四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法

摘要

四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，其特征是采用逐级信号处理的方法，对于来自四通道大气偏振信息检测传感器的实时动态检测数据进行逐级处理，在逐级处理过程中，通过硬补偿和软补偿两种分级的补偿方法，对传感器逐级信号的误差和噪声进行信号补偿与匹配，使得由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声，所引起的随机噪声，得到有效的一致性补偿和抑制，最终得到有效的传感器输出，通过对获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到准确、可靠的大气偏振模式信息。

主权项

1、四通道大气偏振信息检测传感器信号处理与补偿方法，其特征是按如下过程进行：采用逐级信号处理的方法，首先，利用四通道大气偏振信息检测传感器，获得四个通道的偏振光信号分别是P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂，有：P₁₁＝n₁₁I(1+d cos 2(φ-φ₁₁))          (1)P₁₂＝n₁₂I(1+d cos 2(φ-φ₁₂))          (2)P₂₁＝n₂₁I(1+d cos 2(φ-φ₂₁))          (3)P₂₂＝n₂₂I(1+d cos 2(φ-φ₂₂))          (4)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的n₁₁、n₁₂、n₂₁和n₂₂分别为所述传感器中四个通道的偏振感知器对特定波段光的传输响应系数，I为归一化光强系数，d为大气偏振模式中偏振度信息，φ为大气偏振模式中偏振化方向信息，即检测时刻的太阳方位角，φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁和φ₂₂分别为四个通道的偏振感知器的起始偏振感知方向，且有：φ₁₂-φ₁₁＝π/2、φ₂₂-φ₂₁＝π/2、0<φ₂₁-φ₁₁<π/2；所述四个通道的偏振感知器输出的偏振光信号P₁₁、P₁₂、P₂₁和P₂₂分别经光电转换器后输出的模拟量电信号分别是I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，有：I₁₁＝m₁₁P₁₁＝l₁₁I(1+d cos 2(φ-φ₁₁))     (5)I₁₂＝m₁₂P₁₂＝l₁₂I(1+d cos 2(φ-φ₁₂))     (6)I₂₁＝m₂₁P₂₁＝l₂₁I(1+d cos 2(φ-φ₂₁))     (7)I₂₂＝m₂₂P₂₂＝l₂₂I(1+d cos 2(φ-φ₂₂))     (8)式(5)、式(6)、式(7)和式(8)中的m₁₁、m₁₂、m₂₁和m₂₂分别为四个通道的光电转换器的传输响应系数，l₁₁＝m₁₁×n₁₁、l₁₂＝m₁₂×n₁₂、l₂₁＝m₂₁×n₂₁和l₂₂＝m₂₂×n₂₂为偏振感知器与光电转换器的合传输系数；所述四个通道的光电转换器输出的模拟量电信号I₁₁、I₁₂、I₂₁和I₂₂，以两个通道为一组，分别经对数运算单元，输出的模拟量电信号分别是G₁和G₂，有：$G_1\left(\phi \right)=\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\phi \right)}{1-d\cos \left(2\phi \right)}\right)---\left(9\right)$$G_2\left(\phi \right)=\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+\log \left(\frac{1+d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}{1-d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}\right)---\left(10\right)$式(9)和式(10)中，0<φ₀＝φ₂₁-φ₁₁<π/2，和即是由于传感器中四个通道的偏振光感知器与光电转换器的信号响应特性不一致所造成的加性漂移误差分量；所述两路对数运算单元输出的模拟量电信号G₁和G₂，分别经两路运算与放大单元，输出的模拟量电信号为和有：$F_1\prime \left(\phi \right)=k_1\log \left(\frac{l_{11}}{l_{12}}\right)+k_1\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\phi \right)}{1-d\cos \left(2\phi \right)}\right)---\left(11\right)$$F_2^{\prime }\left(\phi \right)=k_2\log \left(\frac{l_{21}}{l_{22}}\right)+k_2\log \left(\frac{1+d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}{1-d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}\right)---\left(12\right)$式(11)和式(12)中，k1和k2分别为两路运算与放大单元的传输响应系数，k₁和k₂的不同造成了运算与放大单元后输出的模拟量电信号存在乘性幅值误差，和就是运算与放大单元后输出模拟量电信号中的被放大了的加性漂移误差分量；针对加性漂移误差分量和乘性幅值误差，按以下方式进行硬补偿：所述硬补偿是在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的放大反馈参数，用以补偿两路运算与放大单元中由于k₁和k₂的不同所造成的乘性幅值误差，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号的幅值相等；在运算与放大过程中，调节两路运算与放大单元中的基准电平信号，用以补偿和所造成的加性漂移误差分量，使得经过两路运算与放大单元后的模拟量电信号最大最小值调谐至零对称，经过硬补偿后的两路运算与放大单元输出的模拟量电信号分别为F₁和F₂，有：$F_1\left(\phi \right)=\log \left(\frac{1+d\cos \left(2\phi \right)}{1-d\cos \left(2\phi \right)}\right)---\left(13\right)$$F_2\left(\phi \right)=\log \left(\frac{1+d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}{1-d\cos (2\phi -{2\phi }_0)}\right)---\left(14\right)$硬补偿后的模拟量电信号F₁和F₂，经过模数转换单元，转换成数字量电信号；对于所述数字量电信号，若误差超过规定的阈值，再按以下方法进行软补偿：所述软补偿是当检测数据中的误差超过规定的阈值时，则启动软补偿，所述软补偿为自适应实时校准过程，首先，传感器以自体中心为轴，匀速旋转不少于360度，在旋转过程中等间隔采样，获取两路模数转换单元的采样点数据，并对所有采样点数据进行统计与计算，分别计算出两路模数转换单元之间的信号总体误差影响因子，总体误差影响因子包括均值误差比和峰值误差比，在实际检测过程中利用总体误差影响因子对两路模数转换单元输出的数字量电信号进行自适应的实时补偿与调整，用以抵消由于传感器各通道逐级物理器件的信号响应与传输特性不同所造成的传感器各通道信号的漂移误差分量和幅值误差，以及由于传感器的物理噪声和环境光噪声所引起的随机噪声，提高模数转换单元所获得的数字量电信号的检测精度与稳定性；最后，获得的数字量电信号进行大气偏振模式信息处理，得到大气偏振模式的偏振度信息d和偏振化方向信息φ，即：$\phi =\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{(1-2{\bar{F}}_2\left(\phi \right))-(1-2{\bar{F}}_1\left(\phi \right))\cos \left({2\phi }_0\right)}{(1-2{\bar{F}}_1\left(\phi \right))\sin \left({2\phi }_0\right)}\right)---\left(15\right)$$d=\sqrt{{(1-2{\bar{F}}_1\left(\phi \right))}^2+{((1-2{\bar{F}}_2\left(\phi \right))-(1-2{\bar{F}}_1\left(\phi \right))\cos \left({2\phi }_0\right))}^2/{\sin }^2\left({2\phi }_0\right)}---\left(16\right)$式(15)和式(16)中的F₁(φ)和F₂(φ)是式(13)和式(14)中的F₁(φ)和F₂(φ)由S型函数$\bar{F}\left(\phi \right)=\frac{1}{{10}^{F\left(\phi \right)}+1}$进行去对数处理后而得到。