专利摘要
本实用新型公开了一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，包括光源、偏光调制端、电路端、数据链路层设备和上位机端。本实用新型中，在偏振光的表述方法上采用了Stokes法，实现了包括完全偏振光和部分偏振光在内的全偏振态的参量测量，克服了传统仪器只可以实现完全偏振光的单一或少量偏振参量的检测的缺点；在原有Stokes参量的基础上增加了偏振度、线偏振度、圆偏振度、偏振消光比、方位角及椭圆率等6项推导参量，真正实现偏振光的多参量测量，信息利用度高，在应用中更具有参考意义；利用QT5编写的上位机实现了对偏振光的解调，以邦加球映射的方式直观地展示了偏振光的形态和各项参数。
权利要求
1.一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，包括光源、偏光调制端、电路端、数据链路层设备和上位机端；
所述偏光调制端包括步进电机、1/4波片、偏振片、平凸透镜和探测器；
所述电路端包括信息处理单元和调节控制单元；
所述信息处理单元包括光电转换电路、程控增益电路和信号调理电路；
所述调节控制单元包括微处理器、电机驱动电路、过零检测电路和以太网通信电路；
所述上位机端包括计算单元和显示单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述光源与偏光调制结构之间设置有光纤准直器。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述探测器为PIN光电探测器。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述1/4波片、偏振片和平凸透镜依次设置，与前置的光纤准直器和后置的光电探测器共同组成完整的光路部分，进入系统的偏振光经过光纤准直器照射在旋转的1/4波片上，被波片调制后的偏振光经过偏振片检偏后，再经过平凸透镜汇聚在PIN光电探测器。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述光电转换电路选用光伏模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述微处理器为STM32微处理器。
7.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述数据链路层设备的PHY芯片选用LAN8720。
8.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述微处理器主要用于实现对偏振光光强信息的读取，通过检测采集到的信号阈值大小使程控增益电路改变增益，同时可根据采集到的信号反馈调整电机的旋转周期，以过零检测的方式监控当前电机的旋转状态；
其过零检测电路利用红外对接管对步进电机的转动起始角度和结束角度进行标记检测，获得了步进电机的旋转周期，所述步进电机的旋转周期为1/4波片的旋转周期；
其以太网通信电路为以太网传输数据提供了的物理层保证。
9.根据权利要求1所述的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，其特征在于，所述上位机端对偏振光数据包的解调，实现包括S
说明书
技术领域
本实用新型涉及光偏振态的检测技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统。
背景技术
光偏振态是指光波振动在垂直于传播方向平面内的映射状态，是最具特殊价值的光学信息。目前，偏振检测技术已在光纤通信、偏振成像、生物医学等领域得到广泛应用。
自然界中任何的光都存在某种程度上的偏振特性，该特性包含了光波中偏振量的形态、大小、相位等大量信息。光有非偏振光、完全偏振光和部分偏振光之分，而完全偏振光又包括线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。当前，对光波偏振态的表述有三角函数法、琼斯矩阵法(Joanes)、穆勒矩阵法(Mueller)、Stokes参量法(Stokes)和邦加球法(Poincare)。由于Stokes参量最能完整地表述光波的偏振态，因而作为全偏振态检测的基本参量。
公开号为CN108645516A的发明专利提出了基于快轴可调弹光调制的全Stokes矢量检测装置及方法。待测光源依次通过45°双驱动对称结构弹光调制器和检偏器后被光电探测器检测，经FPGA处理后实现入射光的全Stokes参量的测量，速度极快且实现了对偏振光的全参量测量，但输出的结果抽象，不易理解，更不易追踪偏振变化的轨迹。
综上，光偏振态的表述及检测方法已基本成熟。很多人基于特定的应用场景对偏振检测装置做出了革新与改进，利用Stokes参量实现了全偏振态的检测，但很少有检测系统既能实现偏振光的多参量检测，也能将偏振形态图形化显示，并根据偏振变化轨迹实现对偏振光的实时监测。
为此，我们提出一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统来解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，包括光源、偏光调制端、电路端、数据链路层设备和上位机端；
所述偏光调制部端包括步进电机、1/4波片、偏振片、平凸透镜和探测器；
所述电路端包括信息处理单元和调节控制单元；
所述信息处理单元包括光电转换电路、程控增益电路和信号调理电路；
