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.     

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。     

晴朗天气下满月偏振模式的研究

研究晴朗天气条件下满月天空偏振模式,分析并探索太阳光和月光天空偏振特性的分布规律。对夜间光源进行分析,以Rayleigh散射理论为基础对满月天空偏振模式进行了仿真。利用成像式全天空偏振光测试系统对太阳光、暮光和满月月光的天空偏振模式进行了测试,通过偏振模式中的特殊点——中性点和子午线方向进行对比分析。结果表明:晴朗天气下满月偏振模式与仿真结果基本一致,符合Rayleigh散射理论;暮光偏振模式同时受到月光和太阳光的影响;当太阳高度角和月亮高度角相近时,太阳光和月光分布规律是相似的;光强大小并不改变天空光偏振模式的分布规律和偏振度的大小。     

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.     

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.     

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。     

水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。偏振信息是遥感数据空间、辐射、光谱信息之外的又一重要信息。对于光学遥感数据来说,偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力,其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射,从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用,使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体,要么面向室内人造光源条件下的模拟水体,鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜,实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱,定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性,以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时,采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好,推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。相比于传统的非偏振水面光谱测量方法,水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小,能够更精确的提取离水辐射。     

偏振滤波抑制大气背景光的性能计算模型

如何定量计算和预测在不同条件下偏振滤波抑制大气背景光的效果,目前缺乏合适的性能表征量及其计算模型,为此提出了偏振滤波抑制大气背景光的性能计算模型.定义了大气背景光抑制比(ARR),综合天空光相对光谱辐射功率模型和地面太阳直接辐射光谱模型、地物反射特性等,给出了以太阳方位、相机光轴方向、大气能见度和地物光谱反射率等为输入...     

一种高精度偏振遥感探测方式的精度分析

检偏器的角度误差是影响偏振遥感探测精度的重要因素之一,是许多高精度定量化偏振遥感需要考虑的一个问题。在检偏器(0°,60°,120°)放置的测量系统中,当入射光偏振角接近于0°或180°时偏振测量易产生最大误差值,而偏振角接近30°,90°和150°时,偏振度的测量具有很高的精度;在检偏器(0°,45°,90°)放置方式中,偏振角接近45°的光束测量易具有最大误差值,而偏振角接近于0°,90°和135°时,角度误差对偏振度测量精度的影响很小。除了个别偏振角外,对高偏振度入射光束的偏振测量通常具有较大的偏振测量误差。因此,引进线偏振光的平均偏振度测量精度描述偏振测量装置的优劣,结果表明检偏器(0°,60°,120°)放置方式优于检偏器(0°,45°,90°)放置方式。     

基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法

针对惯性系统(INS)与卫星组合导航容易受到干扰的局限性,为提高海上作战船舰的自主导航能力,提出基于全天域大气偏振光特性辅助定向自主导航方法。在分析全天域偏振光中性点的运动规律的基础上,采用两点一线原理使用中性点确定载体航向角并结合电磁计程仪(LOG)测得的航速信息辅助惯性系统进行导航,采用卡尔曼滤波最优算法对组合导航系统进行了信息融合。matlab仿真结果表明基于全天域偏振光中性点/LOG/INS组合导航方法能够有效抑制INS导航定位误差,使船舰航向角误差稳定在0.6,水平速度误差稳定在0.7 m/s,水平位置误差稳定在10 m,增强了船舰的自主导航性能,并且具有高度的隐蔽性和抗干扰能力,具有一定的军事工程应用价值     

快速空间测角系统中偏振像差的分析与研究

快速空间测角系统需要在一定的平移范围内均能实现测量功能,这就要求光束在接收单元具有一定的覆盖面积.受器件尺寸所限,选择对入射光束进行扩束,然而非正入射光经过系统会产生偏振态变化,存在偏振像差,引起测量误差.本文通过采用偏振光线追迹的方法,结合电磁场的边界条件,对快速空间测角系统中一定方位及入射角范围内的光束通过偏振棱镜后出射光束的偏振态变化与分布进行了理论研究及仿真分析;并通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化.根据实验值与仿真结果的对比分析,得出在方位角为0o时,测量误差较小,在方位角为90o时,测量误差最大,且随平移距离(即入射角)的增大,测角误差增大.验证了偏振像差的存在对系统测角带来的影响及理论分析的正确性,并提出了改进措施.所得研o究结果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义.     

