（光学工程专业论文）空间偏振编码信号检测技术研究.pdf

硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 abs tract a t e c hni q u e th a t 1 s u s e d tote stthe si gnalinthe sp a t 1 alpol田 七 . t l one n co d i n g isst u d i ed t 七 eco m pos ing anddesi gn p rincipl eof asp 如al州越 五 对 j on e n co d ing sy s t o .are d 已 沁 ri tx 纽 口 a c c o r d i n g tot b e p rac t 1 cal app 1 i cat 1 onofthe sys te mand th e desi gn c h ara c t e ri stic ofthe s p at i alpol ar 让 at i o n 即以 记 访 g sy st e m ， 此 e x peri m e n taldevi ceofthe cod ing sy s t e m is set up. t h e d e v 1 eeis m a d e up ofo p t i cal sy st e man d 以 记 ing c lr c u i t . 丁 七 e 雨s t 吨 te s t l n g m e t h o d ofthe pol 州ze d li ght isth orou ghl y 引 刀 d i 曰 . a c c o rd i n g toth e c h a 住 以 e ri stic ofthe 印a t l alpol 肚 位 川 l on e n co d in gd e v i ce 幽即 曦 an ap pr o p n 出 m e t b od of g e tt in gl 川 e a 丁 pol ariz e dli ght isde si gned a 刀 dthe exlx 滋 m e n tal d e v i “ isi m p r o v ed so as tomo化 匀 平 加 a c h the p r ac t i c al即p l ic 如姐 t h e p h o toe】 ec t ri c c o n v 日 rt e r isai sowide ly引 u d i 目曲 d 印m p ar 喊 a cco rd in g toth e c a te go ryofl 出 犯 r inthe p r ac t i 阔 即p l i c a t i 叽 anapp r o pri出 pho t o e l ec 幼 c c o d v e d 把 r ischo sen soastode叽哪 the loss ofthe e n e r g y in阮 li ght si gi 班 1 . 丁 七 c emp h as i s ofthe p a per is tod e s i gnth e co d in g c i 代 ul l a如gl e c hi p nlicroco m p u te r l s u 义 d asthe core c hi p inth e c i rc ult t b e so丘 w 田 吧 阳d ha 记 w ar e ofth e syst e 山isdesi gned p t e amp 】 i fi er， a/dco n v e rt er， ds t a p r o ce ss 吨 助d driv ing st ep m o t o r are done . inthe 叨n d i t i o nof l ai 沁 rato ry， o p t i 司 sy 引 七 m and“ 记 i n gc ir c ul t are l n t e grat ed . t b ere s ult i n d 1 c a t e s t b a t the p roject ofth e si gnalte 拓 d g sy st e minthe sp atialpo1 a ri zat 1 one n 以 劝 i n g l s 仆月 蔚b le ke y w ord:pol 幼名 时 i o n e n 以 劝 i ng 以 月 in g elli pticalpol 面 z edli ght s in g l e c hip 而c mcomp u ter 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明 确的 说明。 研 究 生 签 名 : 妙 句 波-彻7 年 7 月 少 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网 公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网 公布 本学位论文的部分或全部内 容。 