黄海海域天空光偏振分布仿真与测试

研究了黄海海域的天空光偏振分布模式,分析了海洋上空日光和月光的偏振特性分布规律以及云层对其产生的影响。基于瑞利散射理论对日光和月光的偏振分布模式进行仿真,利用图像式全天空偏振模式测试系统对黄海海域的天空偏振模式进行测试,分别将日光和月光的偏振测试结果与对应的理论仿真结果进行对比,并重点分析子午线方向和中性点的异同。结果表明:测试得到的日光和月光的子午线方向与对应的理论模式基本一致;测试得到日光的偏振模式中性点与理论仿真结果基本相同,但是测试得到月光的偏振模式中性点与理论仿真结果明显不同,在民用暮光阶段,天空光的偏振模式会受到月光和日光的双重影响。此外,云层会影响偏振方位角和偏振度的观测,致使测试仪器目前无法识别部分区域的偏振分布结果。     

水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析

研究了水云光学特性对大气偏振特性的影响,对水云条件下大气偏振模式进行了仿真。使用基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,模拟350~700nm波长下大气偏振特性随水云的光学厚度、有效半径的变化趋势。通过计算450nm波长处不同太阳高度角下的全天空离散点的Stocks矢量,对水云下大气的偏振分布模式进行研究,并与晴朗大气下的天空光偏振度和偏振方位角模式进行分析比对。结果表明,波长越大,偏振度随水云光学厚度增大而减小的趋势越明显。随着有效半径的减小偏振度有一定程度的减小,但对短波波段影响较小。随着太阳高度角的增大,天空可探测区域整体偏振度下降。天空光的偏振度近0区域,会对其附近偏振方位角的准确性产生一定影响。水云天气下的大气偏振分布研究为偏振光导航传感器的实际应用提供了理论基础。     

基于Rayleigh大气偏振模式的太阳空间位置优化计算

为了满足偏振光导航对空间特征点空间位置信息的需求,提出一种基于Rayleigh大气偏振分布模式的太阳空间位置计算方法.首先,从大气光学的Rayleigh散射理论出发,建立了天空中偏振光的分布模型.然后将由大气偏振模式中的有限的采样点信息确定太阳空间位置的问题转化为非线性最小二乘优化问题,采用Gauss-Newton法简化算法结构,结合对初值的全局搜索以获取精确的太阳空间位置.仿真实验表明,在本文设定的采样方式下,不同时间、不同地点下利用偏振度信息求解,太阳高度角误差均小于10-5度,方位角误差小于10-6度;偏振角度求解时,太阳高度角和方位角求解误差均小于10-6度;并且在不同的采样方式下均保持了良好的优化准确度.实验证实该算法准确度高,对各种采样方式适应性好,可以有效地由偏振模式信息处理得到太阳空间位置.     

利用大气偏振模式确定姿态参数的方法

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求,提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发,建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法,从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置,并利用太阳和天顶固定的时空关系,获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵,解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台,利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证,解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°,滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单,解算精确度高.     

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.     

产生特异光散射的超构材料

<正>光的散射是一种普通的光学现象,与反射、折射和吸收现象类似。小分子在大气中更有效地散射太阳光谱中短波部分,因此使得天空在晴朗天气时显出蓝色。较大的蒸汽水滴可以散射整个可见光谱中的光线,因而使得云彩呈现白色。一般而言,散射光的强度和散射方     

多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型

为了解决天空偏振光模式的描述问题,从经典的瑞利散射模型出发,考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的多次散射特性,构建了一种天空偏振光模式的解析模型.首先分析大气分子的瑞利散射,并结合Perez光强分布模型描述光强分布,而后考虑二次散射因素,分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数,根据其角度分布特征,解决二次散射积分的求解问题,最终得到本模型.仿真实验表明,与瑞利散射模型相比,本模型能够解决实际天空中存在的中性点的描述问题.与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明,本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征,而且具体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型,其中偏振度的相似度最高可以达到75%左右.     

天空偏振光时域分布稳定性的实验研究

太阳光在穿过大气层时与大气粒子发生散射作用,形成了稳定的偏振光分布模式,与太阳的位置、观测地点的位置以及不同的大气介质等因素有关。瑞利散射模型描述了偏振光在大气中的分布模式,被广泛的用于研究偏振光与太阳的信息传递关系。本文研究基于瑞利散射模型的天空偏振光时域分布稳定性,设计了一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验平台,实现对天空偏振光分布的长时间测量,解算各时刻的太阳方位角和太阳高度角。以天文学年历计算值为基准,得到太阳方位角误差1.34°(1σ)和太阳高度角误差-2.28°(1σ)作为稳定性参数,结果表明天空偏振光时域分布具有较强的稳定性。本实验拓展学生对天空偏振光和大气散射的认识,激发学生兴趣和创新的精神。     

地表反照率对天空偏振模式的影响

研究了地表反照率对天空偏振模式的影响。针对目前缺乏实际环境下不同时间、不同地点单一影响因素的定量测试研究,先运用libRadtran二次开发软件,仿真分析不同地表反照率下的天空偏振模式,然后利用图像式测试系统,分别在草地和沥青地表、海洋和沥青地表进行同步异地测试,定量分析地表反照率对偏振方位角和偏振度的影响。结果表明:地表反照率对偏振方位角分布基本没有影响,分布始终稳定;而地表反照率对偏振度数值有较大的衰减作用,在同一天内同一时刻下,地表反照率越大,最大偏振度值越小;地表反照率相差越大,最大偏振度值的平均减小量越多,最大偏振度值减小的幅度越大。     

大气粒子散射特性及其对空间偏振分布的影响

利用米氏散射理论分析O2,N2,CO2,水滴和气溶胶等粒子的散射与偏振特性,通过随机传输理论仿真不同粒子影响下的偏振分布,并与检测结果进行比对,对粒子散射特性及其对空间偏振特性分布的影响进行了系统的理论研究.计算了不同粒子的散射系数和吸收系数随尺寸和复折射率的变化规律,研究了典型气态分子和非气态粒子偏振度及散射光强随散...     