天文定位中倾角传感器的标定

为提高天文定位系统的定位精度,减小倾角传感器安装误差对系统水平测量精度的影响,对系统中倾角传感器的安装参数标定及校正进行了研究.首先,给出基于倾角传感器的天文定位系统工作原理,分析倾角传感器安装过程中存在的误差源.然后,提出一种通过对天文定位系统进行改造,利用系统自身完成倾角传感器安装参数标定的方法,并给出了倾角测量数据的校正算法.最后,建立三视场天文定位系统仿真测试平台,对标定方法的性能进行了分析和验证.实验结果表明:该倾角传感器安装参数标定方法的标定精度与倾角传感器自身测量精度保持一致,在全量程范围内校正后的倾角测量结果最大误差为4.315 5″,基本满足天文定位系统中高精度倾角测量要求.     

偏振方向对涡旋光束产生的影响

在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时,入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发,研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后,涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较,发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大,液晶空间光调制器的调制误差变大,所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时,涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大,LCSLM对入射光的调制作用减弱,无法产生涡旋光束。     

反射光偏振特性分析与物体形状的测量

基于反射光偏振特性,提出了利用图像处理技术测量透明物体三维形状的理论和方法.分析了物体表面反射光的偏振特性,表明自然光在经透明物体表面反射后,反射率随光的振动方向不同而不同,即反射光表现出部分偏振光的特性.研究了强度反射率与入射角以及光强与偏振片方向之间的函数关系,得到了光强大小与入射面方向的关系;根据偏振度概念并结合菲涅耳公式和折射定律,建立了偏振度和入射角之间的表达式,可求得物体表面法线方向,进而得到透明物体的形状.研制了光学实验平台,获得了物体反射光的偏振图像,经过图像处理,获得了被测物体的三维形状.实验结果表明,这种方法对透明物体形状测量是有效和实用的.     

尘埃粒子计数器中光源对传感器光通量的影响分析

在Mie散射理论基础上，由单分散射的光强表达式导出在偏振光的入射条件下一定立体角内的散射光通量的表达式，并与自然光入射作比较。计算了在相同强度不同光源入射下，尘埃粒子计数器的两种常用散射光收集系统收集的散射光通量。结果表明：采用近前向散射光收集系统得到的光通量相等；而采用直角方向散射光收集系统时两者并不相等，且在平面偏振光入射时，收集的散射光通量还跟探测器中心与入射光偏振方向夹角有关。用MATLAB编程计算，得出了在探测器中心与偏振方向的夹角成90°或270°位置时，收集的散射光通量有极值的结论，为激光尘埃计数器传感器光学设计提供了依据。     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

EXPERIMENTAL STUDY OF DIFFRACTIVE PROPERTIES OF WAVELENGTH-SIZED SINGLE GROOVES COATED WITH GOLD FILM

We have gained a very comprehensive set of results for infrared diffraction (10.6 μm wavelength) from fabricated single grooves of reflection with widths in the range of 5μm to 65μm. The experimental results show that the diffraction can still occur when the groove width becomes comparable to or less than the wavelength of the probing light. Variations of the diffraction intensities have a very regular sinusoidal relationship with the polarization angle of the incident light; and the diffraction intensities are the maximal when the incident light is TM polarized. However, the diffraction intensities will be a minimum when the incident light is TE polarized; and the bigger the diffraction angle, the higher the rate of change of the diffractive intensity with increasing polarization angle of the incident light.     

Spin polarization separation of light reflected at Brewster angle

A spin polarization separation of reflected light is observed, when a linearly polarized Gaussian beam impinges on an air-glass interface at Brewster angle. In the far-field zone, spins of photons are oppositely polarized in two regions along the direction perpendicular to incident plane. Spatial scale of this polarization is related to optical properties of dielectric and can be controlled by experimental configuration. We believe that this study benefits the manipulation of spins of photons and the development of methods for investigating optical properties of materials.