对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处 理。 研 究 生 签 名 : 妙 4 : 波; 。 7 年 7 吐日 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 绪论 1弓 1 言 一激光编码译码技术的研究始于上世纪中期， 它的出现使得激光开始应用于导航、 制导、 远程定位等相关的民 用、 军用航空领域。 特别是在制导武器方面， 运用了 激光 编码译码技术， 可以使武器的制导精度大为提高. 在近年来的数次局部战争中， 如海 湾战 争、 科 索沃战争， 激光制导 武器都 显示了巨 大的 威力 11 刀 . 以激光编码译码技术为核心的编、 译码器具有精度高、 稳定性强、结构简单、成 本低等优点，因此当今世界各国竞相研制并投入相关领域使用。 l z激光编码译码方式的分 类及特点 激光编码译码方式按激光波束编码特征可分为: 斩光式编码译码方式; 空间扫描 编 码译 码 方 式: 激 光空 间 特征 变 化 编码 译 码 方式 3.41。 斩光式编码译码方式是将激光源发射激光束照射到整个空间视场。 调制盘对称地 或不对称地放置在发射光路中， 由 调制盘的旋转运动对光束进行切割， 经过投影物镜 把旋转调制盘的图案投影到空间。 飞行器上的接收探测器接收扫描编码激光脉冲信号 变成的电 信号， 供驾驶仪控制飞行路线。 该种编码方式， 要求连续的或具有高重复频 率的激光。 调制盘工作时需高速旋转， 这就要求良 好的机械性能， 调制盘边缘的能量 透过率高， 而中 心能量透过率低，因 此中心编码精度低， 甚至有死区。 此外， 旋转的 机械装置体积大，旋转时容易产生 振动干扰。 空间扫描编码译码方式是利用地面激光发射机发 射具 有特定截面形状的激光束， 通过机械的或光学的方法使激光束进行空间扫描， 形成空间编码激光信号， 飞行器上 的接收探测器接收编码檄光信号， 变成电信号， 经过译码器译码， 给出飞行器的位置 信号。 该种编码方式光能的利用率高， 但机械结构复杂， 在光束变换器中增加了 旋转 装置，精度受到一定的影响。 激光空间特征变化编码译码方式是利用激光本身的特性进行编码， 典型的是空间 偏振编码方式。 空间偏振编码是美国 休斯公司在上世纪中 后期首次提出的概念， 它是 通过调制激光波振面上不同的偏振态来进行空间编码， 每一种偏振态代表一种位置信 号。 带有偏振态的激光发射后， 经飞行器上的接收探测器接收并译码. 控制飞行器的 飞 行 轨 迹 1.4 。 硕 士论 文 空间偏振编码信号检侧技术研究 i j 空间偏振编码的优点 前两 类编码方 式实质上是对激光 辐射强度 进行空 间调制编码， 产生含有方位信息 的光束。 这两种方式都用到机械扫描或旋转装置， 会使信号的编码速度受到很大限 制。 而空间偏 振编码与 其相比， 具有以下 优点 15. 凡 ( 1) 多功能。空间 偏振 调制方案 采用的不是空间 调制光束位置或能量输出的 方 法， 而是相对于光轴光线所有角位置信息的空间偏振调 制， 这在原理上 可采用任何光 谱的 激光光源， 包括红外脉冲和连续激光器， 而许多 此类激光器还 适用于激光测距， 目 标 指示 等。 除了 提供导航功能外， 还可给飞行器发射 补充的导 航信号， 如重力偏置 和瞄准线变化率信息。 ( 2 ) 整个系统的 价格和装置外形 优于 现有的 空间 调制或调幅激光编译码系统。 编码部分不需章动机构， 不需严格成像的变焦系统， 发 射结构简单， 光轴易调校。 偏 振译码接收器能有一个非常宽的视场。 对于激光束中心线的角方位变化的影响不敏 感， 而且可做得简单、紧凑。 ( 3 ) 空间 偏振调制几乎不受大气或导 弹雨 烟引起的湍流和闪烁效应的影响，同 时偏振编码器也不受激光束振幅的影响. ( 4 ) 此编码方式光斑中 心无死区， 且利用的正是 光斑中 心区编码精度高的特性， 从而控制飞行器准确对准目标。 (5) 一般常用的激光编码技术是利用激光脉冲间隔 编码、 频率调 制等方 式，需 要扫描激光束， 要求 很高的 脉冲频率， 或需要多 个连续波激光器工作， 而偏振 编码是 利用左旋和右旋椭圆偏振 梯度， 对激光 脉冲重复率 要求一般，中低等重复率或脉冲， 低频调制的 连续波 激光器 都可 采用。 使用脉冲激光 器时， 这种 编码技术 可采用长波 长， 高 峰值功率的光波，高峰 值功率 可获得较远的 作用距离。 不难看出， 空间 偏振编码方式是当今激光编 译码技术的发展方向 ， 世界各国 一直 都 在 积 极 论 证 研 制 11 01 。 l 4空间偏振编码信号 检测 技术 空间 偏振编码技术要应用到实际系统中， 仅仅掌握编 码技术 是远远不够的。 对于 编码信号的 检测也 是整个系统不可或缺的重要部分。 空间 偏振编码信号的检测分为两部分 州 : ( 1) 接收 光学系统 主 要研究: 接收 包含空间 偏振信号的 激光束。 