全天域大氣偏振模式實時測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、 圖像信息處理研究室12021-7-23 碩士學位論文答辯 全天域大氣偏振模式實時測量裝置全天域大氣偏振模式實時測量裝置 答答 辯辯 人：孫潔人：孫潔 指導老師：高指導老師：高 雋雋 教教 授授 范之國范之國 副教授副教授 專專 業(yè)：電子與通信工程業(yè)：電子與通信工程 設計及實驗研究設計及實驗研究 圖像信息處理研究室22021-7-23 內(nèi)容安排 研究背景與意義研究背景與意義 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 論文主要研究內(nèi)容論文主要研究內(nèi)容 圖像信息處理研究室32021-7-23 1 1 研究背景與意義研究背景與意義 大氣偏振模式大氣偏振模式 是太陽光向地表傳輸過程中經(jīng) 介質(zhì)的作用形成的 一直相對穩(wěn)定的天

2、空偏振分布 具有對稱性、中性點等特點 蘊含著方向、位置、介質(zhì)屬性 等環(huán)境信息 u課題研究背景課題研究背景 應 用 價 值 偏振光導航與定位 偏振遙感 偏 振 探 測 圖像信息處理研究室42021-7-23 1 1 研究背景與意義研究背景與意義 大量的影響因素的變化，無法通過理 論模型直接描述 因自然環(huán)境的影響，大氣偏振模式會 形成一些獨特的分布規(guī)律。 通過實際的觀測可進一步發(fā)現(xiàn)大氣偏 振模式的變化規(guī)律 u課題研究背景課題研究背景 分析實際環(huán)境中，不同環(huán)境條件下的大氣 偏振模式分布特點，研究其實際變化規(guī)律。 大氣偏振模式大氣偏振模式 大氣偏振模式觀測大氣偏振模式觀測 裝置裝置 地表的返照 吸收

3、大氣粒子的 散射 大氣環(huán)境 時間信息 地理位置 地表環(huán)境 圖像信息處理研究室52021-7-23 1 1 研究背景與意義研究背景與意義 u偏振觀測裝置研究現(xiàn)狀偏振觀測裝置研究現(xiàn)狀 多 光 路 同 時 測 量 單 光 路 分 時 測 量 特點：結(jié)構(gòu)簡單、校準容易，時間分辨率低，適合靜態(tài)場景 特點：響應速度快、系統(tǒng)參數(shù)的標定比較復雜，適合動態(tài)場景 圖像信息處理研究室62021-7-23 內(nèi)容安排 系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)誤差分析與標定系統(tǒng)誤差分析與標定 系統(tǒng)的有效性分析系統(tǒng)的有效性分析 外場實驗與分析外場實驗與分析 論文主要研究內(nèi)容論文主要研究內(nèi)容 圖像信息處理研究室72021-7-23 2 2

4、 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 全天域大氣偏振模式實時測量裝置全天域大氣偏振模式實時測量裝置 多波段多波段自動控制自動控制 u系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析 設計指標：設計指標： 1.1.同步結(jié)構(gòu)：單主光路下多路通道同時成像同步結(jié)構(gòu)：單主光路下多路通道同時成像 3.3.多波段：多波段： 350nm350nm、405nm405nm、520nm520nm、660nm660nm、850nm850nm及全通波段及全通波段 4.4.自動控制：實現(xiàn)一個可控制硬件結(jié)構(gòu)的軟件自動控制：實現(xiàn)一個可控制硬件結(jié)構(gòu)的軟件 2.2.全天域：全天域： 全天空全天空180180度視角度視角 圖像信息處

5、理研究室82021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 全天域場景 調(diào)整光路，二次 聚焦 選擇研究的 波段 調(diào)整光路焦距，輸 出最優(yōu)光路 分光，實現(xiàn)三路通 道同步成像 系統(tǒng)硬件模塊系統(tǒng)軟件模塊 外圍硬件控制， 設置硬件參數(shù) 獲取并訪問實驗數(shù)據(jù) u系統(tǒng)方案設計系統(tǒng)方案設計 圖像信息處理研究室92021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 器件名稱器件名稱型號型號焦距焦距視角視角 魚眼鏡頭Sigma 8mmF/3.58mm180 中繼鏡片AC508-150-A-ML150mm 微距鏡頭 AF Micro-Nikkor

6、60mm f/2.8D 60mm3940 偏振成像系統(tǒng)FD-1665P8mm 波段選擇：350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段 對硬件模塊光路進行仿真 裝置元件型號 全天域大氣偏振模式實時測量裝置 的硬件模塊 u硬件結(jié)構(gòu)設計硬件結(jié)構(gòu)設計 圖像信息處理研究室102021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 u硬件結(jié)構(gòu)設計硬件結(jié)構(gòu)設計全天域大氣偏振模式實時測量裝置 的防護模塊 裝裝 置置 防防 護護 模模 塊塊 遮擋太陽直射光 裝置的防護 裝置頂端鏡頭的防護 裝置的安裝拆卸 自動控制 圖像信息處理研究室112021-7-23 2

