激光雷达偏振成像遥感的望远镜系统偏振分析

激光雷达偏振成像主要是利用不同目标散射光偏振度的差异来实现对目标成像的。由于大部分光学系统都存在消偏振效应,因此系统自身的消偏振问题在成像过程中必须考虑。根据近轴理论和消像差的要求设计出卡塞格伦望远镜的几何结构,应用琼斯理论、光波的相干矩阵和菲涅耳反射理论对空气和卡塞格伦望远镜的交界面进行了消偏振分析,并使用Matlab软件仿真了卡塞格伦望远镜在镀金属反射膜前后,反射光偏振度在望远镜径向直径上各点的变化曲线。根据仿真结果可以看出偏振成像系统中使用的卡塞格伦望远镜在镀铝金属反射膜时其消偏振效应在成像过程中可以忽略。     

偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析

基于偏振调制的三维成像激光雷达,具有测量范围远、测量精度较高、成像速度快、无运动伪像等优点,同时不受其他调制方式中增强电荷耦合器件、雪崩光电二极管阵列探测器工艺复杂、易饱和损坏等缺点限制,但存在需要双相机、成像视场角受电光晶体限制、成像质量易受到入射角度及云雾等大气条件影响等缺点.为克服上述缺点,本文提出采用偏振成像激光雷达与短波红外变焦光学系统共孔径复合的方式,构建双模目标探测成像系统.开展偏振成像激光雷达与短波红外复合光学系统设计研究,使用光学设计软件完成系统光学设计,并对完成系统像质分析;使用光学仿真软件对光学系统成像过程仿真;分析仿真结果表明所设计光学系统成像质量良好、设计正确可行.本文所采用方法为偏振调制成像激光雷达研究提供一种新思路.     

静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量     

成像光谱偏振仪研究进展

成像光谱偏振仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器.介绍了成像光谱偏振仪的原理,对近些年来国内外成像光谱偏振仪的研究进展进行了总结,对基于声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝色散型、空间调制傅里叶变换型和层析型成像光谱仪的光路中添加偏振器件构成的成像光谱偏振仪的原...     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像,研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息;不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性,紫铜偏振度最高达0.69;在1.40mg/L牛奶浑浊度的水下,偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization,DOP)信息来检测出水下目标物,瓷片的DOP仅降低0.31;此外,在水下约40cm深度下,偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰,如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

基于强度图像和地物偏振反射率数据的光学遥感偏振成像仿真分析

为获得满足偏振成像探测器的研制所需的偏振成像样本,并解决现有偏振遥感仿真分析中普遍缺乏实测数据支持的问题,提出了一种基于强度图像和实测地物偏振反射率数据的偏振成像仿真方法,介绍了其实现过程,并且得到了不同大气几何条件下的卫星高度偏振仿真图像。通过与强度仿真图像定量的对比表明,偏振成像对比度受大气能见度的影响较弱,在低能见度及后向散射条件下或者某些特定方向上优势更为突出。偏振成像的清晰度对观测方向较为敏感这一属性可以指导选择特定的方向进行偏振探测,并最终提升雾霾条件下偏振成像对地遥感的目标识别能力。     

偏振成像技术提高成像清晰度、成像距离的定量研究

阐述了水下成像清晰度和成像距离的增大与偏振成像技术的关系;推导了偏振成 像系统图像清晰度与成像距离的关系式　并通过实验获得实测数据　根据推导的关系式分析 并计算得到的结果与实测数据相符合　定量地说明了偏振技术提高了图像清晰度和成 像距离. 关键词：     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80～1 000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

激光雷达探测绝热水云退偏振特性模拟研究

本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355!m,分别计算了云底高度为1km和2km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2km的云层有效半径比云底高度为1km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。     

成像激光雷达系统性能的研究

如何合理而有效地设计成像激光雷达系统 ,是进行成像激光雷达系统研究的关键 ,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系 ,根据所提出的指标 ,选择激光器和探测器及其它元器件。以二极管泵浦固体Nd∶YAG激光器为光源 ,以探测的统计学为基础 ,从作用距离、探测概率、虚警概率、信噪比等方面研究了成像激光雷达系统的性能 ,探讨了成像中实际影响成像像素数的因素 ,为成像激光雷达系统的研究提供必要的理论依据。     

Spaceborne laser filamentation for atmospheric remote sensing

A proof‐of‐concept of space‐borne laser filamentation for atmospheric remote sensing is presented. The remote generation of laser filaments from an Earth‐orbiting satellite is shown by numerical simulations to be theoretically possible for a large range of laser parameters. The model includes a realistic representation of the stratified atmosphere and accounts for multi‐species ionization and the dependence of air density upon the molecule type and altitude profile. The remote generation of a white light continuum extending from 350 nm to 1.1 μm within the filament is demonstrated, and hereby proposed as an atmospheric in‐situ light source for monitoring greenhouse gases and pollutants on a global scale by light detection and ranging (lidar) techniques. Scaling laws are also derived for estimating the filament altitude as a function of peak pulse power (3 GW‐3 TW), beam radii (10‐200 cm) and for three different curvatures (300, 390, 500 km) for femtosecond infrared (800 nm) pulses. We find that operating conditions for remote supercontinuum generation are already available with current ground‐based mobile laser technology and within reach of future space laser systems.

     

激光相位成像雷达的研究

利用无合作目标漫反射激光相位测距的原理,对关键单元技术进行分析和设计,研制成一种用于自主式车辆视觉导引的激光相位成像雷达的原理样机.     

