專利名稱：一種天空偏振光的輻射光譜測量系統的制作方法
技術領域：
本發明是一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，屬于光學電子測試技術領域，適用于天 空偏振光的測量及其時空分布規律分析。
背景技術：
傳統偏振測量系統大多都采用光輻射探測方法，即獲取特定目標的輻射強度，再利用光 的偏振來對目標探測。這些測試系統能實現某一固定目標的偏振測量及天空偏振光的時間分 布分析等工作，但由于設計限制，測試目標的方位角及高度角無法方便的進行調整，因此無 法實現天空任意角度方位的偏振測量及大氣偏振的空間分布分析等工作。如安徽光機所的
pvfo21型光譜偏振輻射計(孫曉兵，洪津，喬延利.大氣散射輻射偏振特性測量研究[j;i.量
子電子學報.2005,22(1):111 115)，能夠獲得當儀器對準天頂時的天空偏振光譜隨著時間的變 化規律，但無法測得某一時刻天空偏振光的空間分布規律。
而Michael L. Brines在其論著中也介紹了一種掃描式輻射偏振測量系統(M. L. Brines and J. L. Gould， "Skylight polarization patterns and animal orientation," J. Exp. Biol. 96， 69—91 (1982).)，文中所述的系統采用了波片裝置設計，使得該系統只能測得可見光范圍內的3個特 定光譜波長下(350nm、 500nm、 650nm)的天空偏振光的輻射光譜及其空間分布規律，因此 該系統是受到測量方式的影響， 一次只能獲得幾個波段下的天空偏振光信息，卻無法獲得較 高分辨率的連續光譜下的天空偏振光信息。
此外，常見的還有一些全天空偏振成像儀器，如G. Horv&h在其一系列的論著中介紹的 單鏡頭旋轉式全天空成像偏振計(J.G禮G. HorvMi, V.B.Meyer-Rochow， and R.Wehner, "Polarization patterns of the summer sky and its neutral points measured by Ml-sky imaging polarimetry in Finnish Lapland north of the Arctic Circle," Proc. R. Soc. Lond. A 457, 1385-1399 (2001).)、三鏡頭三照相機的同步全天空成像偏振計(G. Horvdth, A.Barta, and J. Gdl et al. "Ground-based Ml-sky imaging polarimetry of rapidly changing skies and its use for polarimetric cloud detection," Appl. Opt. 41, 543-559 (2002).)等測試儀器，由于都采用了相機膠片作為記錄 設備，也只能測得3個特定光譜波長下(450nm、 550nm、 650nm)天空偏振信息。它們獲得 的只是某些特定光譜波長下的天空偏振光信息，不能對天空偏振光實現連續光譜的測量，光 譜分辨率較低，不能滿足對天空偏振光的輻射光譜的測量與特性分析
發明內容
本發明要解決的技術難題是解決現有偏振測量系統角度調整困難、光譜分辨率低及不 便于天空偏振光的全光譜測量等問題，本發明所述的測量系統可以方便的調整并記錄天空偏 振測量時的測試方位角及測試高度角。本發明的測量系統在獲得偏振信息的同時，還能夠記 錄連續、完整的輻射光譜數據及曲線。利用該測試系統既可以實現對空間目標的偏振測量及 時間分布規律分析，又可以完成全天空偏振信息的測量以及偏振信息與光譜信息的時間及空 間分布規律分析等工作。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，
