制器10对信号发生器19和探测器16进行同步控制，以使第一、第二kd*p调制器11、12在交流高压调制器18作用下的频率、相位调制与探测器16的光探测在同一时间内同步完成。
如图，计算机17向同步控制器10发出测量指令，而后同步控制器10同步控制信号发生器19和探测器16工作，以使第一、第二kd*p调制器11、12受交流高压调制器18实现频率和相位调节与探测器16实现光探测这两个动作同步执行。于是，射入的入射光束依次通过第一、第二kd*p调制器11、12、1/4波片13、检偏器14和成像透镜15后被探测器16接收，探测器16将其处理后得到的光强值结果发送给计算机17进行进一步处理，以便求取线偏振stokes参数。
在实际实施时，信号发生器19借由交流高压调制器18以倍频关系调制第一kd*p调制器11和第二kd*p调制器12，例如优选地，第二kd*p调制器12的频率为两倍的第一kd*p调制器11的频率，即若第一kd*p调制器11的频率为f，则第二kd*p调制器12的频率为2f。第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12的相位延迟以±90°变换进行调制，即设定第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12的相位延迟均为90°，在交流高压调制下分别在[90°90°]、[90°-90°]、[-90°90°]、[-90°-90°]之间变换，从而实施相位调制。
在实际实施时，1/4波片13的相位延迟可设定为90°。
在本发明中，光轴定义为z轴，与z轴垂直的竖直平面为xy平面，在水平面内与z轴垂直的轴线定义为x轴，与x轴垂直的轴线定义为y轴，其中：检偏器14快轴、第二kd*p调制器12快轴、第一kd*p调制器11快轴三者的方位角均处于xy平面内定义的第一象限(或说同一象限内)内，其中，检偏器14快轴的方位角为0度，即检偏器14快轴的方位角沿x轴正向方向设置，第一kd*p调制器11快轴的方位角是三倍的第二kd*p调制器12快轴的方位角，1/4波片13快轴的方位角与第一kd*p调制器11快轴的方位角相同。
换句话说，本发明采用图2所示的三维坐标系：
入射光束的传播方向定义为z轴正向，即第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12、1/4波片13、检偏器14、成像透镜15和探测器16以z轴(光轴)同轴设置，在水平面内与z轴垂直的轴线定义为x轴，x轴正向可定义为朝向纸面，与z轴、x轴均垂直的轴线定义为y轴，即xy平面与z轴垂直，y轴正向可定义为朝上，于是xy平面的第一象限便限定出。
如图3，图中示出了检偏器14快轴、第二kd*p调制器12快轴、第一kd*p调制器11快轴和1/4波片13快轴在定义的xy平面第一象限内的方位角设置。
优选地，第二kd*p调制器12快轴、第一kd*p调制器11快轴相对于检偏器14快轴的夹角分别为22.5度(参见图3中点划线所示)、67.5度(参见图3中虚线所示)。
在本发明中，光矢量传播速度快的方向定义为快轴，与快轴垂直的方向定义为慢轴，快轴、慢轴为本领域的熟知光学概念。
在实际设计中，第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12包括z向切割而成的kd*p晶体(磷酸二氘钾晶体)。
1/4波片13采用云母或石英或其它材料的波片。
检偏器14采用二向色性起偏器或双折射起偏器。
成像透镜15采用熟知透镜。
探测器16采用光电二极管或光电倍增管或ccd图像传感器，在实际中优选ccd图像传感器。
基于上述本发明磷酸二氘钾调制的线偏振分析器，本发明还提出了一种偏振测量方法，它包括步骤：
1)调整第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12、1/4波片13和检偏器14的方位角；
2)设定交流高压调制器18的高电压以及频率f输出，高电压范围控制在700v-2000v之间，例如选取输出电压为900v，频率范围控制在10hz-75hz之间，例如选取输出频率f为30hz；
