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12022-3-5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22022-3-5 內(nèi)容安排研究背景與意義研究背景與意義總結與展望總結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32022-3-51 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)定的天空偏振分布 具有對稱性、中性點

2、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42022-3-51 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52022-3

3、-51 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：結構簡單、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62022-3-5 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72022-3-52 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

4、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.同步結構：單主光路下多路通道同時成像同步結構：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)一個可控制硬件結構的軟件自動控制：實現(xiàn)一個可控制硬件結構的軟件2.2.全天域：全天域： 全天空全天空180180度視角度視角 圖像信息處理研究室82022-3-52 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，

5、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92022-3-52 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 60mm f/2.8D60mm3940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

6、全天域大氣偏振模式實時測量裝置的硬件模塊u硬件結構設計硬件結構設計 圖像信息處理研究室102022-3-52 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硬件結構設計硬件結構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112022-3-52 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，觀測實驗結果采集數(shù)據(jù)的顯示模

7、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軟件結構設計軟件結構設計 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122022-3-52 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C

8、CD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132022-3-5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=23.2632.42i=35.2534.9

9、21ix1iy標定方法：利用已知方向的偏振片作為起偏器，旋轉起偏器的偏振方向，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 34.269.8130.8j通道圖像相對于1通道的偏差 圖像信息處理研究室142022-3-52 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

10、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)標定結果可知，三通道圖像亮度跟曝光時間、光圈有一定關系，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：由已知方向的偏振片作為起偏器，旋轉起偏器的偏振方向，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152022-3-5 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仿真結果一致，驗證了測量裝置的可靠

11、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，將實驗結果與瑞利仿真模型進行對比，分析實測結果的可靠性。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0.32350，405，520，660，850及全通同步獲取 圖像信息

12、處理研究室162022-3-52 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1. 1.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2. 2.分析云、霾等分析云、霾等散射介質(zhì)散射介質(zhì)的影響的影響3. 3.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172022-3-5 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

13、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1.波長對的偏振模式分布的影響 圖像信息處理研究室182022-3-52 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2.云、霾等散射介質(zhì)的影響隨云層增加，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()-32.98-18.45-1.8614.6929.7342.4452.8961.72PM2.5值1521391077891

14、827661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192022-3-52 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3.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，

15、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跟地表反照率有關，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202022-3-5 內(nèi)容安排研究背景與意義研究背景與意義總結與展望總結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212022-3-53 3 總結與展望總結與展望u工作總結工作總結 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

16、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。u研究展望研究展望 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系。 圖像信息處理研究室222022-3-5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論文學術論文(1) 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）(2) 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(1) 范之國, 孫潔, 懷宇, 鄭驪昂, 高雋. 一種全天域大氣偏振模式的自