由 于不同 椭圆度的 椭圆 偏振光与空 间 位置 存在着确定的 对应关系， 检测出 偏振光的椭圆 度， 即 可解算出飞 行器飞 行轨道 硕士论文空 概 振 编 码 信号 检 测 技 术 研 究 偏离目 标中心的 方向 和大小， 因此接收光学系统的任务 就是把 输入的 椭圆 偏振光通过 光学调制分成两路偏振方向 相互垂 直的线偏振光，易 于后续 译码处 理。 ( 2 )译码处理电路 主要研究: 计算飞行器飞行轨道偏离目 标中心的大小和方向。 由 于接收光学系统 接收的是光信号，需先将它转化为电 信号，再 经过电 路处理， 得到所需的计算结果。 目 前 控 制 信 号 的 接收 与 处 理电 路的 设 计 方 案 有 很 多， 常 用 的 有 以 下 三 种 以 伙 ( 1) 检测系统由接收机、前置 放大器、限幅 放大器、门限电路、 选通滤波器、 比 较 器、 整形 放大器、 坐标鉴别器、 陀螺 坐标仪 和舵机组成。 这些处 理电 路是由 模拟 集成电 路、 晶体管阵列和其他分立 元件组成。 由 限幅放大 器接收 激光 接收器传来的 信 号开 始， 经放大器、 门限电 路将信号 传送给选通滤 波器， 最后经门限电 路输出的 信息 信号是 有用的 频率分时 信号。 它的 优点是: 系统体积小、 质量轻、 可靠性高、能 承受 各种环境因素的影响. 缺点是:微型集成运放的选择是实现此电路功能的关键， 但国 内 的 技术尚 不能满足全部功能的要求， 而且价格昂贵。 另外， 该系统还处在半实物仿 真阶 段， 真正应用还没有报道。 (2) 检测系统由 前置放 大器、 求积分网 络、 延迟微分电 路、方位主放大器、 俯 仰主 放大器、 展宽保持电 路、方位减法 器和俯 仰减 法器等组成。 系统的工作过程是: 激光束 遇目 标后， 即被目 标散射和反 射， 从而 产生 激光反射， 它通过接收光学系统， 聚焦在四象限光电探测器上，通过光电转换，形成光电流。光点落在哪个象限，该象 限便 有光电 流输出。 它的 优点是: 系统稳定性好、 光路简单、 本征频率调整及跟踪范 围比 较小， 且易于实现。 缺点是: 系统光学部分必须满足本征光与目 标反 射回波载频 信 号 光 相 干 所 需 的 空 间 相 干 条 件 ; 而 且 该 系 统 只 能 用 于 接 收 径向 运 动 速 度比 较 缓 慢 的 目标。 ( 3) 检测系统的处理电 路安装 在导引 头中，由四 象限 探测器、 对数放大 器、 一 级脉宽 保持器、 二级脉宽 保持器、 角误差信号处理器、 坐标变换电路、 解码器、 逻辑 控制电 路、 a 刀 d 采样器、 陀 螺进动功放电路、 接口电 路等组成。 它的优点是: 系统的 实时处 理能 力好， 能 够将导 引头和目 标识 别器有 效配合， 适合 应用于高 速目 标不动场 合。 缺点是: 激光回 波信号的 处理需通过 初级放大、 次级放大、 多级保护、 加减乘除 的电路运算处理，大大增加了系统噪声，而且电路复杂、调试困难、可靠性较差。 国外对于空间偏振编码信号检测技术的研究开始较早， 发展很快， 而且已经具备 了完 整系统的设计能力， 并投入到实际应用中阳0 . 而我国 针对该项技术的研究 起步 较晚， 尚处 于理论结合实践的摸索阶 段， 还没有完整的系统实 验平台。 但是相关技术， 如偏 振光的 检 测方 法、 电路的 设计， 已 经有了 一定的实 验基础。 因此空间偏振编码信 号检 测技术的 研究 具有很大的发展空间。 该 项技术的 研究对我国 社会主义 及国 防现代 化建设有积极的意义。 硕士论文空间偏振编码信号检侧技术研究 l j 本文主要工作 本文所做的工作主要有以 下几个方面: ( 1) 对空间 偏振编码的原理及实验装置进行了透彻的分析， 根据实际 应用及 编 码器的设计 特点， 构建了译码系统的实 验装置。 (2)对现 有的偏 振光检测方法进行了深入的 研究，结 合前端偏振编码装置的 特 点， 设计了一 种较为合适的线偏 振光获取方法. 并对实验装置加以 改进， 使其更 接近 实际应用。 (3)对光电 转换器件进 行了广 泛的调 研和比 较，结 合实际应用中激光的 特性， 选择一种较为合适的器件，尽可能的降低了光信号的能量损失。 (4)从系 统的实际要求出发， 采用了 单片 机作为电 信号处理的核心芯片， 设计 了 译码处理电 路， 并用汇编语言进行了 程序编写。 (5)将接收光学系统和接收处理电路进行了整合，对检测系统进行了验证。 硕 士 论文空间偏振编码信号检测技术研究 2 空间偏振编码系统 在激光编码译码技术的 应用系统中， 编码部分是系 统的 杨合 ， 因此好的 编码技术 能够带动整个系统性能的 提高。 空间偏 振编码便是一种较为理想的 编码方式。 2. 1二维同 步性 飞行器在飞行过程中判断其在 激光束空间截面中的位置， 需要有水平和垂 直的两 个方向 的信息， 而且必须 保证二 维同 步性， 才能及时连续 地修正其飞行姿态朝 着目 标 飞行。 