СКАНИРУЮЩИЙ СТОКС-ПОЛЯРИМЕТР Советский патент 1996 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к автоматическим оптико-электронным устройствам, предназначенным для измерения параметров Стокса протяженных космических объектов.

Известен электронный автоматический полиметр "Таймыр" для спектральных измерений четырех параметров эллиптически поляризованного излучения [1] В случае распределенной поляризации такое устройство требует больших затрат времени при наблюдении и дополнительной обработке большого объема полученной информации.

Наиболее близким к предлагаемому является сканирующий поляриметр, содержащий сканирующее устройство, блок обработки информации, блок регистрации и генератор опорного напряжения [2]
Такое устройство позволяет измерить лишь распределение значений показателя поляризации и фазового угла по поверхности исследуемого космического объекта, при этом остальные параметры, характеризующие поляризационные свойства объекта, не регистрируются.

Целью изобретения является повышение быстродействия при измерении распределений параметров Стокса по всей поверхности исследуемого объекта.

Это достигается тем, что в сканирующем поляриметре, содержащем сканирующее устройство, блок обработки информации, генератор опорного напряжения и блок регистрации, блок обработки информации выполнен в виде четырех каналов, один из которых содержит фильтр низших частот, сумматор и амплитудный анализатор, а остальные каналы содержат синхронные детекторы, подключенные к соответствующим амплитудным анализаторам через узкополосные фильтры, причем сумматор первого канала соединен с узкополосным фильтром третьего канала, и каждый из амплитудных анализаторов подключен к генератору опорного напряжения, блок регистрации информации содержит четыре видеоконтрольных устройства, соединенных с выходами блока обработки информации, и цифровой индикатор, подключенный к генератору опорного напряжения.

На чертеже дана структурная схема предлагаемого сканирующего Стокс-поляриметра.

Сканирующее устройство поляриметра состоит из диафрагмы 1, светофильтра 2, коллиматора 3, электрооптического модулятора Поккельса 4, анализатора 5 с объективом камеры 6, диссектора 7, телевизионной фотометрической системы 8 и генератора модулирующего напряжения 9. Модулятор Поккельса образует два электрооптических кристалла, ось одного из которых параллельна, а другого перпендикулярна к главному пропусканию анализатора.

Блок обработки информации состоит из четырех каналов. Первый канал содержит фильтр низших частот 10, сумматор 11 и амплитудный анализатор 12. Второй, третий и четвертый каналы образуют синхронные детекторы 13, 14, 15, узкополосные фильтры 16, 17, 18 и амплитудные анализаторы 19, 20, 21. В состав блока обработки входит также генератор опорного напряжения 22.

Блок регистрации информации состоит из четырех видеоконтрольных устройств 23 26 и цифрового индикатора 27.

Оптическая часть сканирующего поляриметрического устройства обеспечивает получение на фотокатоде диссектора, установленного в фокусе телескопа, поляриметрического изображения исследуемого объекта, при сканировании которого образуются видеосигналы, содержащие в себе полную информацию о поляризационных параметрах каждой точки объекта. Интенсивность света на фотокатоде диссектора в зависимости от поляризационных свойств излучения модулятора Поккельса и анализатора может быть определена с помощью матриц Мюллера и равна

где S_1i, S_2i, S_3i, S_4i параметры Стокса, определяющие поляризационные свойства различных точек исследуемого объекта;
Ω частота модулирующего напряжения генератора 9.

Значение индекса i определяют номера элементов при разложении изображения на фотокатоде диссектора (i 1, 2, КZ², где К формат кадра, Z - число строк разложения).

Телевизионная фотометрическая система 8 формирует полный телевизионный видеосигнал, содержащий поляриметрическую информацию об исследуемом объекте и обеспечивает передачу его по каналу связи на входы четырех каналов блока обработки информации, каждый из которых служит для выделения видеосигналов, определяющих распределение соответствующих параметров Стокса. Верхняя граница частотного спектра полученного видеосигнала f_макс определяется периодичностью развертки изображения и зависит от формата кадра К, числа кадров n и числа строк разложения Z. .

Частотный спектр видеосигнала содержит также частоту Ω, определяемую частотой модулирующего напряжения генератора 9. Для работы сканирующего стокс-поляриметра необходимо, чтобы W ≫ f_макс.
Выделение видеосигналов, определяющих первый параметр Стокса S_1i, осуществляется в первом канале блока обработки информации с помощью фильтра низших частот 10, сумматора 11 и амплитудного анализатора 12. С помощью фильтра низших частот 10 из видеосигнала выделяется составляющая, пропорциональная величине

и подается на один из входов сумматора 11. На второй вход сумматора 11, соединенный с узкополосным фильтром 17 третьего канала, поступает видеосигнал отрицательной полярности, пропорциональный значению третьего параметра Стокса

Таким образом, на выходе сумматора 11 образуется видеосигнал, глубина модуляции которого пропорциональна величине первого параметра Стокса S_1i.

Выделение видеосигналов, определяющих второй S_2i, третий S_3i и четвертый S_4i параметры Стокса, осуществляется с помощью синхронных детекторов 13, 14 и 15 соответственно второго, третьего и четвертого каналов и соединенных с ними через узкополосные фильтры 16, 17, 18 амплитудных анализаторов 19, 20 и 21. Работа каждого синхронного детектора синхронизирована с работой модулятора Поккельса 4 с помощью генератора модулирующего напряжения 9 частоты Ω сканирующего устройства.