它由偏振測量頭i 、望遠光學系統n、光纖光譜儀系統III和計算機II組成；組裝偏振測量頭
I時，將圓柱形旋轉頭2安裝于接口一3的內側，稍微擰緊緊固螺釘14，然后將圓片狀的偏 振片1擺放在旋轉頭2的內腔，用環形壓圈12壓緊并通過兩顆螺釘13固定在旋轉頭2上； 將赤道儀5安裝在三角支架6上，再將折射式望遠鏡4安裝于赤道儀的上方，完成望遠光學 系統n的搭建；將抗紫外光纖9的后端連接在光譜儀10上，然后將余弦校正器8安裝于抗紫 外光纖9的前端，再將余弦校正器8的探頭端插入接口二7并擰緊緊固螺釘17，使余弦校正 器8的探頭端與目鏡的出瞳位置重合，完成光纖光譜儀系統III的組裝；然后通過接口一3， 將偏振測量頭I安裝于折射式望遠光學系統II的前端，并擰緊緊固螺釘15，再通過接口二7
將光纖光譜儀系統m安裝于望遠光學系統ii的后端并擰緊緊固螺釘16，最后將光譜儀io通
過USB接口與計算機ll相連，并開啟電源，進行天空偏振光的輻射光譜測量。
其赤道儀5是由赤經轉盤18和赤諱轉盤19以正交結構連接而成，且可以各自獨立旋轉， 經過標定后的赤道儀5的赤經轉盤18和赤緯轉盤19用于記錄天空測量的測試方位角和測試 高度角。其中，赤經轉盤18圍繞坐標軸Z,旋轉，當平面X2Z2與太陽所在的子午面重合時， 赤經轉盤18此時的刻盤讀數標定為測試方位角的0度；赤緯轉盤19圍繞坐標軸Y2旋轉，當 轉角方向與02X2軸向重合時，赤緯轉盤19此時的刻盤讀數標定為測試高度角的0度；測試 方位角的范圍為0度至360度，測試高度角的范圍為0度至180度。
本發明的效果是采用標定后的赤道儀作為轉角控制裝置，安裝于望遠系統的三腳支架 上，可將赤道儀的赤經轉盤和赤緯轉盤的轉角角度值進行標定后，作為對準某天空方位時的 測試方位角和測試高度角，實現了角度調整及定位的功能，使得本發明的測量系統可以測得 天空偏振光的時空分布，即測得該方位下的O度、60度、120度三個偏振方向的輻射光譜， 并由軟件計算給出該方位的光輻射度、偏振度、偏振方位角等信息，再通過調整赤道儀的角 度，重復上述實驗步驟，最終實現全天空偏振輻射的測量。采用具有高光譜分辨率的光纖光譜儀作為輻射光譜采集設備，采集并記錄每次測得的連續輻射光譜，使得本發明的測量系統 在取得了偏振測量信息的同時，又保存了完整連續的輻射光譜，解決了傳統偏振測量系統無 法解決的一些問題。設計偏振片旋轉頭， 一方面實現偏振片的安裝和旋轉，另一方面可以安 裝在望遠系統的前端實現偏振測量。設計旋轉頭與望遠系統的接口 (接口一)及余弦校正器 與望遠系統的接口 (接口二)將整個測試光路連接起來，使測試系統的測試功能得以實現。 此外，該系統采用的折射式天文望遠鏡儀器、赤道儀和光纖光譜儀等設備，可以在同類產品 中進行更換及升級，其設備自身的參數及精度決定了測試系統的角度精度及光譜分辨率精度 等參數。因此，該系統具有通用性強，適用范圍廣，操作方便等特點。
圖1為本發明測量系統的結構示意圖，其中I一偏振測量頭，II一望遠光學系統，III
一光纖光譜儀系統，l一偏振片，2—旋轉頭，3—旋轉頭與II的接口 (接口一)， 4—折射式望
遠鏡，5—赤道儀，6—三腳支架，7—余弦校正器與II的接口 (接口二)， 8—余弦校正器，9
一抗紫外光纖，io—光譜儀，ll一計算機。
圖2為偏振測量頭(水平放置后)的剖面構造圖，其中l一偏振片，2—旋轉頭，3—旋 轉頭與II的接口 (接口一)， 4一折射式望遠鏡，12—環形壓圈，13， 14， 15—螺釘。
圖3為余弦校正器與望遠系統的接口 (接口二)的剖面構造圖，其中4一折射式望遠鏡， 7—余弦校正器與II的接口 (接口二)， 8—余弦校正器，16， 17—螺釘。