因 此编码系 统应由 水平和垂直方向 两个编码器、 二维同步 合成器和发散变焦系 统 组 成 。 如 图 2. 1 .1 所 示 111 :l2 一 . - ) 远场编码区 图2 l i 二 维同步空间偏振编 码系 统示意图 两个相互垂直的编码器先对激 光束分别进行水平 和垂直方向 编码， 然后通过二维 同 步合成器合成， 再 通过共同的 变焦系统 完成远场空间编码， 形成二 维梯度分布光场。 2. 2编码过程 编码器对激光束的 偏振编码是 通过按照特定形 状设计的电 光晶 体实 现的， 课题中 采用 双普克 尔楔。以 垂直方向 为例， 原理如图2. 2 . 1 所示。 图2 2.1 垂直方向空间偏振编码示意图 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 沿光的 传播方向2 轴上， 垂直放置双普克尔楔， 井对其加以 脉冲电 压， 此时的入 射光为偏振方向垂直于 y轴的线偏振光。双普克尔楔在脉冲电压的作用下对该线偏 振光进行偏振调制，将线偏振光分解成相互垂直的 丫和 x l 方向上的两束线偏振光， 如图2. 2. 2 所示，并产生相位延迟卜小 y 甲一 中 x ， 。 图2. 2 2 入射偏振光分 解示意图 双普克尔楔在不同 位置产生的8 值不同 ( 见图2. 3 .3 ) ， 对最上边加入 /4的电 压脉 冲， 最下边加负人 14的电压脉冲。 从而在远场一维空间的偏振梯度分布图上， 上半部 产生不同 椭圆度的右旋偏振光， 下半部产生不同 椭圆度的左旋偏振光， 中间由 于两部 分的 相位变化大小相等， 方向 相反， 所以 刚好 抵消。 即: 右旋圆偏振:6 .二二 / 2 右旋椭圆 偏振: 0 一， /2 左旋圆 偏振:6 .=一血 /2 远场偏振梯度分布如图2. 2. 3 所示。 图2 2 ) 垂直方向 偏振梯 度分布图 整个编码过程还可以用公式来表示: 硕士论文 空间偏振编码信号检测技来研究 凡 “ g z 中 q. 凡( 2. 2. 1) 式中ei、 肠分别代表 入射光矢量和出 射光矢量， gi、场分别为起偏器、 双普克 尔楔的琼斯矩阵。设双普克尔楔引起的相位差为 8，则有 ( 2 . 2 一2) 仇 = co 咧 纯 ，谕2， tanlw z习 ( 22 .3 ) 。 = 卧表 示 偏 振 ” 向 平 行 ” y ” 的 线 偏 振 “ ， 代 入 式 (2.2 ， ， 计 算 后 ” 一 化 “ 卜 rs 飒司 2)1 乙 ，= !，1 l 一 i co s( 刃2 ) j ( 2 . 2 .4) 假设光 束直径为d ， 则在垂直高度y 处的 椭圆 偏振光两分量的相位差为: 占 = 之万( 2 ，2 .5 ) d 由式 ( 2. 2 .4 ) 和式 ( 2. 2 5) 可得， 远场偏 振梯度分布， 形成的 是旋转方向 和椭圆 度不同的椭圆偏振光， 上半部分由中间位置的线偏振光逐渐变为右旋圆偏振光， 下半 部分由中间位置的线偏振光逐渐变为左旋圆偏振光。 同 理可以 推出， 在水 平方向 上， 入射线偏振光的 偏振方向 仍平行于 y轴， 水平 放置的双普克尔楔在脉冲电压的作用下，对入射线偏振光进行偏振调制，在 y轴方 向 的左右两 边产生不同旋转 方向 和椭圆 度的椭圆偏振光。 偏振梯度分布如图2. 2. 4 所 示。 y 这样， 在远场二维空间 便形成了具有 偏振梯度的脉冲编码的锥体 光束信号， 飞行 器即 在这个锥体光束信号中飞向目 标11 刘 气 硕士论文空间偏振编码信号检侧技术研究 2 3 编码器的设计 编码系统中的普克尔楔采用具有电光效应的晶体制作。 这是因为具有电光效应的 晶体能 够产生电 光延迟。 电光延迟 是指光通过在外场作用下的晶体时， 两正交偏 振态 将获得不同的位相延迟，从而在晶体的出射端合成为新的偏振态。 2 3 .1 晶体的电光效应 晶 体的电 光效应是指晶体在外加电 场的 作用下引 起介质 折射率变化的 现象。 电 光 效应也是一种非线性效应。 介质在外加场强足够强的情 况下， 介质的极化不仅与场的 一次方成比 例， 而且也 与场的 二次方、三次方等成比 例，即: p = 憾+ 那2 + 沼， + ( 2 .3 .1 ) 一般p 和丫 都比a 小的多。 式 (23 . 1) 中的第二、 三项称为非线性项，由 这些 项所引 起的效应叫非线性效应。 如果 作用于介质的 除了 光波场e : 外， 还有外加场eo，这时 作用于介质的总场为 e= 凡+ 凡( 2 . 3 . 2 ) 由二次 项所产生的 非线性极化为 那， = 刀 ( eo+ 1 ) 2 = 那考 + 2 那。 凡+ 那子( 2 .3 .3 ) 其 中 出 现了 与 光 波 场 成比 例 的 项 2 声 民 瓦. 由 总 场e 产 生的 线 性极 化为 ae = 此。 + 心:( 2 . 3 .4 ) 在 此 也 出 现了 与 光 波 场ei成比 例 的 项 喊 ， 因 此由 光 波 场ei所 产生 的 总的 线 性 极 化 强度为 (a+ 2 那。 ) 写( 2 . 3 . 5 ) 由 此 看出， 由 于外电 场eo的存 在， 使线性极化系数由 未加eo时的a 变为 加上eo后的 (a+ 2 那b ) ， 其中 改 变 部 分2 户 e i 外 场的 一 次 方 成比 例。 由 于 极 化系 数 与 折 射 率 有 关 刀 2 =1 + 口( 设 “=1 )( 2 3 6 ) 所以 在外场eo存在时，折射率 将由矛变为 n z + 公 ( ” 2 ) = 1 + a + 2 1 7e0( 2 3 7 ) 即折射率的变化为 (n 2 ) = 2 那云( 2 .3 .5 ) 与外 场的 一次方成比 例， 这种线 性的电 光效应称为普克尔 ( p o c ke l s) 效应。 如 果 考 虑 非 线 性 极 化 的 三 次 项声3 ， 则 可 得 到 ( 矛 ) 与eo的 平 方 成比 例的 项 ， 这 种电 光效 应称为克尔 ( k e n ) 效应。 硕 士 论 文空间偏振编码信号检测技术研究 在晶体的一个给定方向 上， 一般说来 存在 两个可能的线偏振模式， 每个模式具 有 惟一的 偏振方向 ( d ) 和相应的折 射率， 而描述 这两个相互正交的 线偏振光 在晶体中 传播的行为通常用折射率椭球的方法。即 ( 2 ， 39) 一工 尸-心 + 尹一心 + 扩-心 式中 x ， y ， 2 为晶体的介电主 轴方向， 即晶 体中在 这些方向 上的电 位移矢量d与电 场 矢 量e 是 平 行的 ， 其 对 应 的 折 射 率 为nx ， 巧 ， nz 。 在 各向 异 性晶 体 中 ， 由 于 不同 方 向 具有不同的 折射率， 而使入射光分解成寻常 光和非常光的 现象， 称为 双折射现象。 当在晶体上施加一定电场 e时， 会对晶体中传播的光波产生一定的影响， 这些影 响可通过折射率椭球的 变化来描述。凡是属于 具有对称中 心晶类的晶体( 2 / m 晶 类， m m m晶 类， 4 l m mm 晶 类等n种 ) ，不 可能出 现线性电光效应。只有非中 心对称的 晶 体在外电 场作用下， 才会产生线性电 光效应， 而且线性项比 非线性项要大得多， 一 般讨论时，只考虑普克尔效应。 对于普克 尔效应， 有电 场存在时折 射率的 变化可表示为: (亲 )， = 客 : j云“ ( 23 ， 1 0) 式中 儿 井 三 阶 线 性 电 光 张 量 ， 有 27个 元 素， 由 于 前 两 个 脚 标 具 有 交 换 对 称 性， 可以 将三阶张量的独立分量的数目由27 个下降到 18 个。式 ( 2 :310)可以简化为如下形 式: 咔 )j 二 争 成 ( 2 . 31 1) 用 朋 代 替 (令 ) ， 朋 是 实 对 称 张 量 ， 上 式 可 写 成 如 下 矩 阵 : ( 2 一 3 . 1 2) 凡凡凡 lwe卜”“1111卜1 yls场八肠肠几 翔儿八翔人肠 阮卜匹卜卜肠 一一 飞一.吸.j 画博咚漾瓜 有外加电场时折射率椭球可表示成: 习 中 ， 小 ，x， 毛 ” ( 2.3. 1 3) 把朋 代入式 (2:31 3)可求出 在外电 场作用下晶 体的 折射率椭球， 和未加电场时的折 9 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 射率 椭球相比 较， 便可求出 在外电 场作用下折射率的 变化11 目 。 2 3 .2 晶体的选择 在激光应用中， 常用的 具有普克尔效 应的电 光晶体有a d p( 磷酸二氢按) 、 k d p ( 磷酸二氢钾) . l i n b 0 3 ( 妮 酸锉) ， c 创 仙( 砷化稼) ， cdte ( 磅化锅) 等。 其中a d p ， kdp 晶 体 属 于 瓦 zm 点 群， l i卜 七 0 3 属 于3 m点 群. c a a s ， 七 d 介属 于万 3 m点 群. 4 2 m 晶类易潮解，同时 在外加电 场作 用下避免不了自 然双折射的 影响， 且易 受 温度的影响，故不适合作为 制作材料。 4 3 m 晶类在未加电 场时 没有双折 射， 但是生产工艺较为复杂， 国内尚 不具备生 产大块该 类晶体的能力， 所以 不适合采 用。 3 m晶类 l 讣 化 0 3 ( 优酸铿)晶体 通光范围0. 4 一 4 阿 ，适用于可见光和近红外波 段。 妮酸铿晶体质地坚硬， 不溶于水，不易 潮解， 机械性能好， 能生长出 大块晶 体。 基于以 上优点选择它作为 普克 尔楔的 制作 材料 11 6-2 0 0 2 j 3 设计原理 本课题采用泥酸铿晶 体的 横向 加压 方式阴。如图2. 3 . 1 所示。 李 落 一一三到. 赢丁 下 x 图2 汉1 妮酸 铿晶 体横向加压示意图 加电场沿 x轴方向，则此时的电光系数矩阵为: nun yl3ylj八 nun yz 一 r 刀 一知 几 0 r= 0 0 0 八 e ( 23. 1 4) nu00八u 一 r 22 刃 ，.，月.1刀. 