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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

太阳运动模拟平台的单片机控制

针对用太阳运动模拟平台实现太阳运行位置的全面预测和重现这一问题,提出了采用单片机对该平台进行控制,电机通过变频实现不同时间段不同速率运动模拟太阳运行轨迹的方法。根据输入日期计算出太阳的高度角和方位角,并转换为驱动电机的脉冲数和频率,电机带动执行机构运动使模拟光源到达预定位置。用编码器测量电机实际脉冲,定期进行误差校正来提高系统的稳定性和精度,减少误差。经过实验验证,该平台能够使模拟光源按照预计的轨迹运动,得出该方法是可行的,所设计的程序具有可靠性的结论。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

基于最小二乘支持向量机回归的背景偏振光谱二向反射分布建模分析

详细分析了土壤背景偏振光谱二向反射分布函数与探测角及探测方位角之间关系.提出了基于最小二乘支持向量机回归的偏振光谱二向反射分布函数建模,将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱二向反射分布函数扩展到2π空间范围内任意入射及观测条件.通过模型结果和实验结果分析比较,表明该模型能很好地满足准确度要求.     

基于最小二乘支持向量机回归的背景偏振光谱二向反射分布建模分析

详细分析了土壤背景偏振光谱二向反射分布函数与探测角及探测方位角之间关系.提出了基于最小二乘支持向量机回归的偏振光谱二向反射分布函数建模,将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱二向反射分布函数扩展到2π空间范围内任意入射及观测条件.通过模型结果和实验结果分析比较,表明该模型能很好地满足准确度要求.     

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     

偏振光天文导航定位能力分析

基于天空光偏振特征的天文导航方式是最近发展起来的一种自动天文导航方式,其定位能力直接决定了它的发展应用价值.针对舰船偏振光天文导航方式,从天空光偏振角的探测模型和单天体天文定位的船位误差模型出发,建立了偏振光天文导航的误差模型.利用该模型,仿真计算分析了偏振光天文导航的定位能力.分析表明:当太阳位于探测装置的正横方向且天顶角较大时,探测到的天空光偏振角对太阳方向的变化最敏感,最有利于偏振光天文导航;当偏振角的测角准确度达到角分水平时,偏振光天文导航方式的自动定位准确度可达海里级,可用于辅助惯性导航.     

掩星状态下的太阳形状及强度的理论及数值分析

提出了一种掩星状态下获得太阳形状及强度的方法,并进行了理论推导,建立了数值仿真模型。建立了无大气折射效应下的太阳形状及强度矩阵,并以此作为参考,通过阿贝尔积分公式及折射率垂直剖面反演得到经大气折射后的太阳像面任意位置处的大气弯曲角,根据弯曲角计算得到掩星后太阳像面各个点位置相对于不发生掩星时的位移,根据参考像面即可得到掩星后的太阳像面形状及强度矩阵。 仿真结果表明,采用此模型能实现掩星状态下,不同轨道位置,任意切点下的太阳形状及强度分布。 同时,以卫星轨道高度600 km作为仿真算例,模拟获得了从5~60 km不同正切点高度位置处相应的太阳形状及强度分布,并且仿真得到了云层遮挡下的太阳强度分布图。此模型对应用于卫星姿态部件的测试标定、遥感技术及材料测量等领域,实现能够较为真实地反映太阳形状及强度的太阳模拟器,具有较高的参考价值。     

大气中目标背景对比度及其影响因素的数值分析

 从辐射传输理论出发，利用离散纵标法软件包（DISORT），计算了典型大气条件下0.55μm波长的目标背景对比度，分析了观察者的天顶角和方位角、水平能见度、垂直高度、太阳的天顶角和方位角以及气溶胶单次散射反照率对目标背景对比度的影响。结果表明：目标背景对比度随着观察者天顶角余弦的增加而增加；随着太阳天顶角余弦的增加而减小；随着观察者和太阳方位角差的增加而增加；随着高度的增加而减小；随着水平能见度的增加而增加；随着单次散射反照率的增加而减小。     

紫外激光雷达后向散射光强的模拟计算

根据瑞利散射和米散射理论建立了大气散射的模型,确定了米散射和瑞利散射的体角散射系数的计算公式,讨论了大气对激光任意方向的散射强度及散射光的偏振特性。对于波长为266nm的紫外光,通过仿真计算得到相应条件下的大气分子和气溶胶的后向散射系数及后向散射比,并对计算结果进行了分析。结果表明紫外波段具有散射强度大,抗干扰性强等优点,可以用于近距离的大气分子探测。通过对近距离探测大气的脉冲激光雷达的大气后向散射光强的仿真计算,合理的设置小孔光阑的参数,解决近端较强散射光的问题。这些仿真研究对紫外激光雷达系统的设计提供了指导。     

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E, 31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。     

基于多偏振敏感器的太阳矢量测量方法

根据大气偏振模式形成机理,提出了利用多偏振敏感器测量太阳矢量(矢量方向)的方法.介绍了大气偏振模式的形成,设计了由两组偏振单元组成的偏振敏感器,论证了偏振单元之间的最佳设计角度,分析了利用偏振敏感器从大气偏振模式中提取太阳方位信息的方法,进而提出了利用多偏振敏感器测量并结合最小二乘法解算太阳矢量的方法,针对该算法进行了实验验证,并与双偏振敏感器测量太阳矢量方向的方法进行了对比分析.分析结果表明,利用多偏振敏感器测量不仅可以得到高精度的太阳矢量方向,太阳矢量的方位角误差和高度角误差分别为0.2°和1.0°,还解决了双偏振敏感器测量太阳矢量方向时由于最大偏振方向平行引发的突变问题.实验结果验证了利用多偏振敏感器(≥3)测量太阳矢量的方法是可行的.     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

量子光通信中偏振光空间姿态传递

通过设计正交偏振光信标器,实现了空间信标姿态的单光路传递,为星地量子光链路的建立提供了条件.通过分析光学器件,尤其是镀膜器件中偏振信标光的传递特性,仿真分析不同入射角、旋转角条件下,出射信标光的偏振模式.分析了由光学器件引入的位相差和不同反射率、透射率对偏振模式的影响.利用琼斯矩阵推导了马吕斯定律在椭圆偏振光入射时的表达形式,建立起测量椭圆偏振光主偏振方位角模型.利用光电位置传感器接收正交信标光,结合光电位置传感器的光点位置检测能力解耦信标光的俯仰角和方位角,利用光电位置传感器的光强探测能力解耦信标光的偏振基矢角,实现了单器件三维信标姿态测量.实验表明,所述系统具有完成信标光三维姿态检测的能力,可用于星地量子光通信、空间信标姿态检测.