所述调节控制单元包括微处理器、电机驱动电路、过零检测电路和以太网通信电路；
所述上位机端包括计算单元和显示单元。
优选地，所述光源与偏光调制结构之间设置有光纤准直器。
优选地，所述探测器为PIN光电探测器。
优选地，所述1/4波片、偏振片和平凸透镜依次设置，与前置的光纤准直器和后置的光电探测器共同组成完整的光路部分，进入系统的偏振光经过光纤准直器照射在旋转的1/4波片上，被波片调制后的偏振光经过偏振片检偏后，再经过平凸透镜汇聚在PIN光电探测器。
优选地，所述微处理器为STM32微处理器。
优选地，所述微处理器主要用于实现对偏振光光强信息的读取，通过检测采集到的信号阈值大小使程控增益电路改变增益，同时可根据采集到的信号反馈调整电机的旋转周期，以过零检测的方式监控当前电机的旋转状态；
其过零检测电路利用红外对接管对步进电机的转动起始角度和结束角度进行标记检测，获得了步进电机的旋转周期，所述步进电机的旋转周期为1/4波片的旋转周期；
其以太网通信电路为以太网传输数据提供了的物理层保证。
进一步地，本实用新型采用了反馈式控制波片旋转的偏光调制方法。偏振光经信号采集、转换、调理后进入微处理器中，通过判别自动控制电机旋转，精确调节1/4波片的角度。
进一步地，对调制信号利用傅里叶变换方法解调出射偏振光强与入射偏振光Stokes参量之间的基本关系，提出基于复化辛普森的偏振参量计算方法，从而反演出偏振光的S0、S1、S2、S3的4项Stokes 参量，其中S0为光强。
进一步地，对偏振光的检测不仅局限于基础的4项Stokes参量，还增加了偏振度(DOP)、线偏振度(DOLP)、圆偏振度(DOCP)、偏振消光比(PER)、方位角(Azimuth)及椭圆率(Ellipticity)等6项推导参量，实现了偏振光的多参量检测。
进一步地，上位机采用QT5开发环境，以C++的程序语言实现了偏振光多参量的计算，同时将Stokes参量与邦加球建立映射关系，实现了偏振光点的三维显示，同时实现了偏振光轨迹以及10项参量的实时显示与动态追踪。
进一步地，上下位机间通信方式采用为网络通信，并选用可快速传输数据包的UDP传输协议。基于LWIP的嵌入式协议栈，下位机通过百兆以太网网口的发送给上位机进行解析。
进一步地，上位机界面不仅可以实时显示10项数字参量和分布在邦加球上偏振点，还针对S1、S2、S3的3项Stokes参量、偏振态(SOP)、偏振度(DOP)、线偏振度(DOLP)及圆偏振度(DOCP)绘制轨迹图像，具有保存与查看历史数据的功能。
本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1、本实用新型在偏振光的表述方法上采用了Stokes法，实现了包括完全偏振光和部分偏振光在内的全偏振态的参量测量，克服了传统仪器只可以实现完全偏振光的单一或少量偏振参量的检测的缺点；
2、本实用新型在原有Stokes参量的基础上增加了偏振度(DOP)、线偏振度(DOLP)、圆偏振度(DOCP)、偏振消光比(PER)、方位角 (Azimuth)及椭圆率(Ellipticity)等6项推导参量，真正实现偏振光的多参量测量，信息利用度高，在应用中更具有参考意义；
3、本实用新型利用QT5编写的上位机实现了对偏振光的解调，以邦加球映射的方式直观地展示了偏振光的形态和各项参数，并可根据偏振变化轨迹实现对偏振光的实时监测与追踪，测量算法稳定；
4、本实用新型涉及的上、下位机间的通信方式设计为网络通信，并选用可快速传输数据包的UDP传输协议，经百兆以太网网口发送给上位机进行解析，保证了检测系统的运行具有较高地实时性和数据吞吐量。
综上所述，本实用新型设计的硬件电路具有低成本、精度高、输入光功率动态范围大等优点，适合于现场测量、实验室研究等应用场合。
附图说明
图1为本实用新型提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统的结构示意图；
图2为本实用新型提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统中偏光调制的结构示意图；
图3为本实用新型提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统中上位机的功能示意图；
图4为本实用新型提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统中理想偏振态Stokes参量的示意图；
图5为本实用新型提出的一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统中偏振态检测系统组成图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图5，一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统，包括光源、偏光调制端、电路端、数据链路层设备和上位机端；
偏光调制端包括步进电机、1/4波片、偏振片、平凸透镜和探测器；
电路端包括信息处理单元和调节控制单元；
信息处理单元包括光电转换电路、程控增益电路和信号调理电路；
调节控制单元包括微处理器、电机驱动电路、过零检测电路和以太网通信电路；
上位机端包括计算单元和显示单元。
进一步地，光源与偏光调制结构之间设置有光纤准直器。
进一步地，探测器为PIN光电探测器。
