全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 圖像信息處理研究室12022-3-5碩士學(xué)位論文答辯全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置答答 辯辯 人：孫潔人：孫潔指導(dǎo)老師：高指導(dǎo)老師：高 雋雋 教教 授授 范之國(guó)范之國(guó) 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(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)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(jié)與展望總結(jié)與展望論文主要研究?jī)?nèi)容論文主要研究?jī)?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(yáng)光向地表傳輸過程中經(jīng)介質(zhì)的作用形成的 一直相對(duì)穩(wěn)定的天空偏振分布 具有對(duì)稱性、中性點(diǎn)

2、等特點(diǎn) 蘊(yùn)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(yīng)用價(jià)值偏振光導(dǎo)航與定位偏振遙感偏振探測(cè) 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(huì)形成一些獨(dú)特的分布規(guī)律。 通過實(shí)際的觀測(cè)可進(jìn)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(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大氣偏振模式觀測(cè)大氣偏振模式觀測(cè)裝置裝置地表的返照吸收大氣粒子的散射大氣環(huán)境時(shí)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(cè)裝置研究現(xiàn)狀偏振觀測(cè)裝置研究現(xiàn)狀多光路同時(shí)測(cè)量單光路分時(shí)測(cè)量 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)容易，時(shí)間分辨率低，適合靜態(tài)場(chǎng)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(dòng)態(tài)場(chǎng)景 圖像信息處理研究室62022-3-5 內(nèi)容安排 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定 系統(tǒng)的有效性分析系統(tǒng)的有效性分析 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析論文主要研究?jī)?nèi)容論文主要研究?jī)?nèi)容 圖像信息處理研究室72022-3-52 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置多波段多波段自

4、動(dòng)控制自動(dòng)控制u系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)指標(biāo)： 1.1.同步結(jié)構(gòu)：?jiǎn)沃鞴饴废露嗦吠ǖ劳瑫r(shí)成像同步結(jié)構(gòu)：?jiǎn)沃鞴饴废露嗦吠ǖ劳瑫r(shí)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(dòng)控制：實(shí)現(xiàn)一個(gè)可控制硬件結(jié)構(gòu)的軟件自動(dòng)控制：實(shí)現(xiàn)一個(gè)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 圖像信息處理研究室82022-3-52 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全天域場(chǎng)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(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)u系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 圖像信息處理研究室92022-3-52 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)器件名稱器件名稱型號(hào)型號(hào)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(duì)硬件模塊光路進(jìn)行仿真 裝置元件型號(hào)

6、全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的硬件模塊u硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖像信息處理研究室102022-3-52 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)u硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全天域大氣偏振模式實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的防護(hù)模塊裝裝置置防防護(hù)護(hù)模模塊塊遮擋太陽(yáng)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(dòng)控制 圖像信息處理研究室112022-3-52 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制相機(jī)，設(shè)置參數(shù)，采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采集數(shù)據(jù)的顯示模

7、塊，實(shí)時(shí)觀測(cè)場(chǎng)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(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(duì)采集數(shù)據(jù)處理，最終輸，采集天空偏振圖像并對(duì)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)致輸出圖像的場(chǎng)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(gè)傳輸矩陣，需要標(biāo)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(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(duì)比分析，獲得特征點(diǎn)的像素偏差。2 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定u系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定1.1.三路通道三路通道CCDCCD之間的像素偏移配準(zhǔn)之間的像素偏移配準(zhǔn)2.2.偏振片的偏振化方向誤差標(biāo)定偏振片的偏振化方向誤差標(biāo)定像素偏差像素偏差i=23.2632.42i=35.2534.9

9、21ix1iy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(shí)起偏器的偏振方向，根據(jù)馬呂斯定律，求得實(shí)際方向。Channel 1Channel 2Channel 34.269.8130.8j通道圖像相對(duì)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定系統(tǒng)誤差分析與標(biāo)定u系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定3.3.系統(tǒng)三通道圖像亮度標(biāo)定系統(tǒng)三通道圖像亮度標(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

10、求解各響應(yīng)均值。 表示在不同的曝光時(shí)間、不同光圈下二三通道相對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)的亮度比。4.4.系統(tǒng)傳輸矩陣標(biāo)定系統(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(gè)不同線偏振光下三通道圖像，用Stokes矢量?jī)x獲取線偏振光的Stokes矢量，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量原理即可求解穆勒矩陣。 圖像信息處理研究室152022-3-5 實(shí)測(cè)的大氣偏振模式中，偏振度、偏振角圖像具有對(duì)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(cè)量裝置的可靠

11、性。實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)天氣實(shí)驗(yàn)天氣2015年6月5日18點(diǎn)50分東經(jīng)11714北緯3152晴朗少云外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)2 2 論文主要研究?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?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(biāo)測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試2.2.外場(chǎng)偏振信息測(cè)量外場(chǎng)偏振信息測(cè)量驗(yàn)證方法：利用全天域大氣偏振模式觀測(cè)系統(tǒng)在理想天氣條件下開展外場(chǎng)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(duì)比，分析實(shí)測(cè)結(jié)果的可靠性。視場(chǎng)角視場(chǎng)角測(cè)量精度測(cè)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析1. 1.分析分析波長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)大氣偏振模式的影響對(duì)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 圖像信息處理研究室172022-3-5 實(shí)測(cè)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析1.波長(zhǎng)對(duì)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(duì)稱性；偏振角分布中一直保持著基本“”形態(tài)，呈反對(duì)稱分布。時(shí)間10時(shí)11時(shí)12時(shí)13時(shí)14時(shí)15時(shí)16時(shí)17時(shí)太陽(yáng)高度角()26.9532.4934.7933.3628.5220.9911.570.66太陽(yáng)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(duì)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?jī)?nèi)容：論文主要研究?jī)?nèi)容：外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(duì)大氣偏振模式有一定影響，

15、影響程度地表環(huán)境對(duì)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(diǎn)的過程中，需考慮地表環(huán)境的影響，尤其振模式分布特點(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(jié)與展望總結(jié)與展望論文主要研究?jī)?nèi)容論文主要研究?jī)?nèi)容 圖像信息處理研究室212022-3-53 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(shè)計(jì)了一種全天域偏振測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了全天域、多波段條件下對(duì)大氣偏振模式的自動(dòng)獲??； 對(duì)全天域偏振測(cè)量裝置進(jìn)行了詳細(xì)的分析和標(biāo)

16、定，通過對(duì)標(biāo)定后裝置的測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。 開展了外場(chǎng)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(duì)大氣偏振模式的影響，與介質(zhì)屬性有關(guān)。u研究展望研究展望 調(diào)整全天域偏振測(cè)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(duì)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(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文(1) 孫潔, 高雋, 懷宇, 畢冉, 范之國(guó). 全天域大氣偏振模式的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)J.光電工程.（已錄用）(2) 懷宇, 范之國(guó), 孫潔, 吳良海, 徐少罕. 三通棱鏡同時(shí)偏振測(cè)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(qǐng)發(fā)明專利申請(qǐng)(1) 范之國(guó), 孫潔, 懷宇, 鄭驪昂, 高雋. 一種全天域大氣偏振模式的自