全天域大气偏振模式实时测量系统设计与实现

1、 图像信息处理研究室12022-3-5硕士学位论文答辩全天域大气偏振模式实时测量装置全天域大气偏振模式实时测量装置答答 辩辩 人：孙洁人：孙洁指导老师：高指导老师：高 隽隽 教教 授授 范之国范之国 副教授副教授专专 业：电子与通信工程业：电子与通信工程设计及实验研究设计及实验研究 图像信息处理研究室22022-3-5 内容安排研究背景与意义研究背景与意义总结与展望总结与展望论文主要研究内容论文主要研究内容 图像信息处理研究室32022-3-51 1 研究背景与意义研究背景与意义大气偏振模式大气偏振模式 是太阳光向地表传输过程中经介质的作用形成的 一直相对稳定的天空偏振分布 具有对称性、中性点

2、等特点 蕴含着方向、位置、介质属性等环境信息u课题研究背景课题研究背景应用价值偏振光导航与定位偏振遥感偏振探测 图像信息处理研究室42022-3-51 1 研究背景与意义研究背景与意义 大量的影响因素的变化，无法通过理论模型直接描述 因自然环境的影响，大气偏振模式会形成一些独特的分布规律。 通过实际的观测可进一步发现大气偏振模式的变化规律u课题研究背景课题研究背景 分析实际环境中，不同环境条件下的大气偏振模式分布特点，研究其实际变化规律。大气偏振模式大气偏振模式大气偏振模式观测大气偏振模式观测装置装置地表的返照吸收大气粒子的散射大气环境时间信息地理位置地表环境 图像信息处理研究室52022-3

3、-51 1 研究背景与意义研究背景与意义u偏振观测装置研究现状偏振观测装置研究现状多光路同时测量单光路分时测量 特点：结构简单、校准容易，时间分辨率低，适合静态场景 特点：响应速度快、系统参数的标定比较复杂，适合动态场景 图像信息处理研究室62022-3-5 内容安排 系统的设计系统的设计 系统误差分析与标定系统误差分析与标定 系统的有效性分析系统的有效性分析 外场实验与分析外场实验与分析论文主要研究内容论文主要研究内容 图像信息处理研究室72022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的设计系统的设计全天域大气偏振模式实时测量装置全天域大气偏振模式实时测量装置多波段多波段自

4、动控制自动控制u系统需求分析系统需求分析设计指标：设计指标： 1.1.同步结构：单主光路下多路通道同时成像同步结构：单主光路下多路通道同时成像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.自动控制：实现一个可控制硬件结构的软件自动控制：实现一个可控制硬件结构的软件2.2.全天域：全天域： 全天空全天空180180度视角度视角 图像信息处理研究室82022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的设计系统的设计全天域场景调整光路，二次聚焦选择研究的波段调整光路焦距，

5、输出最优光路分光，实现三路通道同步成像系统硬件模块系统软件模块外围硬件控制，设置硬件参数获取并访问实验数据u系统方案设计系统方案设计 图像信息处理研究室92022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的设计系统的设计器件名称器件名称型号型号焦距焦距视角视角鱼眼镜头Sigma 8mmF/3.58mm180中继镜片AC508-150-A-ML150mm 微距镜头AF Micro-Nikkor 60mm f/2.8D60mm3940偏振成像系统FD-1665P8mm 波段选择：350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段 对硬件模块光路进行仿真 装置元件型号

6、全天域大气偏振模式实时测量装置的硬件模块u硬件结构设计硬件结构设计 图像信息处理研究室102022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的设计系统的设计u硬件结构设计硬件结构设计全天域大气偏振模式实时测量装置的防护模块装装置置防防护护模模块块遮挡太阳直射光装置的防护装置顶端镜头的防护装置的安装拆卸自动控制 图像信息处理研究室112022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的设计系统的设计控制相机，设置参数，采集数据存储数据，录入数据库，实现数据管理设置实验前的其他外围硬件参数网络通信，监听客户端，实现远程控制处理后数据显示模块，观测实验结果采集数据的显示模