圖4為赤道儀的標定坐標系示意圖，其中5—赤道儀，18—赤經轉盤，19一赤諱轉盤。
圖5為使用該系統測量太陽子午圈得到的光譜偏振度曲線圖，其中尸一縱坐標，偏振度， ^D—橫坐標，測試高度角。
具體實施例方式
結合技術方案和附圖，現詳細說明本發明的技術實施方式。使用該測試系統時，首先要 進行系統安裝。組裝偏振測量頭I時，將圓柱形旋轉頭2安裝于接口一3的內側，稍微擰緊 緊固螺釘14以保證旋轉頭不會掉落且能夠旋轉，同時將偏振片的主光軸與旋轉頭的0度參考 光軸對準，然后將圓片狀的偏振片1擺放在旋轉頭2的內腔，用環形壓圈12壓緊并通過兩顆 螺釘13固定在旋轉頭2上；將赤道儀5安裝在三角支架6上，再將折射式望遠鏡4安裝于赤 道儀的上方，保證折射式望遠鏡4能夠與赤道儀一起同步轉動，至此完成望遠光學系統II的 搭建；將抗紫外光纖9的后端連接在光譜儀10上，然后將余弦校正器8安裝于抗紫外光纖9 的前端，再將余弦校正器8的探頭端插入接口二 7并擰緊上緊螺釘17，使余弦校正器8的探頭端與目鏡的出瞳位置重合，完成光纖光譜儀系統III的組裝；然后通過接口一 3，將偏振測 量頭I安裝于折射式望遠光學系統II的前端，并擰緊上緊螺釘15，再通過接口二7將光纖光 譜儀系統III安裝于望遠光學系統n的后端并擰緊上緊螺釘16;最后將光譜儀10通過USB接 口與計算機ll相連，并開啟電源，進行天空偏振光的輻射光譜測量，參見圖l、 2、 3、 4。
本實例中所用的偏振片1為中性密度偏振片，其光譜敏感范圍為400nm 750nm，折射 式望遠鏡4的視場角小于4度，光纖光譜儀10的光譜探測范圍200nm 1100nm，光譜分辨 率1.4nm，即時探測，積分時間為2ms 60s可調，本例選用50ms積分時間。進行測試時， 首先將赤道儀5的赤經轉盤18和赤緯轉盤19角度值調零，赤經轉盤18圍繞坐標軸Zi旋轉， 當平面X2Z2與太陽所在的子午面重合時，赤經轉盤18此時的刻盤讀數標定為測試方位角的 0度；赤緯轉盤19圍繞坐標軸Y2旋轉，當轉角方向與02乂2軸向重合時，赤緯轉盤19此時 的刻盤讀數標定為測試高度角的O度。記錄此時偏振片置于O度光軸時的輻射光譜，然后依 次轉動旋轉頭2分別對準60度、120度，并記錄各自的輻射光譜。接著調整赤道儀5的赤經 轉盤18和赤緯轉盤19的角度，并記錄下與其對應的測試方位角及測試高度角，再次記錄偏 振片位于O度、60度、120度的輻射光譜，如此重復上述實驗，直到測得全部的待測天空方 位，再由計算軟件算得各自的偏振信息。
當所有的輻射光譜采集完成后，將同一個測試方位角和測試高度角下三組輻射光譜，即 0度、60度和120度的輻射光譜作為一組曲線，再選定某個光譜范圍通過方程式(1)進行計 算<formula>formula see original document page 6</formula>
其中/'(0°)， /'(60。)和/'(120。)為測量得到的該光譜范圍下的三個輻射強度值。而/， 0， t/是Stokes矢量的前三個分量(第四分量圓偏振分量為零，即r=o)。
再將方程組(1)轉換為方程組(2)得到Stokes矢量的三個分量 <formula>formula see original document page 6</formula>最后通過Stokes矢量與偏振度的關系，可以得到該方位角及高度角、該光譜下的偏振總光強/，偏振度尸及偏振方位角/等信息，艮P:
再通過改變光譜范圍及測試方位，重復上述計算，便可以得到不同天空方位角及高度角、 不同光譜范圍下的偏振信息。