Выделение видеосигналов, определяющих третий S_3i и четвертый S_4i параметры Стокса, осуществляется по удвоенной частоте W, причем управляющее напряжение синхронного детектора 13 четвертого канала сдвинуто по фазе относительного управляющего напряжения синхронного детектора 14 третьего канала на . Схема управления и синхронизации детекторов не показана.

Полученные таким образом четыре видеосигнала поступают на входы амплитудных анализаторов 12, 19, 20 и 21 с изменяющимся порогом дискриминации первого, второго, третьего и четвертого каналов, с помощью которых последовательно, в зависимости от установленного порога дискриминации, выделяются импульсы равных амплитуд, определяющие в каждом случае величину измеряемых параметров Стокса Smji

, где j номер измеряемого параметра Стокса (j 1, 2, 3, 4), m номер порога дискриминации, определяющего величину измеряемого параметра Стокса (m 0, 1, 2, N) ΔS_ji= Sm+1ji- Smji - шаг квантования по уровню параметров Стокса при дискретизации отсчета Sминji, здесь Sminji = 0.
Так как все параметры Стокса имеют одинаковую размерность интенсивности излучения и для них выполняется соотношение
S21i ≥ S22i+ S23i+ S24i,
то шаг квантования при дискретизации всех четырех параметров оказывается возможным выбрать одинаковым, т.е. ΔS_ji = ΔS.
Измерение распределения параметров Стокса по поверхности исследуемого объекта осуществляется в блоке регистрации информации. Видеоимпульсы равной амплитуды с выходов амплитудных анализаторов 12, 19, 20 и 21 блока обработки информации поступают на входы соответствующих видеоконтрольных устройств 23
26 блока регистрации.

Развертка изображения видеоконтрольных устройств синхронизирована с разверткой телевизионной фотометрической системы 8 сканирующего устройства, поэтому на их экранах последовательно получаются различные распределения светящихся точек одинаковой яркости, соответствующие распределениям четырех параметров Стокса одинаковой величины по поверхности исследуемого объекта. Работа амплитудных анализаторов 12, 19, 20 и 21 синхронизирована с работой цифрового индикатора уровня 27 с помощью генератора опорного напряжения 22. При этом величина распределенных по поверхности объекта параметров Стокса, определяемая порогом дискриминации анализатора, визуализируется на шкале цифрового индикатора 27. Таким образом, при изменении порога дискриминации амплитудных анализаторов последовательно измеряются распределения различных по величине параметров Стокса по всей поверхности исследуемого объекта.

Для автоматического отождествления полученных распределений Стокса с исследуемым объектом на входы четырех видеоконтрольных устройств подаются видеосигналы изображения исследуемого объекта. При этом яркое распределение светящихся точек на экранах видеоконтрольных устройств подсвечивается слабым изображением объекта. Схема образования видеосигналов изображения и синхронизации видеоконтрольных устройств с телевизионной фотометрической системой на схеме не показана.

В сканирующем стокс-поляриметре предусмотрена возможность одновременного наблюдения распределений различных по величине параметров Стокса по поверхности исследуемого объекта. В этом случае поляриметрические импульсы поступают на входы видеоконтрольных устройств, минуя амплитудные анализаторы, и на экранах видеоконтрольных устройств получаются распределения точек различной яркости, точкам большей яркости соответствуют большие по величине значения параметров Стокса.

Быстродействие предлагаемого устройства на несколько порядков превышает быстродействие известных точечных поляриметрических устройств, причем указанный порядок определяется числом элементов разложения изображения объекта.

Сканирующий стокс-поляриметр, содержащий сканирующее устройство, блок обработки информации, генератор опорного напряжения и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при измерении распределений параметров Стокса по всей поверхности исследуемого объекта, блок обработки информации выполнен в виде четырех каналов, один из которых содержит фильтр низших частот, сумматор и амплитудный анализатор, а остальные каналы содержат синхронные детекторы, подключенные к соответствующим амплитудным анализаторам через узкополосные фильтры, причем сумматор первого канала соединен с узкополосным фильтром третьего канала и каждый из амплитудных анализаторов подключен к генератору опорного напряжения, блок регистрации содержит четыре видеоконтрольных устройства, соединенных с выходами блока обработки информации, и цифровой индикатор, подключенный к генератору опорного напряжения.

Сканирующий стокс-поляриметр, содержащий сканирующее устройство, блок обработки информации, генератор опорного напряжения и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при измерении распределений параметров Стокса по всей поверхности исследуемого объекта, блок обработки информации выполнен в виде четырех каналов, один из которых содержит фильтр низших частот, сумматор и амплитудный анализатор, а остальные каналы содержат синхронные детекторы, подключенные к соответствующим амплитудным анализаторам через узкополосные фильтры, причем сумматор первого канала соединен с узкополосным фильтром третьего канала и каждый из амплитудных анализаторов подключен к генератору опорного напряжения, блок регистрации содержат четыре видеоконтрольных устройства, соединенных с выходами блока обработки информации, и цифровой индикатор, подключенный к генератору опорного напряжения.