基于大气偏振模式全局特征的中性点识别方法

中性点是大气偏振模式的重要分布特征之一,在偏振光导航、大气环境监测、遥感探测等方面具有重要价值。在分析大气偏振模式的偏振度分布特性和中性线分布特性的基础上,提出了两种中性点检测识别方法,实现了对中性点的自动识别。实验结果表明,两种方法均实现了对实际大气偏振模式中性点的识别。其中,基于中性线相交特性的中性点识别方法具有较高的精度;基于偏振度分布的中性点识别方法具有较好的稳定性,在正午时分,优于基于中性线相交特性的中性点识别方法。综合运用两种方法,可以进一步提高对中性点的检测与识别精度。     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

基于RSP的植被多角度偏振特性研究

偏振探测能够获取新的反应目标属性的信息。相对于传统遥感观测,多角度偏振信息具有更稳定的相关性和规律性。植被是地表最典型的地物之一,利用光与植被相互作用后表现出的偏振特性可以进行植被相关性质研究。RSP（research scanning polarimeter）是美国研制的星载偏振遥感探测器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型样机,提供有九个光谱偏振通道,通过对航空飞行试验获取的扫描偏振数据预处理得到的稳定的多角度、多波段偏振探测信息分析,可以得到植被的光学特性和微物理特性。以植被密集区、植被稀疏区（接近裸地）为研究对象,根据仪器飞行时姿态信息进行配准,对比分析了可见光波段和近红外波段在-30°和65°观测天顶角下的强度反射特性和偏振反射特性。结果表明,植被密集区和植被稀疏区在不同的观测角度均表现出规律的偏振度特性,偏振反射在接近热点区域能量小,相比于常规强度反射在接近热点区域反射能量大,可有效防止因反射能量过强影响探测器的稳定性,根据在可见光波段植被密集区偏振度高于植被稀疏区,在近红外波段植被密集区偏振度低于植被稀疏区的反射特性,说明探测器在研究区域的植被密集区接收的可见光波段信号以单次散射为主而在近红外波段以多次散射为主。     

偏振二向反射分布函数测量误差分析

针对遥感偏振探测过程中获取的偏振信息与目标真实偏振信息存在差异的问题,探讨了遥感偏振成像系统的3类系统误差源对偏振二向反射分布函数、偏振度和偏振相角测量精度的影响,建立了遥感偏振探测误差分析模型。分析了起偏器角度定位误差对斯托克斯参量测量的影响,通过数值模拟研究了起偏器角度定位对偏振探测精度的影响;依据遥感偏振探测的地物空间间隔和成像CCD分辨率分析了空间视场重合误差对偏振二向分布函数分量的影响;分析了成像系统的光子噪声等固有系统误差对偏振探测结果的影响;根据误差的传递原则对3类误差源导致的测量误差进行了合成,进一步推导出线偏振度和偏振相角总误差模型。实验分析表明,该遥感偏振探测误差模型能真实反映偏振探测系统误差源对偏振二向反射分布函数测量精度的影响。     

基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

高分一号卫星多光谱遥感图像邻近效应校正研究

在遥感观测中,目标辐射信息中包含了背景辐射经过大气散射后进入传感器视场的部分,从而使地物边缘模糊,对比度降低,即邻近效应。要从遥感图像中准确获取目标信息,邻近效应校正是必不可少的环节。根据大气辐射传输模型,利用MODIS气溶胶产品并引入新的邻近效应校正系数对高分一号卫星多光谱遥感影像进行邻近效应校正。结果表明,经过校正的遥感影像对比度增强,清晰度增加,地物信息更丰富。     

高分辨大视场紫外-可见光偏振成像融合处理技术

采用蒙特卡罗方法对水云下大气的偏振态分布进行了仿真分析,所建立的水云大气环境在紫外360～400 nm波段的偏振度响应最大。采用紫外-可见光偏振成像技术对同一视场下的楼房、云和天空进行了偏振成像实验,并用霍夫变换分割方法对图像中的每个区域进行了统计分析,发现观测区域内无云区与云区的偏振角均值相对差为1.6%,偏振度均值相对差为-14%,证明了大气偏振角较偏振度稳健。紫外光和可见光在对云目标的偏振观测中存在互补性,采用拉普拉斯金字塔图像融合技术能够提高对大气目标的探测能力,验证了大视场高分辨紫外-可见光偏振成像技术在大气探测中的可行性和有效性。     

基于AirMSPI多光谱多角度传感器的地物偏振特性研究

偏振是电磁波的重要特性,利用偏振信息研究地物的状态和性质被证明是一种有效的手段。地物属性研究是地球观测中重要的课题,偏振技术作为一种新兴手段,逐渐得到国内外遥感界的关注。目前,国际上普遍缺乏使用广、精度高的偏振传感器。AirMSPI(Airborne Multiangle Spectro Polarimetric Imager)作为新型机载偏振传感器,能够获取多波段多角度的偏振数据,空间分辨率可达10 m。选取2013年美国Tracy地区的航飞数据,分析了线偏振度(degree of linear polarization,DOLP)与偏振二向反射因子(polarized bidirectional reflectance factor,pBRF)在470,660和865 nm三个波段、九个探测天顶角的变化规律。研究发现,地物前向散射方向包含大量偏振光,其在入射主平面附近表现出强烈的非朗伯体效应。同时,DOLP与pBRF和入射天顶角及探测天顶角的相对位置有关。DOLP在入射及探测天顶角90°夹角附近最大,pBRF随着探测天顶角的增大而增大。受大气影响,蓝光波段的DOLP及pBRF数值相对较高,但红光及近红外波段可有效减弱大气分子偏振散射效应,包含更多地物偏振细节。水体、人工建筑、居民区、裸土和绿地偏振特性迥异,偏振图像中地物甄别度高。且由于分子多次散射的退偏作用,传感器接收到的地物辐射中,线偏振度与反射比具有高度负相关性,相关系数普遍大于-0.8。因此,AirMSPI能够提供高质量偏振数据,作为地面、星载偏振数据的有力验证,为大气及地物参数反演提供重要支持。     

