全天域大氣偏振模式實(shí)時測量系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)_第1頁
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文檔簡介

1、全天域大氣偏振模式實(shí)時測量裝置,答 辯 人:孫潔 指導(dǎo)老師:高 雋 教 授 范之國 副教授 專 業(yè):電子與通信工程,設(shè)計及實(shí)驗(yàn)研究,內(nèi)容安排,研究背景與意義,總結(jié)與展望,論文主要研究內(nèi)容,1 研究背景與意義,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(diǎn)等特點(diǎn) 蘊(yùn)含著方向、位置、介質(zhì)屬性等環(huán)境信息,課題研究背景,應(yīng)用價值,偏振光導(dǎo)航與定位,偏振遙感,偏振探測,1 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(dú)特的分布規(guī)律。 通過實(shí)際的觀測可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)大氣偏振模式的變化規(guī)律,課題

2、研究背景,分析實(shí)際環(huán)境中,不同環(huán)境條件下的大氣偏振模式分布特點(diǎn),研究其實(shí)際變化規(guī)律。,大氣偏振模式,大氣偏振模式觀測裝置,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,1 研究背景與意義,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(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、校準(zhǔn)容易,時間分辨率低,適合靜態(tài)場景,特點(diǎn):響應(yīng)速度快、系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定比較復(fù)雜,適合動態(tài)場景,內(nèi)容安排,系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定 系統(tǒng)的有效性分析 外場實(shí)驗(yàn)與分析,論文主要研究內(nèi)容,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的設(shè)計,全天域大氣偏振模式實(shí)時測量裝置,系統(tǒng)需求分析,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的設(shè)計,全天域場景,調(diào)

3、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(shí)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(shè)置硬件參數(shù),獲取并訪問實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),系統(tǒng)方案設(shè)計,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的設(shè)計,波段選擇:350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段,對硬件模塊光路進(jìn)行仿真,裝置元件型號,全天域大氣偏振模式實(shí)時測量裝置 的硬件模塊,硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的設(shè)計,硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,全天域大氣偏振模式實(shí)時測量裝置 的防護(hù)模塊,裝置防護(hù)模塊,遮擋太陽直射光,裝置的防護(hù),裝置頂端鏡頭的防護(hù),裝置的安裝拆卸,自動控制,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的設(shè)

4、計,控制相機(jī),設(shè)置參數(shù),采集數(shù)據(jù),存儲數(shù)據(jù),錄入數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理,設(shè)置實(shí)驗(yàn)前的其他外圍硬件參數(shù),網(wǎng)絡(luò)通信,監(jiān)聽客戶端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,處理后數(shù)據(jù)顯示模塊,觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采集數(shù)據(jù)的顯示模塊,實(shí)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,軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計,軟件通過通信線路控制硬件模塊,采集天空偏振圖像并對采集數(shù)據(jù)處理,最終輸出大氣偏振模式(由偏振度和偏振角來表征)。,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定,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(dǎo)致輸出圖像之間亮度存在誤差,誤差源:,三路通道中偏振片的實(shí)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(dǎo)致輸出圖像的場

5、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(biāo)定;,系統(tǒng)傳輸矩陣,標(biāo)定方法:通過拍攝棋盤格靶標(biāo),利用Harris算法提取三通道圖像的特征點(diǎn),并與通道一中同一特征點(diǎn)進(jìn)行對比分析,獲得特征點(diǎn)的像素偏差。,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定,系統(tǒng)標(biāo)定,1.三路通道CCD之間的像素偏移配準(zhǔn),2.偏振片的偏振化方向誤差標(biāo)定,標(biāo)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(yīng)時起偏器的偏振方向,根據(jù)馬呂斯定律,求得實(shí)際方向。,j通道圖像相對于1通道的偏差,2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定,系統(tǒng)標(biāo)定,3.系統(tǒng)三通道

6、圖像亮度標(biāo)定,標(biāo)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(yīng)并求解各響應(yīng)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(qiáng)度比值,根據(jù)標(biāo)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(shí)驗(yàn)的過程中,需根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇對應(yīng)的亮度比。,4.系統(tǒng)傳輸矩陣標(biāo)定,標(biāo)定方法:由已知方向的偏振片作為起偏器,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。,實(shí)測的大氣偏振模式中,偏振度、偏振角圖像

7、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(yàn)證了測量裝置的可靠性。,外場實(shí)驗(yàn)參數(shù),2 論文主要研究內(nèi)容:系統(tǒng)的有效性分析,1.系統(tǒng)指標(biāo)測試,2.外場偏振信息測量,驗(yàn)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(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與瑞利仿真模型進(jìn)行對比,分析實(shí)測結(jié)果的可靠性。,2 論文主要研究內(nèi)容:外場實(shí)驗(yàn)與分析,分析波長對大氣偏振模式的影響,分析云、霾等散射介質(zhì)的影響,分析湖泊、草地等地表環(huán)境的影響,外場實(shí)驗(yàn),實(shí)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(diǎn),與Rayleigh模型比較接近;不同波段下偏振模式分布隨

8、著波段發(fā)生變化,其中520nm下偏振模式分布和Rayleigh模型最為接近。,2 論文主要研究內(nèi)容:外場實(shí)驗(yàn)與分析,波長對的偏振模式分布的影響,2 論文主要研究內(nèi)容:外場實(shí)驗(yàn)與分析,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。,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,偏振度分布的變化最為明顯。,多云天氣下,晴朗有霾天氣下,2 論文主要研究內(nèi)容:外場實(shí)驗(yàn)與分析,鹽湖草原地表下的大氣偏振模式分布,

9、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,影響程度跟地表反照率有關(guān),在研究大氣偏振模式分布特點(diǎn)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。,內(nèi)容安排,研究背景與意義,總結(jié)與展望,論文主要研究內(nèi)容,3 總結(jié)與展望,工作總結(jié),設(shè)計了一種全天域偏振測量裝置,實(shí)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(jìn)行了詳細(xì)的分析和標(biāo)定,通過對標(biāo)定后裝置的測試,驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。,開展了外場分析實(shí)驗(yàn),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)。,研究展望,調(diào)整全天

10、域偏振測量裝置的研究波段,進(jìn)一步分析近紫外波段下大氣偏振模式的變化特點(diǎn)。,結(jié)合大氣光學(xué)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。,研究生期間主要科研工作與成果,學(xué)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(shí)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(biāo)定J.光電工程,2015,42(11):18-24.,發(fā)明專利申請,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動測量系統(tǒng). 申請?zhí)枺?01510050860.0 范之國, 王子謙, 金海紅, 孫潔, 高雋. 一種基于偏振度橢圓擬合的中性點(diǎn)識別方法.申請?zhí)? 201310506

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