泌匹匹成 硕士论文空间偏振编码信号检测技术 研究 则在外加电场作用下，折射率椭球方程为， + 2 r 42 丑 。一 2y22 e 朴 ， = 1 ( 23 . 1 5 ) 护-心 + 尹一心 + 扩-心 此时的入射光波沿2方向，令上式2 二0 就可以找出 与波矢垂直的平面和折射率椭球 的截迹方程为: 育 (x ， ” 一 ，22匆 ” ( 2 . 3 . 1 6 ) 此椭圆l的长短轴显然与x轴成4 50角， 如图2. 3 . 1 所示， 在0 一 x 丫坐标系中的椭圆 方程为 工 .。_ :， ， 1. _。 : _ ， 气 丁乏一， 22， 八，、 ，了甲， 22， 少林1 凡几 ( 23 . 1 7 ) 和椭圆标准式 _ _ 11 孟y 竺 了十二 性 厂=1 口d ( 23 . 1 8 ) 相比较，可求出新的主轴折射率分别为: a = 。 + 告 “产 22e ， = 。 一 告 :r 22 : ( 2 . 3 . 1 9 ) ( 2 . 3 . 2 0 ) 新的主轴折射率变化示意图，如2. 3 .2所示: 则光通过长为1 的晶体后， 在新的折射率主轴x ， 与y ， 的两个分量上产生的相位差: ，扮 ，. 口，= n.n. )l= 又 -夸 心 八 el ( 23 2 1 ) 二 。 。 一 合 n :r 二 : e e 刀 了 心 1一2 + 气 - ，.nx 图 2. 3 2锭酸锉晶 体 沿x 轴 方向 加 电 后 的 折 射 率 主 轴 变 化 示 意图 硕士论文空间偏振编码信号检洲技米研究 为了能产生不同偏振梯度的椭圆偏振光， 需要相位差是渐变的， 所以本课题中使 用的晶体加工成三角状。 光通过不同的高度就会有不同的光程， 从而产生线性变化的 相位差， 基于此制作的三棱柱形双普克尔楔如图2. 3 .3所示。 x轴截面图立体图 图2. 3 3 双普克尔 楔示意图 为了能使整个双普克尔楔在中间有石 =0 ， 上半部分仆 荀 5 拓 佗 ， 下半部分0 赴一 对 2 ， 需要使上、 下两个普克尔楔在电场的作用下， 快光和慢光方向取向相反。 上面的三棱 柱形普克尔楔有: = 、 + 告 、 r 22 一 。 一 合 、 2万 ( 2 . 3 . 2 2 ) ( 2 . 3 . 2 3 ) ，2 厂二、 . 舫: _ . 么= 一 丁吸 ” 卫 一n ， )l= 一 丁 . 气了 力 川 几一儿 ( 23 . 24 ) 而下面的三棱柱形普克尔楔刚好相反: 一 、 一 告 n “y zz 一 、 十 告 、 ( 232 5 ) ( 232 6 ) 氏，煞 (n; 一 。 ;)l = 一 琴 、 el 几几 ( 23 . 2 7 ) 假设普克尔楔长为l ， 高为h 。 入射线偏振光沿2轴传播， 在高度h 处， 通过双 普克尔楔产生的相位差为: ; = 氏 ， 几 = 琴 、 ，八 e 德 + 孕 ) - 几艺月 汀 凡r 刀 久 二 n 孟 二 一 丛 )( 一 幻 一 zh- 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 = 4 ” 孟 肠 el h 刀了 ( 232 8 ) 当电压为 犷 一 百 。 甲 = 一 三 一、 里 4 n 二 y 22l ( 2 ， 3 .2 9 ) 能分别在上下边缘产生正负泪 2 的相位差， 此电 压称之为半波电压。 在式 ( 2. 3 29) 中， w为沿x轴方向 的宽 度， 因为激光束为圆形， 要求远场偏振 梯 度分 布图 也为 圆 形， 所以w和h 近 似 相 等 脚 一。 硕 士 论 文空间偏振编码信号检测技术研究 3 接收光学系统 激光束经编码器偏振调制后， 向目 标空间 发射。 由 于不同 编码方向、 椭圆度和旋 向的偏振光代表着不同的空间位置， 因此检测出偏振光的这些信息， 即可解算出飞行 器飞行轨迹偏离目标中心的方向和大小，这便是飞行器上的译码系统所需完成的任 务。 接收 光学系统位于译码系统的 最前端，它的任务就是接收带有位置信息的激光 束，并进行光学调制，易于后续译码处理。 11常用的椭圆偏振光测定 常用的椭圆偏振光测定就是在实验上测定表示偏振状态的参量， 即主轴系下椭圆 偏 振 光的 长 轴 在 指定 坐 标 系中 的 方 位 角平 及 长 、 短 轴 之 比 高tge = a z / 成 ( 椭圆 度) 和 旋向 ; 或 直角 坐 标 系 中 椭圆 偏 振 光 两 分 量 的 振幅 比 tgp = 气 / al 及 相 位差占 脚 润。 如 图3.1 . 1 所示 图工 l i 椭圆 偏振光示意图 采用检偏器和四分之一 波片 检验的 方法，首先 用检偏器测定椭圆长轴的方位角 、 _ _._ _、 _ . . _ _ _ _ 二 ._ _. _ 一_ _ a ， 1 平 。设在椭圆主轴坐标系 ( x ， ， y ) 中， 该椭圆的琼斯 矢量为 一 ， ， 检偏器透光轴方 l 峡 夕 26 万 sm刻 ，由 此 算 得出 射 光的 琼 斯矢 量 e 为: 硕 丁 论 文空间偏振编码信号检测技术研究 夕 留 万 s m 先 !)