一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法
阅读说明：本技术 一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法 (Simulation device for sea fog polarization transmission and test method thereof ) 是由 付强 顾黄莹 段锦 刘阳 张肃 战俊彤 谢国芳 姜会林 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法属于偏振传输特性技术领域。其中模拟装置包括发射装置、接收装置、主箱体、光线自动对准系统、水雾层标定系统、盐雾层标定系统和气溶胶层标定系统。本发明在室内环境下模拟偏振光自动对准和相对稳定的海雾环境,提升室内模拟的准确度,实测数据与理论仿真结果的符合度优于80％,为海面探测提供可靠的技术支撑。(A simulation device for sea fog polarization transmission and a test method thereof belong to the technical field of polarization transmission characteristics. The simulation device comprises a transmitting device, a receiving device, a main box body, a light automatic alignment system, a water mist layer calibration system, a salt mist layer calibration system and a gas sol layer calibration system. The invention simulates the polarized light automatic alignment and relatively stable sea fog environment in the indoor environment, improves the accuracy of indoor simulation, ensures that the conformity of the measured data and the theoretical simulation result is better than 80 percent, and provides reliable technical support for sea surface detection.)
技术领域
本发明属于偏振传输特性技术领域，特别是涉及到一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法。
背景技术
海雾在水汽充足、微风及大气稳定的情况下，相对湿度达到100％时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中，使海面水平的能见度下降，这种现象称为海雾。海雾严重影响了交通运输、海面探测和海洋开发等领域。因此研究海雾环境的需求越发迫切。
随着现代光学技术的发展，海洋环境下光学探测应用越来越广泛。但室外探测耗时长，成本高，环境复杂多变且夜晚不易探测，室内海雾模拟装置较少且现有的室内海雾模拟装置不稳定，雾消散快，设备调试时间较长易造成误差较大且没有提到雾气稳定区间的标定方法。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法用于解决现有的室内海雾模拟装置不稳定，雾消散快，误差较大且没有提到雾气测试方法等技术问题。
一种用于海雾偏振传输的模拟装置，包括发射装置、接收装置、主箱体、光线自动对准系统、水雾层标定系统、盐雾层标定系统和气溶胶层标定系统，
所述主箱体的内部从上到下依次间隔设置有气溶胶层透镜隔板、水雾层透镜隔板和盐雾层透镜隔板将主箱体的内部从上到下分成气溶胶层、水雾层、盐雾层和空层；
所述光线自动对准系统包括半导体感光板、第一控制装置和平面螺旋轨道；所述半导体感光板设置于主箱体的内顶部；所述平面螺旋轨道设置于主箱体的内底部；所述第一控制装置分别与半导体感光板以及平面螺旋轨道电性连接；
所述发射装置安装于平面螺旋轨道上，发射装置包括激光器、液晶光调制器SLM、衰减片、起偏器和λ/4玻片；所述激光器、液晶光调制器SLM、衰减片、起偏器和λ/4玻片依次同光轴布置；
所述接收装置设置于主箱体的上部，接收装置包括分光棱镜、偏振态测量仪、光功率计和电脑；所述分光棱镜接收发射装置发射的光线并将入射光线分成两束，一束传输至偏振态测量仪，另一束传输至光功率计；所述电脑分别与偏振态测量仪以及光功率计电性连接；