7、 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 控制相機，設置參數(shù)，采集數(shù)據(jù) 存儲數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù) 據(jù)管理 設置實驗前的其他外圍硬件參數(shù) 網(wǎng)絡通信，監(jiān)聽客戶端，實現(xiàn)遠 程控制 處理后數(shù)據(jù)顯示模塊，觀測實 驗結(jié)果 采集數(shù)據(jù)的顯示模塊，實時觀測 場景變化 功能執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū) 軟件功能模塊軟件功能模塊 u軟件結(jié)構(gòu)設計軟件結(jié)構(gòu)設計 軟件通過通信線路軟件通過通信線路控制硬件模塊控制硬件模塊，采集天空偏振圖像并對采集數(shù)據(jù)處理，最終輸，采集天空偏振圖像并對采集數(shù)據(jù)處理，最終輸 出大氣偏振模式（由出大氣偏振模式（由偏振度偏振度和和偏振角偏振角來表征）。來表征）。 圖像信息處理研究室12

8、2021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標定系統(tǒng)誤差分析與標定 u系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 光束經(jīng)分光棱鏡分光過程中，存在分光比問題，導致輸出圖像之間亮度存在誤差 誤差源：誤差源： 三路通道中偏振片的實際方向并不等于理論方向； 三路通道中CCD安裝位置存在差別，導致輸出圖像的場景之間存在像素偏差； 系統(tǒng)各組件連接組成的系統(tǒng)存在一個傳輸矩陣，需要標定； 系統(tǒng)傳輸矩陣系統(tǒng)傳輸矩陣 圖像信息處理研究室132021-7-23 標定方法：通過拍攝棋盤格靶標，利用Harris算法提取三通道圖像的特征點，并與通道一中同一 特征點進行對比分析，獲得特征點的像素偏差。 2 2 論文

9、主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標定系統(tǒng)誤差分析與標定 u系統(tǒng)標定系統(tǒng)標定 1.1.三路通道三路通道CCDCCD之間的像素偏移配準之間的像素偏移配準 2.2.偏振片的偏振化方向誤差標定偏振片的偏振化方向誤差標定 像素偏差像素偏差 i=23.2632.42 i=35.2534.92 1i x 1i y 標定方法：利用已知方向的偏振片作為起偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振方向，獲取同一均勻輸入光 源下三通道圖像的最大響應時起偏器的偏振方向，根據(jù)馬呂斯定律，求得實際方向。 Channel 1Channel 2Channel 3 4.269.8130.8 j通道圖像相對于 1通道的偏差 圖像信息處

10、理研究室142021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標定系統(tǒng)誤差分析與標定 u系統(tǒng)標定系統(tǒng)標定 3.3.系統(tǒng)三通道圖像亮度標定系統(tǒng)三通道圖像亮度標定 標定方法：利用已知方向的偏振片作為起偏器，分別旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振方向至三通道偏振片的偏振 方向，獲取同一均勻輸入光源下三通道圖像最大響應并求解各響應均值。 表示在不同的曝光時間、不同光圈下二三通道相對 于一通道的圖像強度比值 根據(jù)標定結(jié)果可知，三通道圖像亮度跟曝光時間、 光圈有一定關(guān)系，在實驗的過程中，需根據(jù)相應的實 驗參數(shù)選擇對應的亮度比。 4.4.系統(tǒng)傳輸矩陣標定系統(tǒng)傳輸矩陣標定 標定方法：由已知方向的偏振

11、片作為起偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振方向，分別獲取三個不同線偏振光 下三通道圖像，用Stokes矢量儀獲取線偏振光的Stokes矢量，根據(jù)系統(tǒng)測量原理即可求解穆勒矩陣。 圖像信息處理研究室152021-7-23 實測的大氣偏振模式中，偏振 度、偏振角圖像具有對稱性分布 ，其中，偏振角有“”形態(tài)， 與Rayleigh仿真結(jié)果一致，驗證了 測量裝置的可靠性。 實驗時間實驗時間實驗地點實驗地點實驗天氣實驗天氣 2015年6月5日18 點50分 東經(jīng)11714北 緯3152 晴朗少云 外場實驗參數(shù) 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的有效性分析系統(tǒng)的有效性分析 1.1.系統(tǒng)指標測試系統(tǒng)指標測試

