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《半導體光電雜志》2016年第一期

摘要：

針對偏振光譜強度調制（psim）系統存在的環境穩定性問題，在PSIM系統實現偏振光譜信息調制解調機理的前期研究基礎上，經過嚴格的理論推導，提出了一套基于傅里葉變換、濾波和傅里葉逆變換等數字信號處理過程的PSIM系統環境穩定性實時自校準算法流程。該算法流程可以從PSIM系統的實測數據中分離出因環境擾動而引入的變化量，實現PSIM系統解調系數自校正，從而有效增強PSIM系統的環境適應能力。

關鍵詞：

光學測量；PSIM系統；穩定性；自校準

目標反射輻射的偏振光譜信息在天文觀測、地球環境監測以及軍事等領域均有獨特的應用優勢［1－5］。與傳統的偏振光譜信息獲取方法相比，偏振光譜強度調制（PSIM）技術具有更好的時間分辨率，更易實現高精度偏振測量［6－8］。因此，近年來正受到越來越多國內外相關研究領域專家們的關注。但是，PSIM系統中，因為使用了對環境條件變化較為敏感的高階延遲器，當環境條件波動較大時，會影響其工作的穩定性，制約了PSIM技術的工程應用。我們在對PSIM系統實現偏振光譜信息調制解調機理的研究過程中發現［9－10］，PSIM系統具有對環境擾動影響的自校準能力。通過引入恰當的數字信號處理過程，可以從PSIM系統的實測結果中實時分離出環境擾動產生的變化量，實現環境擾動的實時自校準。

1影響PSIM系統穩定性因素

PSIM系統結構原理示意圖如圖1所示。系統硬件由光譜儀和調制器兩部分組成。調制器如圖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。調制器為待測光的四個Stokes矢量元素譜對應產生不同頻率的載波信號，其輸出是已調制的各個Stokes矢量元素譜的線性疊加。假定待測入射光的Stokes矢量元素譜。當入射光經過調制器后，由入射光Stokes矢量元素譜、構成調制器光學件的級聯米勒矩陣及調制器岀射光Stokes矢量元素譜三者間的關系，可計算出調制器岀射光的強度譜。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。假定待測光信號的Stokes矢量元素譜是帶限的，通過適當設計兩塊延遲器的厚度，可在變換域（光程差域）中將各個已調制信號分開，再通過后續的濾波和解調處理過程，理論上可將待測光的Stokes矢量元素譜解調出來［6］。但是，在決定載波信號中心頻率的參量中存在一個不穩定因子，即高階延遲器中O、E光間的折射率差B（σ）。研究表明，B（σ）易受環境條件變化的影響，對溫度、壓力等環境因素的變化有一定的敏感性，會隨著它們的變化而發生改變。這種改變將導致載波信號的中心頻率產生漂移，從而使由系統設計參數計算得到的解調系數，不再適用于光譜儀測量結果的解調處理，影響整個PSIM系統工作的穩定性。

2PSIM系統穩定性自校準原理

通過對PSIM系統調制解調原理的深入分析后發現，PSIM系統具有環境擾動自校準潛力。環境條件變化對PSIM系統載波信號的影響，可以通過適當的數字信號處理過程，從PSIM系統的實測結果中分離出來，為PSIM系統穩定性實時自校準提供了可能。

3結論

結合對PSIM系統調制解調機理的前期研究基礎，分析了影響PSIM系統穩定性的關鍵因素；給出了在環境條件發生改變時，利用PSIM系統的實測數據，實現PSIM系統解調系數實時自校準原理的完整理論推導，為PSIM系統環境擾動自校準算法的工程實現提供了理論依據。綜合上述推導過程，可實現環境擾動實時自校準的PSIM系統數據處理算法流程如下：（1）根據硬件設計參數，通過理論計算得到PSIM系統的解調系數K（i）－（σ）、K（i）2（σ）和K（i）＋（σ）；（2）測量待測光經過調制器后輸出的強度譜數據，對該強度譜數據進行傅里葉變換、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 物理與材料科學學院