[發明專利]基于光強測量積分時間優化的Stokes矢量測量方法

有效

• 申請號: 201510546871.8
• 申請日: 2015-08-31
• 公開（公告）號: CN105203209B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 胡浩豐;李校博;劉鐵根;黃柄菁;江俊峰;劉琨
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01J4/00
• 分類號: G01J4/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李素蘭

技術領域

本發明涉及偏振測量領域，特別是涉及一種基于光強測量積分時間優化的偏振測量方法。

背景技術

偏振信息作為光波的基本物理信息之一，可以提供其它光波信息所不能提供的被測物信息，因此偏振信息的測量在許多領域有著十分廣泛的應用。Stokes矢量描述了光波的偏振態，包含了最基本的偏振信息。Stokes矢量的測量也由此成為偏振測量領域的主要方向之一，因此提高Stokes矢量的測量精度對于提高偏振測量技術的水平具有重要意義。測量數據的方差是影響測量精度的關鍵因素。通常的Stokes矢量測量是通過光強的測量來實現的：首先測量偏振分析器(PSA)四個不同狀態下的透射光強，其中PSA四個不同狀態下對應的四次光強測量的積分時間相同；然后根據PSA測量矩陣和光強的測量值計算Stokes矢量。之前的均分光強積分時間的方案并沒有考慮光強積分時間對于Stokes矢量測量方差的影響，因此在某些情況下，不能實現最小化的Stokes矢量測量方差和最優化的測量精度。

發明內容

基于上述現有技術存在的問題，本發明提出了一種基于光強測量積分時間優化的Stokes矢量測量方法，考慮光強測量的積分時間對Stokes矢量測量方差的影響，針對偏振測量系統中的測量矩陣，獲得積分時間和Stokes矢量測量方差的函數關系，并獲得測量方差最小時的最優化積分時間，從而達到進一步提高Stokes矢量的測量精度的目的。

本發明公開了一種基于光強測量積分時間優化的Stokes矢量測量方法，該系統包括以下步驟：

步驟一、根據偏振態分析器的各個偏振狀態求出相應的測量矩陣W，并將光強探測器件在各個PSA狀態下的光強測量積分時間考慮在內，光強計算公式如下：

I＝TWS

其中，I表示光強，T表示測量時間矩陣，W表示偏振態分析器對應的測量矩陣，S表示待測Stokes矢量；

步驟二、計算出在給定測量矩陣W的情況下待測Stokes矢量總方差關于積分時間的函數：

Γ^s＝(TW)^-1Γ^I[(TW)^-1]'

其中，Γ^S表示Stokes矢量的方差矩陣；

步驟三、利用最優化算法求出待測Stokes矢量總方差對應的最優化光強測量積分時間；

步驟四、根據優化后的積分時間進行采集實驗，并計算Stokes矢量各個分量的方差及其總方差。

所述步驟三的最優化算法，具體包括以下處理：

考慮拉格朗日函數，最優解應該滿足：

由公式計算得到C₁、C₂、C₃、C₄；t₁、t₂、t₃、t₄表示各個積分時間變量；表示W^-1中的第m行k列的元素；λ為拉格朗日乘子法系數；

對各個積分時間變量t₁、t₂、t₃、t₄分別求偏導得到：

由此解得最優積分時間的解析解應滿足：

即為優化積分時間；通過和未優化前比較，將最優積分時間帶入目標函數得到優化了光強測量積分時間后Stokes矢量測量總方差的降低百分比γ：

本發明能有效降低Stokes矢量測量的總方差，從而提高Stokes矢量測量的精度

附圖說明

圖1為光強探測器件積分時間優化下的Stokes矢量測量裝置示意圖；

圖2為光強探測器件積分時間均分下的Stokes矢量四個分量測量值分布直方圖；(a)S₀分布直方圖，(b)S₁分布直方圖，(c)S₂分布直方圖，(d)S₃分布直方圖；其中：t₁＝t₂＝t₃＝t₄＝100ms。