一沙少 a:s 吮 州 口 j “ l 万 n 仃 十 仍 ， n 一 “ ( 3 . 1 . 1) 故出射光的强度为 了“， = 卜 co sz “ 合 、 ，刁 告 15， 2。 、 ， 一 可 二 a 厂 co s ， 夕 + 汉 了 s in ， 夕 = ( 考一 a 了 ) co s ， 夕 + 才 了( 3 .1 .2 ) 当 旋转检偏 器时， 透射光强将随之 变化。当检 偏器的透光 轴方向与长轴方向x ， 重合， 即e 二 00 或18 00 时 ， 有 最大 透射 光 强 1 沪 ) = 可; 而 当 相 互 垂 直， 即e = 90 。 或2 7 00 时 ， 有 最 小 光 强1 (的= 咐。 由 此可以 通 过 旋 转 检 偏 器 找 到 光 强 最 大的 位置 ， 从 而 确定 长 轴与预定的x 轴之间的 夹角平 。 然 后 用 四 分 之一 波 片 和检 偏 器测 定 椭 圆 度 tgs = a z / 鸿和 旋向 。 在 用 检 偏 器 找到 椭圆长 轴方位的基础上， 在检偏器前插入四分 之一 波片， 并旋转使出 现最大透射光强， 则 表 明 波 片 快 轴 方向 与 椭 圆 长 轴 方向 一 致。 由 于 四 分 之 一 波 片 产生 标 = 川 2 的 相 位 差， 若 入 射 椭圆 偏 振 光两 垂 直 分 量 间 的么= 到 2( 左旋 时 ) ， 得 出 射 光 的凡二 二 ， 出 射线偏振光的光矢量在 x ， ，y 坐标系中的二、四 象限 ( 图 3 . 1 . 1中 o ci 方 位) ; 若 么二 一 习 2( 右 旋 时) ， 则 凡二 。 ( 对 应图3 .1 .1 中0 c 2 方 位) 。 测定 时 ， 旋 转 检 偏 器 找 到消光位置，与此垂直的方向是出射线偏振光的方位， 便可得到 角，进而得到椭圆 度喇 司 = 凡 / 瑞。 其 旋向 可由 线 偏 振 光的 象限 得 出 2 7-2 9 。 3. 2接收光学系统的设计思路 本课题所要设计的接收光学系统，以上一条所述的椭圆偏振光测定方法为参考， 并根据空间偏 振编码系统的实际 应用加以改 进。 常用的 椭圆 偏振光测定 方法， 需 要人为的 旋转检偏器 和四分 之一波片， 来 测得椭 圆 偏振光的 偏振状态参量。 而在空间 偏振编 码系统的实际 应用中， 接收译码装置需要 高 速实时的 检测偏振信号， 且极有可 能处于 无人操作 状态。 这就意味着接收光学系统 中 ， 所 用器件的摆放位置必须固 定。 再结合后续 译码电 路， 要检测椭圆偏 振光的 偏振 状态参 量， 可以 将椭圆偏振光长、 短轴的光强值， 分 别转化为电 流值， 用电信号进行 相关的处 理。 所以设计的接收光学系统， 就是 要把椭圆偏振 光一分为二， 分别载有椭 圆的长、 短轴光强信号，再分别送至 两个光电 转化 通道， 进行后续译码处理口 叼 4 。 光 学接收系统的设计， 如图3. 2 1 所示。 其中b为带 通滤波器: w为四分之一波 片 ; f 为 分 束 棱 镜; p ， ， p : 为 线 性 偏 振滤 波片 ; ix ， 孙 为 输 出 光 强 经 光电 转 化后 的 电 流值 。 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 输入光 bw 图3. 2. 1接收光 学系 统 整个接收过程用数学公式可描 述为: 凡 = g* 凡( 3 . 2 . 1 ) 式中几、 马分别 代表 入射光矢量和出 射光 矢量， g为四分 之一波片的 琼斯矩阵。 这 里假设四分 之一波片的快轴方向与 普克 尔楔内 新的 折射率主 轴方向y 平行，则g可 表示为: g = 岩 : ; 根 “ 式 “ ， 远 场 分 “ 的 光 场 可 用 式 。 - 黑 粱 ) 表 示 ， ( 3 . 2 . 2) 在这里就相当 于入射光矢量，代入式 (3.2 . 1) 可得: 二 一 粤) sin( 占 2 ， + co 成 占 2 ， ) v zl i s 叫占 1 2 ) 一 i cos( 占 1 2 ) ( 3 2. 3) 也是一个椭圆偏振光的一般形式。 3 j数据处理方法的选择 根据分束棱镜理论，由式 (3 .2.3) 可得: 几= 吸 = 犬 1血(司 2 ) + co s( 司 2 ) 2( 3 3 1 ) 1 ， = 味= k co s 叫2 ) 一 sin(司 2 ) ，( 3 .3 .2 ) 式中k为比例系数. 为消除系数 k的影响，同时 易于后续电路处 理， 考虑两种数据处 理，一种是直 接 相 除， 即几 / 几; 另 一 种 是 采 用 差 和 比 的 方 法 . 由 式 ( 3 .3 . 1) 和式 (3.3. 2) 得， 直接相除的结 果为: 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 1 ， kl s in(占 / 2 ) + cos( 占 1 2 ) 1 2，占 才 一=_=t a n一 卜 +一 户 iy双co s 必/ 2 ) 一 s in ( 咨 1 2 ) 2 4 ( 3 .3 . 