Initial flight test results of differential absorption barometric radar for remote sensing of sea surface air pressure

The accuracy of numerical weather model predictions of the intensity and track of tropical storms may be significantly improved by large spatial coverage and frequent sampling of sea surface barometry. The availability of a radar operating at moderate-to-strong O₂ absorption bands in the frequency range 50∼56 GHz to remotely measure surface barometric pressure may provide such capability. At these frequencies, the strength of radar echoes from water surfaces has a strong gradient with frequencies owing to the absorption of atmospheric O₂. Our recent research has developed a technique based on the use of a dual-frequency, O₂-band radar to estimate surface barometric pressure from the measured attenuation due to O₂. The ratio of reflected radar signals at multiple wavelengths is used to minimize the effect of microwave absorption by liquid water and water vapor in the atmosphere, and the influences of sea surface reflection over the frequency of operation. A demonstration instrument has been developed to verify the differential O₂ absorption measurement approach. Recent test flights to evaluate the in-flight performance of the demonstration instrument have been completed. The measured radar return and differential O₂ absorption show good agreement with the modeled results. These flight test results are consistent with our instrumentation goal of ±5 mb uncertainty and indicate that our proposed differential absorption measurement approach may provide a useful measurement of sea surface pressure. Future test flights will provide higher altitude data and assess the precision of the sea surface pressure measurement for the existing demonstration radar.     

航空遥感相机光学系统设计

地球静止轨道区域凝视成像监视的目的就是为了及时发现和生成地面目标特征和参数，光学成像遥感技术是现代对地观测的一个重要手段。通常长焦距、大视场遥感系统的光学系统设计是通过提高光学成像遥感器的质量、加长焦距、提高记录介质的分辨力、提高系统的传递函数等措施提高其性能的。介绍焦距为36m，视场角达到0.75°的三反射式光学系统的设计过程，给出了设计结果。该系统实现了范围为90km×90km的瞬时对地扫描，摆动后能够对地面900km×450km区域实现凝视成像。     

激光诱导荧光遥感系统的设计

分别设计了地面车载 (或海面 )和空中机载激光诱导荧光雷达成像遥感系统。提出了用拼合式卡塞格仑(Cassegrainnian)望远镜结构实现多色荧光成像系统。所设计的系统可以同时获取荧光光谱信息、荧光信息成像和与荧光信息相匹配的地理信息。所设计的系统与以住的激光荧光遥感系统相比 ,增加了荧光成像功能。机载设计方案是一个适应RS、GPS、GIS一体化和“数字地球”发展要求的激光遥感空间信息集成的设计 ,具有一定的先进性。     

机载激光诱导荧光遥感系统相关参数的讨论

以文献[1]所设计的机载激光诱导荧光遥感成像系统为例,简要地分析了该遥感系统的荧光参数、信噪比、飞机飞行参数与系统性能的关系。探测器接收到的荧光强度和信噪比除了与激光器发射的功率、被激发物质的荧光量子效率、密度、浓度和探测器的量子效率等成正比外,还受遥感系统的仪器结构、探测器的灵敏度、荧光寿命、阳光的反射,以及大气散射等因素的影响。给出了遥感系统的空间分辨率与飞机飞行高度和速度、激光扫描频率和脉冲发射频率之间的关系。分析结果对实际研制机载激光荧光遥感系统有重要的参考价值。     

Feature tracking for projection registration in laboratory-scale reflective tomography laser radar imaging

In range-resolved reflective tomography laser radar imaging system, for accurate image reconstruction, all projections must be aligned to the center of target rotation. Due to the unknown location of the axis of rotation and random target translation, the center of target rotation in each projection cannot be measured accurately and images reconstructed based on range-resolved projections without registration would be dislocated. Here, we apply a feature tracking method to align projections data for tomographic reconstruction in laboratory-scale laser radar imaging. The target was placed on a spin table with an unknown and fixed axis, and the oscillatory motion of the target translation was simulated by a second order inertia filter to accord with the real satellites vibrations. The experimental simulation results demonstrate the effectiveness of this method to improve images reconstruction equality. The application of this method to actual radar imaging in remote distance was discussed and the differences were compared with the lab setups.     

Improvements for ground-based remote sensing of atmospheric aerosol properties by additional polarimetric measurements

We discuss the improvements in the aerosol properties characterization resulting from the additional multi-wavelength polarization measurements measured by a new CIMEL polarized sun/sky-photometer, CE318-DP. In order to process direct-sun, sky and polarization measurements in a wide spectral range (340–1640 nm), we developed new calibration methods and strategies, e.g. using the Langley plot method to calibrate both direct-sun irradiance and sky radiance, as well as combining laboratory facilities with a vicarious method to calibrate the polarized sky measurements. For studying the impact of new polarimetric measurements on the retrievals of aerosol properties, we have processed an extensive record of field measurements using an updated Dubovik and King retrieval algorithm [Dubovik O, Sinyuk A, Lapyonok T, Holben BN, Mishchenko MI, et al. Application of spheroid models to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust. J Geophys Res 2006;111:D11208.]. A preliminary analysis shows that adding polarization in the inversion can reduce possible errors (notably for about 30% of our field cases) in the fine mode size distribution, real part of refractive index and particle shape parameter retrievals, especially for small particles.     

雷达信号处理技术在太赫兹成像中的应用

太赫兹成像采用的成像算法多来自于其他频段已经成熟的成像算法,而针对太赫兹波特性的成像算法还不多见,因此在太赫兹频段形成了成像机理及算法研究的空白。按照经典电磁理论、光学原理对太赫兹成像进行分类,指出了雷达成像与太赫兹成像之间的关系。并通过研究太赫兹雷达目标散射特征,分析了不同太赫兹源的衍射极限成像分辨力。最后,从信号处理的角度介绍了太赫兹雷达信号处理及成像算法的研究现状。