3)设定信号发生器19调制第一kd*p调制器11与第二kd*p调制器12之间的倍频关系，设定以±90°变换调制第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12的相位延迟；
3)计算机17发出测量指令，同步控制器10发出脉冲信号，同步控制信号发生器19和探测器16，实现第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12的调制与探测器16的光信号采集之间的同步；
4)入射光束依次通过第一、第二kd*p调制器11、12、1/4波片13、检偏器14和成像透镜15后被探测器16接收，探测器16基于接收的代表4个线性无关的调制光状态计算出4个光强值，并将这4个光强值传送给计算机17，其中，4个光强值分别记为i1、i2、i3、i4；
5)计算机17通过下式1)-4)计算出可全面描述入射光束偏振态和光强度的线偏振stokes参数(斯托克斯参数)：
i＝(i1+i2+i3+i4)/41)
q＝(i1-i2)/22)
u＝(i3-i4)/23)
sin＝[iqu]t4)
上式中：sin为stokes参数，i为总光强，q为水平线偏振分量与垂直线偏振分量之差，u为45度线偏振分量与135度线偏振分量之差，式4)中的t表示转置矩阵。
本发明偏振测量方法的实施原理为：
设定入射光束的stokes参数sin为[iqu]t，设定调制频率为f，调整交流高压调制器18的输出电压，令第一、第二kd*p调制器11、12的相位延迟为90°。于是，计算机17通过同步控制器10同步控制探测器16和信号发生器19，信号发生器19分别以f和2f两倍频关系调制第一、第二kd*p调制器11、12。
于是，当入射光束射入，经由第一、第二kd*p调制器11、12、1/4波片13、检偏器14调制后，通过成像透镜15后被探测器16接收。
根据偏振光学的mueller矩阵(米勒矩阵)理论，探测器16接收的光强i可表达为下式5)：
i＝[100]mar(-θ1)m1/4r(θ1)r(-θ2)mkd*p2r(θ2)r(-θ1)mkd*p1r(θ1)[iqu]t5)
式5)中：
r(θ1)、r(-θ1)、r(θ2)、r(-θ2)分别为旋转矩阵，ma、m1/4、mkd*p2、mkd*p1分别为检偏器14、1/4波片13、第二kd*p调制器12、第一kd*p调制器11的mueller矩阵，且上述矩阵采用下式表示：
其中：θ1为第一kd*p调制器11和1/4波片13的快轴在xy平面内的方位角，θ2为第二kd*p调制器12的快轴在xy平面内的方位角，例如θ1＝67.5°，θ2＝22.5°；δ1、δ2和δ1/4分别为第一kd*p调制器11、第二kd*p调制器12和1/4波片13的相位延迟。
在探测器16中进行如下计算：
a)当δ1＝90°，δ2＝90°，δ1/4＝90°时，探测器16得到的光强值i1＝i+q；
b)当δ1＝90°，δ2＝-90°，δ1/4＝90°时，探测器16得到的光强值i2＝i-q；
c)当δ1＝-90°，δ2＝90°，δ1/4＝90°时，探测器16得到的光强值i3＝i+u；
d)当δ1＝-90°，δ2＝-90°，δ1/4＝90°时，探测器16得到的光强值i4＝i-u；
于是，在计算机17中，stokes参数sin由下式计算得到：
i＝(i1+i2+i3+i4)/41)
q＝(i1-i2)/22)
u＝(i3-i4)/23)
sin＝[iqu]t4)
本发明的优点是：
1、本发明线偏振分析器结构合理、实用，使用两个固定的kd*p调制器替代了传统的旋转kd*p调制方式，不存在需要旋转的部件，入射光束射入后便开始测量，测量速度快，调制速度快，测量灵敏度高，充分利用了kd*p晶体的高调制频率。
2、本发明运行稳定可靠，操作方便、简单，直接通过计算机即可完成测量，无需人工参与繁琐的操作，测量准确性高，测量效率高。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。