3 ) 采用差和比的方法所得结果: 生 兰 = s i n(6/ 2) + co 成 占 j z )1 ， 一 co s(8/ 2 ) 一 ， in( 占 / 2 )1 ， 人+ 几 isin( 占 / 2) + co s( 占 / 2 刀 ， + 印 成 占 / 2) 一 sin( 占 / 2)， =s in 占( 3 一 3 . 4) 比较 两种方法可得， 前一种处 理方式所得的数 据值从0 到无穷大， 变化范围 太大; 而后一种处理方式所得数据值的变化范围在一1 和十1 之间，易于后续译码电路的处 理.因 此课题采用和差比 的数据处理方 法3 0 。 3. 4四分之一波片的作用 在前面的 接收光学系统的讨论中， 我们假定发 射系统的坐标轴与接收系统的坐标 轴 轴向一 致。 然而在实际应用中， 由于 大气等环境因素的影响会导致飞行器旋转， 这 样接收 系统的 坐标轴就与发射系统的 坐标轴轴向 不一致了 。 如果不排除这种飞行器自 旋 带来的 影响， 就会引入额外的 误差， 从而降低导航的精度 135问. 四分之一波片的作用就是消除飞行器自旋产生的轴向偏差。为了证明这一结论， 我 们建 立 发 射 系 统 和 接 收 系 统 两 个 坐 标 系， 并 可以 相 互换 算 t37 润。 假设 两个正交放置的检偏器的 透光轴分别处于接 收系统的x轴和y轴，设e 为 波片的 相位延迟角， 因为波片的 快轴方向 和x轴成4 50 ， 所以 在这一 坐标系中， 波片 的琼斯矩阵可表示为: g = ( 3 ，4. 1 ) 2叫 设 椭 圆 偏 振 光 的 长 、 短 轴 分 别 为。 ， b ， 令 。 = 士 孚 ， 正 号 代 表 左 旋 ， 负 号 代 表 右 b 旋，则椭圆偏振光在发射系统坐标系中归一化琼斯矢量为: = 击日 ( 3 42) 假设在某一瞬间， 接收 系统发生了俨 角旋转，则 椭圆 偏振光在接收系统的x 、 y 坐标系中的琼斯矢量变为; e= 击 除洲 : 1 =一产宁=xl vc+i l c * cos 尹 一 i sin 一 5 访毋+ i cos ， 1 职 ( 3 :4 3 ) 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 当椭圆偏振光经过波片后，其出 射光在x 、 y坐标系中 的琼斯矢量为: e ， ， =gxe ， 、， 4 . 4 . 凡j 了七 ，.!且1且胜j 、.j、.1 夕一2口一2 5， 拭 一 警 + co s 。 5 、 一 ， 号 一 氏别乌了 1 = 亦下k 则 ix 、 毛 分别 为 : ix二 瓦x 片 毛” 耳、 叮 ( 3 . 4 . 5 ) ( 3 ， 4 . 6) 用差和比公式计算出: 今 一 吞 = 共(cl一 1) cos 。 co s 补 + 2 o 5。 01 j 二 +1 夕c 一 +1 ( 3 . 4 . 7) 令f=人一 毛 1 ， + 几 ， 当 9 = 粤时 ， z 了= 2c 1 + c z ( 3 ，4 . 8 ) 由 此可见， 四分之一波片 恰好把飞行 器自 旋产生的尹 角误差消除， 使得接收系统 与飞 行器的自 旋无关。 再提及上 一条所述的 两种数据处理方法， 若采用直接相除的方 法， 旋转角必 的影响始终存在， 无法 消除。 所以差和比 的数据处理方法适合于本课 题。 进 一步推 导， 由式 ( 2. 2. 4 )可知，入射椭圆偏振光 的琼 斯矢量 可表示 为 一 -黑 粱 ) ， 则 “ 占 亡 = tg 万 ( 34 .9 ) f= 2tg要 ( 3 . 4 . 1 0) 占-2 2 tg + .二 由 式(2 .2. 5)可知 ， 在垂 直 高 度y 处 的 椭圆 偏 振 光 两 分 量 的 相 位 差占 = 兽二 ， 则 刀 t_ ， _y _ j = 万” 竺 ， 万 刀 ( 3.4. 1 1 ) 以 垂直放置的 双普克尔楔为例，由 式 (3冲 . 1 1) 可得，激光束通过双普克尔楔的 位置，有以下几种情况: ( 1) 当 占 二 习2 时 ， f = 1 ， y = 列2 ， 即 激 光 束 从 双普 克 尔 楔顶 部 通过 ; (2) 当 。 占 可 2 时 ， 。 f 1 ， 0 y 列2 即 激 光 束 从 双 普 克 尔 楔上 半 部 通 硕士论文空间偏振编码信号检测技术研究 过; (3) 当占 = 。 时，f = 0 ，y = 。 ， 即激光 束从双普克尔楔中心位置通过; (4 ) 当 一 川 2 咨 。 时， 一 1 f 0 ， 一 列 2 y 0 即 激光 束 从双 普克 尔 楔 下 半 部通过; (5 ) 当 占 = 一 可 2 时 ，f = 一 1 ， y 二 一 d/ 2 ， 即 激 光 束 从 双 普 克 尔 楔 底 部 通 过 。 同 理， 对于水平放置的双