基于神经网络的分振幅光偏振仪的数据处理

　　1　引　言

　　分振幅光偏振仪(DOAP)是一种高速测量光波偏振态的传感器[1],它能够同时近似实时地测量出描述待测光波偏振态的全部斯托克斯参数。国内外研究人员已经设计出十多种基于振幅分割原理的测量光波偏振态的装置,矩阵运算是目前所有分振幅光偏振仪中唯一使用的一种数据处理方法[2~5]。人工神经网络(ANN)的发展为传感器的信号处理提供了新的有效手段。为了减少背景光的影响,从新的角度探讨对分振幅光偏振仪性能的改善,将神经网络应用到分振幅光偏振测量技术,提出了基于神经网络的分振幅光偏振仪的数据处理方法。本文将以我们研制的基于金属光栅分光的分振幅光偏振仪(G-DOAP)为例介绍分振幅光偏振仪的工作原理,阐述基于神经网络的数据处理方法的基本思想,并通过仿真实验对这种方法进行测试和分析。

　　2　分振幅光偏振仪工作原理

　　利用金属光栅分光的分振幅光偏振仪的工作原理如图1所示[6]。图中的光栅是一种特殊的金属光栅,它既能产生反射光衍射又能产生透射光衍射,入射光线斜入射在它的表面,产生多束衍射光。我们使用其中的±1级反射光衍射和±1级透射光衍射实现入射光偏振态的高速测量。在这四束光的光路上分别放置一个方位角为Am(m =0,1,2,3)的起偏器。为了提高光偏振仪对待测光波的左、右旋圆偏振分量的区分度,又在起偏器P3的前面放置一个λ/4波片(QWR),它的快轴方向与P3透光轴的夹角为45°。通过由四个光电探测器D0~D3和相应的光电转换电路组成的电路系统将这四束光的光强线性地转换为电信号i0,i1,i2和i3.将这四个电信号组合成一个列矢量I,即

　　忽略了背景光和系统中存在非线性等因素的影响,电信号矢量I与入射光斯托克斯矢量Si=S0S1S2S3T之间存在线性关系

　　其中A为一个4×4的矩阵,被称为仪器矩阵,它是工作波长的函数。如果该矩阵存在逆矩阵A-1,那么入射光的斯托克斯矢量Si可以表示为

　　通过定标过程,获得仪器矩阵A后,利用电路系统输出的电信号矢量I,通过式(3)就可以计算出描述待测光偏振态的全部四个斯托克斯参数。常用的定标方法有:四点法和Equator-Poles法[7]。

　　由上述可知,分振幅光偏振仪的基本工作原理是采用振幅分割方式将入射光分割为四束或四束以上,使用电路系统将它们的光强线性地转换为电信号。然后,由标准样本数据获得电路系统输出电信号与入射光斯托克斯参数之间的映射关系。由测量时得到的电信号,通过这种已经确定了的关系就可以计算出入射光的全部四个斯托克斯参数。