7、块，实时观测场景变化功能执行状态显示区软件功能模块软件功能模块u软件结构设计软件结构设计 软件通过通信线路软件通过通信线路控制硬件模块控制硬件模块，采集天空偏振图像并对采集数据处理，最终输，采集天空偏振图像并对采集数据处理，最终输出大气偏振模式（由出大气偏振模式（由偏振度偏振度和和偏振角偏振角来表征）。来表征）。 图像信息处理研究室122022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统误差分析与标定系统误差分析与标定u系统分析系统分析 光束经分光棱镜分光过程中，存在分光比问题，导致输出图像之间亮度存在误差误差源：误差源： 三路通道中偏振片的实际方向并不等于理论方向； 三路通道中C

8、CD安装位置存在差别，导致输出图像的场景之间存在像素偏差； 系统各组件连接组成的系统存在一个传输矩阵，需要标定；系统传输矩阵系统传输矩阵 图像信息处理研究室132022-3-5标定方法：通过拍摄棋盘格靶标，利用Harris算法提取三通道图像的特征点，并与通道一中同一特征点进行对比分析，获得特征点的像素偏差。2 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统误差分析与标定系统误差分析与标定u系统标定系统标定1.1.三路通道三路通道CCDCCD之间的像素偏移配准之间的像素偏移配准2.2.偏振片的偏振化方向误差标定偏振片的偏振化方向误差标定像素偏差像素偏差i=23.2632.42i=35.2534.9

9、21ix1iy标定方法：利用已知方向的偏振片作为起偏器，旋转起偏器的偏振方向，获取同一均匀输入光源下三通道图像的最大响应时起偏器的偏振方向，根据马吕斯定律，求得实际方向。Channel 1Channel 2Channel 34.269.8130.8j通道图像相对于1通道的偏差 图像信息处理研究室142022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统误差分析与标定系统误差分析与标定u系统标定系统标定3.3.系统三通道图像亮度标定系统三通道图像亮度标定标定方法：利用已知方向的偏振片作为起偏器，分别旋转起偏器的偏振方向至三通道偏振片的偏振方向，获取同一均匀输入光源下三通道图像最大响应并

10、求解各响应均值。 表示在不同的曝光时间、不同光圈下二三通道相对于一通道的图像强度比值 根据标定结果可知，三通道图像亮度跟曝光时间、光圈有一定关系，在实验的过程中，需根据相应的实验参数选择对应的亮度比。4.4.系统传输矩阵标定系统传输矩阵标定标定方法：由已知方向的偏振片作为起偏器，旋转起偏器的偏振方向，分别获取三个不同线偏振光下三通道图像，用Stokes矢量仪获取线偏振光的Stokes矢量，根据系统测量原理即可求解穆勒矩阵。 图像信息处理研究室152022-3-5 实测的大气偏振模式中，偏振度、偏振角图像具有对称性分布，其中，偏振角有“”形态，与Rayleigh仿真结果一致，验证了测量装置的可靠

11、性。实验时间实验时间实验地点实验地点实验天气实验天气2015年6月5日18点50分东经11714北纬3152晴朗少云外场实验参数2 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：系统的有效性分析系统的有效性分析1.1.系统指标测试系统指标测试2.2.外场偏振信息测量外场偏振信息测量验证方法：利用全天域大气偏振模式观测系统在理想天气条件下开展外场的大气偏振模式获取实验，将实验结果与瑞利仿真模型进行对比，分析实测结果的可靠性。视场角视场角测量精度测量精度研究波段（研究波段（nmnm）数据获取方式数据获取方式171偏振度1.6%,偏振角0.32350，405，520，660，850及全通同步获取 图像信息