基于野外测量研究植被冠层偏振光谱反射特性

植被冠层反射太阳光会产生部分偏振光,这为偏振遥感探测提供了信息源。利用地基平台开展野外偏振测量是非常重要的研究,它不仅能获取植被冠层本质的偏振反射特性,而且还可以与机载或者星载平台数据进行匹配;虽然研究者们已经通过机载或者星载偏振探测器获取了大量植被冠层的偏振反射信息,但是关于地面植被冠层偏振反射分布特性的研究却很少。因此,为了详细研究植被冠层的偏振反射特性,基于野外多角度高光谱偏振测量与偏振反射物理机制,分析了植被冠层偏振光谱特性及其偏振反射分布特性;随后,反演了两种偏振模型的参数,将测量值与模拟值进行对比分析。研究结果发现,植被冠层的偏振反射具有明显的各项异性特征,而且与波长之间存在微弱的关系;同时,偏振模型可以很好地模拟植被冠层的偏振反射信息,可以作为研究植被冠层的理论依据。该研究测量的偏振反射信息与模型计算值之间呈现良好的吻合性,既描述了植被冠层偏振反射分布特性,又证明模型的有效性和测量结果的准确性。对植被冠层偏振特性的详细研究,不仅有助于完整地解释植被冠层与电磁波之间的辐射响应特征,而且对于偏振遥感对地观测以及地表偏振信息对大气偏振信息的研究也具有重要科学价值。     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

多角度探测的不同材质表面偏振特性实验分析

相比于强度探测,使用偏振探测的方法能有效增强地物目标(如伪装目标)识别的准确性。设计并搭建偏振特性测试系统,对铁板、玻璃板、绿漆涂层铁板、绿漆涂层玻璃板、草皮这5种目标进行多角度偏振成像实验。首先,通过旋转偏振片将入射光源设置为完全线偏振光。其次,在偏振相机镜头前加滤光片,来获取同一中心波段下5种材质在各个探测天顶角、探测方位角下的图像。最后,将获得的偏振图像进行偏振度计算。结果表明,不同材质的保偏特性不同,且物体偏振度只与材质表面涂层有关,与内部组成成分无关;在镜面反射方向,目标的偏振度最大。这说明偏振光探测能作为材料分类的依据,可应用于遥感探测、物证搜寻等方面,还对反偏振侦察的特殊伪装材料制作有一定指导意义。     

多角度偏振遥感相机DPC在轨偏振定标

为了做好卫星数据应用的技术储备,多角度偏振遥感相机DPC航空预研版已经研制成功并完成了航空飞行实验. DPC相机用于获取地气系统反射的偏振、多角度的太阳辐射信息,其地气物理参数反演依赖于定标的精度. 偏振相机的辐射定标包括强度和偏振两个方面. 本文研究偏振遥感相机的偏振参数的在轨定标原理与方法. 基于偏振遥感相机的设计原理,以相机的偏振辐射模型为基础,探索偏振定标的原理和方法. 使用DPC航空遥感实验数据,初步实现了在轨偏振定标并对定标结果进行了分析. 为将来我国自主星载偏振遥感数据处理和在轨偏振定标提供 关键词： 偏振定标 遥感 在轨定标 DPC     

偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

偏振探测作为一种新型遥感技术,是对传统光谱遥感探测的有益补充,为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量,分析土壤湿度与偏振光谱的相关性,同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下,偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性,尤其在500～700 nm波段,湿度与偏振度呈正比关系;低湿度的情况下,偏振光谱与土壤湿度相关性不明显;此外,不同观测角对偏振光谱也有影响,如入射角固定为50°,观测角在20°～60°区间测量时,偏振度随观测角增大而增大,且观测角愈大,偏振度随湿度的变化愈显著。     

Laser Remote Sensing

LIDAR is the first generation of laser remote sensing developed for detection of gas molecule in atmosphere. LIDAR is the abbreviated word for laser radar (laser light detection and ranging). It combines advantages of lasers ability to detect atoms and molecules and radars ability for remote sensing. The advance of technologies: tunable solid state laser (Ti sapphire, OPO etc), optical fiber, photonics imaging technique and last but not least computational techniques, have promoted the development of new...     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术,偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题,提出一种利用偏振信息的图像去雾方法,通过获取3个角度下目标的偏振图像,求解出场景目标的斯托克斯矢量,从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发,分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律,获取最大和最小光强下的正交偏振图像,利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值,最终重构出无雾图像。实验结果表明,在雾霾天气下,利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像,且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍,灰度标准差提升了约88%。     

Polarization detection with polarization interference imaging spectrometer

A new method of measuring the intensity and state of polarization of optical radiation by means of the high resolution polarization interference imaging spectrometer (PIIS) is introduced and theoretically investigated in this paper. The error accuracy analysis is proposed, and it is proved that the system is very stable and precise in theory. In this new way, the polarized characteristics of light could be taken good use to analyze and distinguish objects in passive remote sensing with the PIIS, which means that the polarization interference imaging spectrometer now can be used not only as cameras and interferometers but also as polaristrobometers.