該實例測得了當太陽高度角為35度時，選用0度測試方位角不變并選用5度的測試高度 角(<9D)間隔，對太陽子午圈的天空偏振光進行測量所得到的偏振度曲線，如圖5所示。為 了顯示方便，本實例只提供了 400nm、 500nm、 650nm和750nm光譜波長下天空偏振光的偏 振度曲線。從圖5中可以看出，本測試系統可以實現400nm至750nm任意光譜波長下的天空 偏振光測量，若選用光譜范圍更寬的偏振片，可以擴展本系統的光譜測試范圍；測量得到的 偏振度分布曲線與瑞利散射理論相符合，證明該測試系統所測得的天空偏振光的分布信息真 實可靠。
權利要求
1. 一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，它由偏振測量頭(I)、望遠光學系統(II)、光纖光譜儀系統(III)和計算機(11)組成；其特征是，組裝偏振測量頭(I)時，將圓柱形旋轉頭(2)安放于接口一(3)的內側，擰緊緊固螺釘(14)，然后，將圓片狀的偏振片(1)擺放于旋轉頭(2)的內腔，用環形壓圈(12)壓緊并通過兩顆螺釘(13)固定在旋轉頭(2)上；將赤道儀(5)安裝在三角支架(6)上，再將折射式望遠鏡(4)安裝于赤道儀(5)的上方，完成望遠光學系統(II)的搭建；將抗紫外光纖(9)的后端連接在光譜儀(10)上，然后將余弦校正器(8)安裝于抗紫外光纖(9)的前端，再將余弦校正器(8)的探頭端插入接口二(7)并擰緊上緊螺釘(17)，使余弦校正器(8)的探頭端與目鏡的出瞳位置重合，完成光纖光譜儀系統(III)的組裝；然后通過接口一(3)，將偏振測量頭(I)安裝于折射式望遠光學系統(II)的前端，并擰緊緊固螺釘(15)，再通過接口二(7)將光纖光譜儀系統(III)安裝于望遠光學系統(II)的后端，并擰緊緊固螺釘(16)；最后將光譜儀(10)通過USB接口與計算機(11)相連，并開啟電源，進行天空偏振光的輻射光譜測量。
2、 根據權利要求1所述的一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，其赤道儀(5) 的特征在于，赤道儀(5)是由赤經轉盤(18)和赤緯轉盤(19)以正交結構連 接而成，且可以各自獨立旋轉，經過標定后的赤道儀(5)的赤經轉盤(18)和 赤緯轉盤(19)用于記錄天空測量的測試方位角和測試高度角，其中，赤經轉 盤(18)圍繞坐標軸ZJ定轉，當平面X2Z2與太陽所在的子午面重合時，赤經轉 盤(18)此時的刻盤讀數標定為測試方位角的0度；赤緯轉盤(19)圍繞坐標 軸￥2旋轉，當轉角方向與02X2軸向重合時，赤緯轉盤(19)此時的刻盤讀數 標定為測試高度角的0度；測試方位角的范圍為0度至360度，測試高度角的 范圍為0度至180度。
全文摘要
本發明是一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，一種天空偏振光的輻射光譜測量系統，屬于光學電子測試技術領域，適用于天空偏振光的測量及其時空分布規律分析。測量系統由偏振測量頭、望遠光學系統、光纖光譜儀系統和計算機組成；安裝偏振測量頭將圓柱形旋轉頭安裝于接口一的內側，擰緊緊固螺釘，然后將圓片狀的偏振片擺放在旋轉頭的內腔，用環形壓圈壓緊并通過兩顆螺釘固定在旋轉頭上。將赤道儀安裝在三角支架上，再將折射式望遠鏡安裝于赤道儀的上方；將抗紫外光纖的后端連接在光譜儀上，然后將余弦校正器安裝于抗紫外光纖的前端，再將余弦校正器的探頭端插入接口二并擰緊緊固螺釘。該系統具有通用性強，適用范圍廣，操作方便。
文檔編號G01J4/00GK101281060SQ20081001126
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者巖 崔, 曹楠楠, 王體昌, 褚金奎, 趙開春 申請人:大連理工大學