所述水雾层标定系统包括水雾发生装置、湿度仪、温度仪和水汽压测定仪；所述水雾发生装置与水雾层连通，水雾发生装置与电脑电性连接；所述湿度仪、温度仪和水汽压测定仪均固定安装在水雾层内部，湿度仪、温度仪和水汽压测定仪分别与电脑电性连接；
所述盐雾层标定系统包括盐雾发生装置、氯离子吸收器和第二光功率计；所述盐雾发生装置与盐雾层连通，盐雾发生装置与电脑电性连接；所述氯离子吸收器和第二光功率计均固定安装在盐雾层内部，氯离子吸收器和第二光功率计分别与电脑电性连接；
所述气溶胶层标定系统包括气溶胶发生装置、能见度仪和马尔文粒度仪；所述气溶胶发生装置与气溶胶层连通，气溶胶发生装置与电脑电性连接；所述能见度仪和马尔文粒度仪固定安装在气溶胶层内部，能见度仪和马尔文粒度仪分别与电脑电性连接。
所述气溶胶层、水雾层和盐雾层的侧壁均设置有观察窗口和排气口。
一种用于海雾偏振传输的模拟装置的测试方法，利用所述的一种用于海雾偏振传输的模拟装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、实验环境准备
校准平面螺旋轨道至零位，保证主箱体内为全黑干燥环境；
步骤二、模拟气体发生
根据要模拟的海雾环境开启相应的气体发生装置，其中气溶胶发生装置向气溶胶层的内部填充大气气溶胶粒子作为传输介质，水雾发生装置向水雾层的内部填充水雾粒子作为传输介质，设定盐雾发生装置的介质浓度，向盐雾层的内部填充以盐晶颗粒为内核的水雾粒子作为传输介质；
步骤三、调节发射端
开启发射装置，调节激光器发射相应波段的激光，平行射入液晶光调制器SLM中，液晶光调制器SLM的出射激光依次经过衰减片衰减，经过起偏器变为偏振光，经过λ/4玻片将偏振光变为圆偏振光；
步骤四、光线对准
所述圆偏振光依次从三层模拟海雾中穿过到达主箱体的顶层，所述三层模拟海雾包括盐雾层、水雾层以及气溶胶层，光束落在半导体感光板上，则光束未被接收装置正确接收，半导体感光板导通向第一控制装置传送信号，第一控制装置通过接收到的信号调整平面螺旋轨道的偏转方向，进而控制发射装置旋转相应的角度，直至半导体感光板无光束入射，则光束被接收装置正确接收，进行步骤五；
步骤五、雾层恒定调节
在电脑设定雾浓度值，并通过湿度仪、温度仪以及水汽压测定仪的实时检测变化值控制电脑驱动水雾发生装置喷雾；通过氯离子吸收器和第二光功率计实时检测变化值控制电脑驱动盐雾发生装置喷雾；通过能见度仪和马尔文粒度仪的实时检测变化值控制电脑驱动气溶胶发生装置喷雾；
各实时检测变化值均在设定阈值范围内，停止喷雾，等待一至两分钟以保证雾气稳定后进行步骤六；
步骤六、调节接收装置
接收装置接收到的光束入射到分光棱镜中，分光棱镜把光束分为两束，一束射入光功率计的探头，用以在光功率计上测试光功率，另一束射入偏振态测量仪的探头，用以在偏振态测量仪上接收偏振光的各测试值，电脑记录各测试值；
步骤七、测试结束
关闭各装置，打开气溶胶层、水雾层、盐雾层的各排气口进行箱内排空。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明在室内环境下模拟偏振光自动对准和相对稳定的海雾环境，提升室内模拟的准确度，实测数据与理论仿真结果的符合度优于80％，为海面探测提供可靠的技术支撑。
附图说明
以下结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种用于海雾偏振传输的模拟装置及其测试方法中模拟装置的结构示意图。
图中，1-发射装置、2-接收装置、3-主箱体、4-光线自动对准系统、5-水雾层标定系统、6-盐雾层标定系统、7-气溶胶层标定系统、11-激光器、12-液晶光调制器SLM、13-衰减片、14-起偏器、15-λ/4玻片、21-分光棱镜、22-偏振态测量仪、23-第一光功率计、24-电脑、31-气溶胶层透镜隔板、32-水雾层透镜隔板、33-盐雾层透镜隔板、34-第一观察窗口、35-第二观察窗口、36-第三观察窗口、37-第一排气口、38-第二排气口、39-第三排气口、310-第四观察窗口、41-半导体感光板、42-第一控制装置、43-平面螺旋轨道、51-水雾发生装置、52-湿度仪、53-温度仪、54-水汽压测定仪、61-盐雾发生装置、62-氯离子吸收器、63-第二光功率计、71-气溶胶发生装置、72-能见度仪、73-马尔文粒度仪。
具体实施方式
一种用于海雾偏振传输的模拟装置如图1所示，包括发射装置1，接收装置2、主箱体3、光线自动对准系统4、水雾层标定系统5、盐雾层标定系统6、气溶胶层标定系统7。其中主箱体3的内部从上到下依次间隔水平设置有气溶胶层透镜隔板31、水雾层透镜隔板32和盐雾层透镜隔板33将主箱体3的内部从上到下分成气溶胶层、水雾层、盐雾层和空层，气溶胶层的侧壁设置有第一观察窗口34和第一排气口37，盐雾层的侧壁设置有第二观察窗口35和第二排气口38，盐雾层的侧壁设置有第三观察窗口36和第三排气口39，空层的侧壁设置有第四观察窗口310，第一观察窗口34、第二观察窗口35、第三观察窗口36以及第四观察窗口310同轴排列；第一排气口37、第二排气口38以及第三排气口39同轴排列。