进一步地，1/4波片、偏振片和平凸透镜依次设置，1/4波片、偏振片和平凸透镜设置在偏光调制结构和PIN光电探测器之间,与前置的光纤准直器和后置的光电探测器一起组成完整的光路部分。
进一步地，光电转换电路选用光伏模式。
进一步地，下位机数据链路层设备的PHY芯片选用LAN8720，搭配外围器件组成以太网通信电路。其以太网通信电路为以太网的传输数据提供了的物理层保证。
进一步地，微处理器为STM32微处理器。STM32微处理器以 STM32F407VGT6为核心，搭配外围器件组成最小控制系统。
进一步地，微处理器主要用于实现对偏振光光强信息的读取，通过检测采集到的信号阈值大小改变程控增益电路的增益，同时可根据采集到的信号反馈调整电机的旋转周期，以过零检测的方式监控当前电机的旋转状态；
其过零检测电路利用红外对接管对步进电机的转动起始角度和结束角度进行标记检测，进而获得步进电机的旋转周期，步进电机的旋转周期为1/4波片的旋转周期。
进一步地，本实用新型为步进电机、电路端中的信息处理单元和调节控制单元三部分都设置了合理的电源供电电路。
本实用新型利用旋转1/4波片的偏光调制方法，将不同偏振态的偏振光调制成相位与整体幅值大小固定，且瞬时输出光强变化的偏振光，而后经过光电检测器及相应的转换调理电路实现对光强的测量，最后使用QT5开发环境编写上位机实现了偏振参量的解调以及基于邦加球的图形化显示与动态轨迹追踪。
其中，偏光调制端为系统的机械结构，其1/4波片固定在步进电机的中控轴上，由步进电机带动旋转进行偏光调制。偏振片和平凸透镜固定在外部机械结构上，探测器放置在平凸透镜后，由平凸透镜将光束聚焦在探测器光敏面上进行光电转换。
其中，光学器件属性的表述方法为：
本实用新型涉及到调制的光学器件是1/4波片，不同延迟作用的波片具有不同的穆勒矩阵，同时与偏振态的方位角密切相关。当光学器件是1/4波片时，延迟的相位差为90°，穆勒矩阵可表示为：
其中，信号处理单元涉及系统的硬件电路，其光电转换电路选用光伏模式实现光学量到电学量的转换，噪声小且线性度好，适用于精密的光学测量；其信号调理电路主要为低通滤波，有效抑制了除偏光调制后有用信号的其它高频干扰和杂波扰动；其程控增益电路通过微处理器检测电压阈值控制模拟开关电路切换电阻，从而自动改变增益通道，高增益放大小信号，低增益放大大信号，实现了大范围、不同数量级光功率的有效检测。
其中，调节控制单元涉及系统的硬件电路，其过零检测电路对步进电机的转动起始角度和结束角度进行标记检测。偏振相关参量的计算与波片旋转角度相关，检测系统通过微处理器控制输出PWM波驱动步进电机带动1/4波片旋转对入射光进行调制。1/4波片的旋转周期与步进电机的转动周期相同。为了获得步进电机的旋转周期(1/4波片的旋转周期)，需对步进电机的转动起始角度和结束角度进行标记检测。
其中，上位机端用QT5开发环境实现对偏振光的解调，其计算单元采用傅里叶逆变换的方法实现对偏振光数据包的解调，利用辛普森数值积分方法实现对傅里叶积分的数值计算；显示单元采用邦加球的三维图形动态显示与追踪偏振光各个参量及轨迹的变化。偏振光显示参数包括S0、S1、S2、S3的4项Stokes参量、偏振度(DOP)、线偏振度(DOLP)、圆偏振度(DOCP)、偏振消光比(PER)、方位角(Azimuth)及椭圆率(Ellipticity)。
其中，上下位机间通信方式设计为网络通信，并选用可快速传输数据包的UDP传输协议。基于LWIP的嵌入式协议栈，采用UDP有线传输的方式，可经过LAN8720的PHY芯片将微处理器模数转化的数据进行打包，通过百兆以太网网口的发送给上位机进行显示和解析。
使用流程如下：
(1)上下位机通过以太网建立通信，通过网线将检测系统与上位机分析软件进行连接；
(2)在上位机软件中选择下位机的IP地址和端口号，建立通信通道，系统的整体工作是通过上位机软件控制，上位机软件通过发送控制命令，下位机接收后开始整体的工作；
(3)在上位机软件中点击“开始”按钮，下位机在正常得到指令后，系统开始工作，在正常工作时指示灯会发亮，若指示灯未正常工作，则表明系统未建立良好的通信，需进行检测，排除异常；
(4)偏振态分析仪对原始偏振光信号进行调制、采集，经过微控制器转化并通过以太网传输给上位机分析软件，原始偏振光经过旋转的波片后变成已经调制的信号，之后利用检偏器的作用将调制后偏振光光强转化为连续变化的数据，光电检测电路实现对调制后的偏振光信号的采集和处理，最后将偏振光信号的数字量通过以太网发送给上位机分析软件；
(5)上位机分析软件对偏振光数据进行解调，并利用邦加球的方法实现对偏振光的图形化显示与动态轨迹追踪。
本实用新型基于旋转波片偏光调制法设计了偏光调制结构，利用 1/4波片相位延迟的特性实现对偏振光的调制，之后偏振片对调制后的偏振光进行检偏，当入射偏振光与偏振片透光轴夹角不同时，出射偏振光强值会发生变化。经过信号采集、转换、调理后进入微处理器，随后实现增益控制、电机控制、过零检测以及串口通信的协调进行。最后对调制信号利用傅里叶变换方法解调出射偏振光强与入射偏振光Stokes参量之间的基本关系，提出基于复化辛普森的偏振参量计算方法，从而反演出偏振光的各项Stokes参量。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
一种基于偏光调制的多参量全偏振态检测系统专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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