12、 2.2.外場偏振信息測量外場偏振信息測量 驗證方法：利用全天域大氣偏振模式觀測系統(tǒng)在理想天氣條件下開展外場的大氣偏振模式獲取實 驗，將實驗結(jié)果與瑞利仿真模型進行對比，分析實測結(jié)果的可靠性。 視場角視場角測量精度測量精度研究波段（研究波段（nmnm）數(shù)據(jù)獲取方式數(shù)據(jù)獲取方式 171 偏振度1.6%,偏 振角0.32 350，405，520， 660，850及全通 同步獲取 圖像信息處理研究室162021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：外場實驗與分析外場實驗與分析 分析分析波長波長對大氣偏振模式的影響對大氣偏振模式的影響 分析云、霾等分析云、霾等散射介質(zhì)散射介質(zhì)的影響的影

13、響 分析湖泊、草地等分析湖泊、草地等地表環(huán)境地表環(huán)境的影響的影響 u外場實驗外場實驗 圖像信息處理研究室172021-7-23 實測的天空偏振度及偏振角分布具備Rayleigh模型仿真的分布特點，與Rayleigh模型比較接近； 不同波段下偏振模式分布隨著波段發(fā)生變化，其中其中520nm下偏振下偏振模式模式分布和分布和Rayleigh模型最為接近模型最為接近。 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：外場實驗與分析外場實驗與分析 波長對的偏振模式分布的影響 圖像信息處理研究室182021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：外場實驗與分析外場實驗與分析 云、霾等散射介質(zhì)的

14、影響 隨云層增加，偏振度分布不再滿足對稱 性；偏振角分布中一直保持著基本 “”形態(tài)，呈反對稱分布。 時間10時11時12時13時14時15時16時17時 太陽高度角()26.9532.4934.7933.3628.5220.9911.570.66 太陽方位角()-32.98-18.45-1.8614.6929.7342.4452.8961.72 PM2.5值1521391077891827661 隨著霧霾濃度的增大，偏振度分布不再滿足 對稱分布規(guī)律，偏振角的中心軸偏離理論中 心軸，其霧霾濃度越大，誤差越大。 隨著大氣環(huán)境中云、霾等散射介質(zhì)的變化，大氣偏振模式發(fā)生變化，其中，隨著大氣環(huán)境中云、霾

15、等散射介質(zhì)的變化，大氣偏振模式發(fā)生變化，其中，偏振偏振 度分布度分布的變化最為明顯。的變化最為明顯。 多云天氣下多云天氣下晴朗有霾天氣下晴朗有霾天氣下 圖像信息處理研究室192021-7-23 2 2 論文主要研究內(nèi)容：論文主要研究內(nèi)容：外場實驗與分析外場實驗與分析 鹽湖草原地表下的大氣偏振模式分布湖泊、沙丘與草原地表下的偏振模式分布 湖泊、草地等地表環(huán)境的影響 地表環(huán)境對大氣偏振模式有一定影響，影響程度地表環(huán)境對大氣偏振模式有一定影響，影響程度跟地表反照率有關(guān)跟地表反照率有關(guān)，在研究大氣偏，在研究大氣偏 振模式分布特點的過程中，需考慮地表環(huán)境的影響，尤其振模式分布特點的過程中，需考慮地表環(huán)境

16、的影響，尤其地表反照率差別較大地表反照率差別較大地表。地表。 圖像信息處理研究室202021-7-23 內(nèi)容安排 研究背景與意義研究背景與意義 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 論文主要研究內(nèi)容論文主要研究內(nèi)容 圖像信息處理研究室212021-7-23 3 3 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 u工作總結(jié)工作總結(jié) 設計了一種全天域偏振測量裝置，實現(xiàn)了全天域、多波段條件 下對大氣偏振模式的自動獲??； 對全天域偏振測量裝置進行了詳細的分析和標定，通過對標定 后裝置的測試，驗證了系統(tǒng)的有效性。 開展了外場分析實驗，結(jié)果表明，不同波段下偏振模式分布不 同，大氣及地表環(huán)境對大氣偏振模式的影響，與介質(zhì)屬性有關(guān)。 u研究展望研究展

17、望 調(diào)整全天域偏振測量裝置的研究波段，進一步分析近紫外波段 下大氣偏振模式的變化特點。 結(jié)合大氣光學理論，定量分析環(huán)境因素對大氣偏振模式的影響， 建立影響因子與大氣偏振模式之間的關(guān)系。 圖像信息處理研究室222021-7-23 研究生期間主要科研工作與成果研究生期間主要科研工作與成果 學術(shù)論文學術(shù)論文 孫潔, 高雋, 懷宇, 畢冉, 范之國. 全天域大氣偏振模式的實時測量系統(tǒng)J.光電工程. （已錄用） 懷宇, 范之國, 孫潔, 吳良海, 徐少罕. 三通棱鏡同時偏振測量系統(tǒng)的標定J.光電工 程,2015,42(11):18-24. 發(fā)明專利申請發(fā)明專利申請 范之國, 孫潔, 懷宇, 鄭驪昂, 高雋. 一種