12、处理研究室162022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：外场实验与分析外场实验与分析1. 1.分析分析波长波长对大气偏振模式的影响对大气偏振模式的影响2. 2.分析云、霾等分析云、霾等散射介质散射介质的影响的影响3. 3.分析湖泊、草地等分析湖泊、草地等地表环境地表环境的影响的影响u外场实验外场实验 图像信息处理研究室172022-3-5 实测的天空偏振度及偏振角分布具备Rayleigh模型仿真的分布特点，与Rayleigh模型比较接近；不同波段下偏振模式分布随着波段发生变化，其中其中520nm下偏振下偏振模式模式分布和分布和Rayleigh模型最为接近模型最为接近。2 2

13、论文主要研究内容：论文主要研究内容：外场实验与分析外场实验与分析1.波长对的偏振模式分布的影响 图像信息处理研究室182022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：外场实验与分析外场实验与分析2.云、霾等散射介质的影响随云层增加，偏振度分布不再满足对称性；偏振角分布中一直保持着基本“”形态，呈反对称分布。时间10时11时12时13时14时15时16时17时太阳高度角()26.9532.4934.7933.3628.5220.9911.570.66太阳方位角()-32.98-18.45-1.8614.6929.7342.4452.8961.72PM2.5值1521391077891

14、827661随着雾霾浓度的增大，偏振度分布不再满足对称分布规律，偏振角的中心轴偏离理论中心轴，其雾霾浓度越大，误差越大。 随着大气环境中云、霾等散射介质的变化，大气偏振模式发生变化，其中，随着大气环境中云、霾等散射介质的变化，大气偏振模式发生变化，其中，偏振偏振度分布度分布的变化最为明显。的变化最为明显。多云天气下多云天气下晴朗有霾天气下晴朗有霾天气下 图像信息处理研究室192022-3-52 2 论文主要研究内容：论文主要研究内容：外场实验与分析外场实验与分析盐湖草原地表下的大气偏振模式分布湖泊、沙丘与草原地表下的偏振模式分布3.湖泊、草地等地表环境的影响 地表环境对大气偏振模式有一定影响，

15、影响程度地表环境对大气偏振模式有一定影响，影响程度跟地表反照率有关跟地表反照率有关，在研究大气偏，在研究大气偏振模式分布特点的过程中，需考虑地表环境的影响，尤其振模式分布特点的过程中，需考虑地表环境的影响，尤其地表反照率差别较大地表反照率差别较大地表。地表。 图像信息处理研究室202022-3-5 内容安排研究背景与意义研究背景与意义总结与展望总结与展望论文主要研究内容论文主要研究内容 图像信息处理研究室212022-3-53 3 总结与展望总结与展望u工作总结工作总结 设计了一种全天域偏振测量装置，实现了全天域、多波段条件下对大气偏振模式的自动获取； 对全天域偏振测量装置进行了详细的分析和标

16、定，通过对标定后装置的测试，验证了系统的有效性。 开展了外场分析实验，结果表明，不同波段下偏振模式分布不同，大气及地表环境对大气偏振模式的影响，与介质属性有关。u研究展望研究展望 调整全天域偏振测量装置的研究波段，进一步分析近紫外波段下大气偏振模式的变化特点。 结合大气光学理论，定量分析环境因素对大气偏振模式的影响，建立影响因子与大气偏振模式之间的关系。 图像信息处理研究室222022-3-5研究生期间主要科研工作与成果研究生期间主要科研工作与成果学术论文学术论文(1) 孙洁, 高隽, 怀宇, 毕冉, 范之国. 全天域大气偏振模式的实时测量系统J.光电工程.（已录用）(2) 怀宇, 范之国, 孙洁, 吴良海, 徐少罕. 三通棱镜同时偏振测量系统的标定J.光电工程,2015,42(11):18-24.发明专利申请发明专利申请(1) 范之国, 孙洁, 怀宇, 郑骊昂, 高隽. 一种全天域大气偏振模式的自