[发明专利]基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及偏振测量领域，特别是涉及一种基于光强测量积分时间优化的偏振测量方法。

背景技术

偏振信息作为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测物信息，因此偏振信息的测量在许多领域有着十分广泛的应用。Stokes矢量描述了光波的偏振态，包含了最基本的偏振信息。Stokes矢量的测量也由此成为偏振测量领域的主要方向之一，因此提高Stokes矢量的测量精度对于提高偏振测量技术的水平具有重要意义。测量数据的方差是影响测量精度的关键因素。通常的Stokes矢量测量是通过光强的测量来实现的：首先测量偏振分析器(PSA)四个不同状态下的透射光强，其中PSA四个不同状态下对应的四次光强测量的积分时间相同；然后根据PSA测量矩阵和光强的测量值计算Stokes矢量。之前的均分光强积分时间的方案并没有考虑光强积分时间对于Stokes矢量测量方差的影响，因此在某些情况下，不能实现最小化的Stokes矢量测量方差和最优化的测量精度。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，考虑光强测量的积分时间对Stokes矢量测量方差的影响，针对偏振测量系统中的测量矩阵，获得积分时间和Stokes矢量测量方差的函数关系，并获得测量方差最小时的最优化积分时间，从而达到进一步提高Stokes矢量的测量精度的目的。

本发明公开了一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，该系统包括以下步骤：

步骤一、根据偏振态分析器的各个偏振状态求出相应的测量矩阵W，并将光强探测器件在各个PSA状态下的光强测量积分时间考虑在内，光强计算公式如下：

I＝TWS

其中，I表示光强，T表示测量时间矩阵，W表示偏振态分析器对应的测量矩阵，S表示待测Stokes矢量；

步骤二、计算出在给定测量矩阵W的情况下待测Stokes矢量总方差关于积分时间的函数：

Γ^s＝(TW)^-1Γ^I[(TW)^-1]'

其中，Γ^S表示Stokes矢量的方差矩阵；

步骤三、利用最优化算法求出待测Stokes矢量总方差对应的最优化光强测量积分时间；

步骤四、根据优化后的积分时间进行采集实验，并计算Stokes矢量各个分量的方差及其总方差。

所述步骤三的最优化算法，具体包括以下处理：

考虑拉格朗日函数，最优解应该满足：

由公式计算得到C₁、C₂、C₃、C₄；t₁、t₂、t₃、t₄表示各个积分时间变量；表示W^-1中的第m行k列的元素；λ为拉格朗日乘子法系数；

对各个积分时间变量t₁、t₂、t₃、t₄分别求偏导得到：

由此解得最优积分时间的解析解应满足：

即为优化积分时间；通过和未优化前比较，将最优积分时间带入目标函数得到优化了光强测量积分时间后Stokes矢量测量总方差的降低百分比γ：

本发明能有效降低Stokes矢量测量的总方差，从而提高Stokes矢量测量的精度

附图说明

图1为光强探测器件积分时间优化下的Stokes矢量测量装置示意图；

图2为光强探测器件积分时间均分下的Stokes矢量四个分量测量值分布直方图；(a)S₀分布直方图，(b)S₁分布直方图，(c)S₂分布直方图，(d)S₃分布直方图；其中：t₁＝t₂＝t₃＝t₄＝100ms。