一种基于视觉信息与偏振天光信息融合的航向角提取方法

在室外智能移动机器人自主导航研究中,仿生偏振导航技术由于不易受累积误差和电磁干扰影响的特点逐渐受到了关注。为提高精度、增强鲁棒性,针对仿生偏振导航提出了一种适用于城市、雾霾天气下的航向角提取方法。引入不易受遮挡、雾霾因素影响的图像强度信息,分别对图像强度信息与偏振天光信息构建优化代价,并进行联合优化,获取最优航向角;室外实验测试显示：信息融合方法在雾霾、天空遮挡等场景下表现良好,在雾霾场景下标准差为0.10～0.24°,比单一偏振天光航向角提取方法提高了83.1～99.7%;在天空遮挡场景下的标准差为0.04～0.09°,比单一偏振天光航向角提取方法提高了90.9～96.7%。     

天空光和太阳光的颜色问题

本文运用物理学、大气物理学和色度学的理论，对天空和太阳的颜色成因作了较深入的论述和证明。首先根据分子散射理论、米氏散射理论和色度学原理，利用计算机对晴朗天空和不同太阳天顶距时太阳的颜色进行了定量计算，得到了与实际观测相符的结果；其次对不同垂直高度天空的颜色也进行了计算，并从眼睛的视觉规律予以解释；最后对臭氧、雾和霾的影响以及天空光的亮度和色纯度的变化也作了简要介绍。     

偏振门用于对散射介质成像的蒙特卡罗模拟研究

通过蒙特卡罗模拟研究偏振光在散射介质中的传播,对通过散射介质的偏振光的强度分布进行模拟,分析了偏振门和空间滤波对成像的影响.模拟结果表明,对于Rayleigh散射体,偏振门与空间滤波可以减小散射光的影响,提高图像对比度,圆偏振光入射比线偏振光具有更高的对比度.对于Mie散射粒子,偏振门的作用有限,不同偏振光的结果差别不大.对双组分的散射介质也进行了模拟,偏振门在这种体系中仍能提高图像对比度.     

气溶胶散射特性及其影响下大气偏振模式变化分析

气溶胶光学特性及其分布位置直接决定了偏振模式的外观形态及变化。文章以偏振光在气溶胶粒子中发生的米氏多次散射理论为基础,采用蒙特卡罗过程仿真、选取气溶胶特征参数半查找表的科学研究方法,对比分析337nm、514nm、1536nm三个波长分别在同温层、大陆层、近地层气溶胶出射时的大气偏振模式变化幅度和规律。模式仿真结果显示紫外波段在近地层气溶胶作用下消失,蓝绿波段相对稳定、尺度分布宽泛,红外波段的穿透性明显强于其他两个波段、起偏剧烈;统计分析构建模式中每个点的偏振度发现每个波段都有各自的稳定区间,模式中偏振度衰减或起偏均趋向于这个区间值。这为已知大气背景模式下,选取合适波段探测目标偏振扰动提供了一定的参考依据。     

星载偏振扫描仪发射前定标及地面验证实验

高精度偏振扫描仪(POSP)采用分孔径和分振幅的同时偏振测量技术,可获取目标的高精度多光谱偏振辐射信息,其测量精度是影响载荷在轨应用的关键指标之一.仪器研制完成后,实验室条件下完成偏振和辐射定标以及测量精度的评估.为检验实验室定标结果,开展自然目标探测下的地面验证实验,使用POSP在晴朗天气沿太阳主平面对天空进行扫描,...     

基于六参量偏振BRDF模型的地物背景偏振反射特性研究

为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性。     

冰云对天空偏振模式的影响

不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大,为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响,建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型,利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程,分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响,并通过图像式测试系统,实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大,对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大,随光学厚度和冰水含量的增大而减小,后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下,大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致,验证了本文方法的有效性,为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。     

材料表面偏振双向反射分布函数模型修正

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响,基于微面元散射模型结合KubelMunk理论,综合考虑镜面散射和漫散射,构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型,并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较,其材料偏振特性曲线与实测数据吻合,表明修正后的模型有较高的精确度,该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.     

表面纳米粒子缺陷的偏振散射特性区分

为了区分纳米量级的表面上方颗粒物灰尘与表面下方气泡粒子这两种表面缺陷,且获得该方法的适用环境与最佳观测条件,根据瑞利散射理论结合偏振双向反射分布函数,建立了两种表面缺陷的偏振散射模型并进行了验证。在此基础上,通过仿真分析得到不同缺陷环境、不同观测条件对两种表面缺陷粒子偏振散射特性的影响。结果表明:利用p偏振光入射表面,而后探测p偏振光的双向反射分布函数值随散射方位角的变化趋势可区分两种表面缺陷;无论表面下方气泡粒子位置如何改变,均不影响该趋势的变化情况;不同光学元件表面材料、缺陷粒子种类、缺陷粒子大小对两种表面缺陷的偏振散射模型有一定影响,但整体趋势不变。实验中,针对本文所述两种表面缺陷进行区分时,可选取入射角度和探测散射角度均为45°,采用较小波长入射光进行实验。     

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。