发射装置1的组成部分包括激光器11，液晶光调制器SLM12、衰减片13、起偏器14和λ/4玻片15，，实现光束的发射。发射装置1置于主箱体2空层内的平面螺旋轨道43上，调整平面螺旋轨道43的偏转方向，进而控制发射装置1旋转相应的角度。接收装置2的组成部分包括分光棱镜21、偏振态测量仪22、光功率计23和电脑24，可以实现实时测试以及数据分析。接收装置2置于主箱体3的顶部。半导体感光板41置于主箱体3顶部内表面并与第一控制装置42相连接，再由第一控制装置42连接平面螺旋轨道43控制上行光束对准，可实现光线的自动对准。水雾发生装置51、湿度仪52、温度仪53和水汽压测定仪54垂直放置在主箱体3的侧壁上，用于水雾层的标定；盐雾发生装置61、氯离子吸收器62、第二光功率计63垂直位于主箱体3的侧壁，用于盐雾层标定；气溶胶发生装置71位于主箱体3的侧壁、能见度仪72和马尔文粒度仪73水平放置在盐雾层透镜隔板33上，用于气溶胶层标定。
具体的，激光器11采用长富科技(北京)有限公司生产的染料可调谐激光器，液晶光调制器SLM12是采用北京波威科技有限公司生产的液晶光调制器，衰减片13采用深圳市激埃特光电有限公司生产的衰减片，起偏器14采用北京永兴感知信息技术有限公司，λ/4玻片15采用福州美扬光电有限公司生产的1/4波片、分光棱镜21采用美国THORLABS生产的棱镜，偏振态测量仪22采用成都光驰科技有限公司的偏振态测试仪，光功率计23采用美国THORLABS生产的数字式手持光功率计。
本发明的工作过程如下：
步骤一、实验环境准备
对发射装置1和接收装置2进行检测，在光学平台上固定各实验器材，校准平面螺旋轨道43零位，保证主箱体3内黑暗干燥环境，避免环境光线对激光产生影响，以满足所需的实验条件；
步骤二、模拟气体发生
根据要模拟的海雾环境开启相应气体发生装置。开启气溶胶发生装置71向气溶胶层的内部填充大气气溶胶粒子作为传输介质，开启水雾发生装置51向水雾层的内部填充水雾粒子作为传输介质，设定盐雾发生装置61的介质浓度，向盐雾层填充以盐晶颗粒为内核的水雾粒子作为传输介质；
步骤三、调节发射端
开启发射装置1，调节激光器11发射相应波段的激光，平行射入液晶光调制器SLM12中，出射激光依次经过衰减片13衰减，经过起偏器14变为偏振光，经过λ/4玻片15将偏振光变为圆偏振光；
步骤四、光线对准
光从三层模拟海雾中穿过到达主箱体3的顶层，如果没有被接收端正确接收，光束落在半导体感光板41上，半导体导通向第一控制装置42传送信号，第一控制装置42通过接收到的信号来调整平面螺旋轨道43的偏转方向，进而控制发射装置2旋转相应的角度，直至感光板41无光束入射，则光束被接收装置2正确接收；
步骤五、稳定区间标定方法
稳定区间标定方法采用一束激光进行标定。本装置水雾层的稳定区间标定方法是通过温度与湿度之差来判断雾的浓度变化，使用湿度仪52测定湿度、温度仪53测定温度，计算差值，差值稳定即水雾浓度稳定，差值变化大则水雾浓度不稳定。
已知相对湿度f为实际的空气水汽压强(p1)和同温度下饱和水汽压强(p2)的百分比即
为了简化计算百分号省略并对其取微分得
根据克拉伯龙方程和理想气体状态方程可得：
p1m＝ρ1RT
已知标准情况下，ρ1为实际水汽密度，R为摩尔气体常量，L为相变潜热，m为水汽的摩尔质量，T＝273.15K，n＝1mol，L/nRT为常数，故水汽含量的变化和气温的变化(dT)可以引起雾浓度的变化(df):增加水汽和降低温度可以使空气的相对湿度增大(df>0)，使原来不太浓的雾变得更浓,反之,则会使原来就很浓的雾变得很淡甚至消散。由此可以证明:用湿度和温度的差值变化来判断雾的浓度变化是行之有效的方法。
本装置盐雾层标定采用光功率和氯离子浓度结合的方法进行标定，激光通过盐雾层后光功率有所衰减，当雾气稳定时，光功率在一个相对稳定的范围内波动，与此同时对盐雾层中氯离子进行检测，根据盐雾浓度公式进行标定。
其中Sc为盐雾含量，[CL-]为氯离子浓度，Q为采样吸气的流速，V为吸收液总体积，t为采样时间。查看第二光功率计63的示数是否在一定范围内稳定波动，再通过氯离子吸收器62采集盐雾层中氯离子，根据盐雾浓度公式计算出盐雾浓度进行盐雾层标定。
本装置气溶胶层的标定采用马尔文粒度仪73和能见度仪72结合的方式来进行标定，测定粒子浓度。设置空箱对照组，无气溶胶粒子充入时测定能见度范围，气溶胶充饱和时测定能见度范围，并使用马尔文粒度仪73测定饱和时的粒径大小分布。
步骤六、调节接收端
接收装置2接收到的光束入射到分光棱镜21中，分光棱镜21把光束分为两束，一束射入光功率计23的探头，用以在光功率计23上测试光功率，另一束射入偏振态测量仪22的探头，用以在偏振态测量仪22上接收偏振光的各测试值，连接电脑24记录各值进行分析。
步骤七、测试结束
关闭各装置，打开第一排气口37、第二排气口38、第三排气口39进行箱内排空。
以上所述，仅为本发明的部分具体方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。