植物叶片润湿性与光谱反射偏振度关系研究

城市绿化植物由于其滞尘能力能够有效改善城市大气环境，滞尘能力的主要影响因素是其表面特性和润湿性。植物叶片表面的润湿性和偏振反射特性都与表面粗糙度相关，因此以粗糙度为结点，探究植物表面润湿性与偏振反射光谱的关系，利用偏振反射特性对植物叶片润湿性进行快速无损监测。以长春市常见的八种绿色植物叶片为研究对象，利用Kruss DSA 100液滴形状分析系统测量其表面接触角，利用多角度光谱测量装置测量其在不同探测天顶角上的偏振反射光谱，探讨了润湿性能在400～1 000 nm波段对植物叶片不同探测天顶角上偏振度的影响。通过相关分析确定八种植物叶片的特征波段，并在特征波段对偏振度随探测天顶角的变化程度与润湿性的关系之间进行定量分析。结果表明，在特征波段(700±10) nm处，偏振度随着探测天顶角的变化程度θ₀与接触角距离100°的偏差值θ具有很强的相关性，可决系数R2为0.82，说明偏振度随探测天顶角的变化程度θ₀可以反映植物叶片的润湿性，可以利用偏振反射特性对植物叶片润湿性进行分析，研究成果将对今后城市绿化物种的选择提供可行性建议。     

近红外白天恒星探测对比度分析

红外波段可以探测到足够多的星体用以导航。恒星-背景对比度是白天恒星探测时的一个重要指标,分析近红外波段,6星等恒星对比度随太阳天顶角、探测器高度和探测方位角的变化情况。结果显示,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长,40太阳天顶角时对比度是20时的2.69倍左右;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加,低于15 km时对比度仍小于3, 80 km时对比度达到60左右;随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度基本上线性增大,30探测方位角时的对比度是0探测方位角时对比度的2.38倍。     

观测几何对大气偏振光谱的影响

研究大气偏振光谱在太阳天顶角SZA、观测天顶角VZA和相对方位角RAA构成的观测几何变化时的特征。采用离散坐标法求解大气矢量辐射传输方程,结合真实大气环境与结构参数,以MODTRAN太阳参照光谱仿真大气层顶初始光谱,考虑下垫面反照、气溶胶垂直分层与成分混合比及痕量气体吸收的影响,仿真计算相对方位角为0°和90°时0.4~3 μm波段大气偏振光谱,丰富大气偏振光谱信息。仿真结果表明：(1)相对方位角为0°时,偏振度DoP和Q/I随SZA的变化分别呈“V形”和倒“U”形, U/I很微弱,量级低于10-7,V/I在任何观测几何下都很微弱;(2)晨暮时段,若太阳不在视场内,大气偏振度在波长0.51和2.75 μm附近为极大值,在1.5 μm附近为极小值。因此,在不同的观测几何条件下,选择相应的波段和偏振信号,将有利于实体目标探测。     

运输机蒙皮红外辐射特性建模与分析

为了研究了C-17运输机的红外辐射特性,依据红外辐射的基本原理以及运输机的结构、材料等数据,对飞机机体进行几何建模和网格划分,通过流场仿真计算得到机体蒙皮的温度分布,并结合表面的多重遮挡算法计算出不同马赫数、不同视线方向的飞机蒙皮在红外(8 μm~12 μm)波段的总辐射强度。结果表明,方位角为0°时,相对于0.5马赫,1马赫飞行状态时,红外辐射强度增加32%,马赫数对红外辐射强度影响非常大,气动加热为其辐射强度的主要贡献源。从正前方或正后方探测时,红外辐射强度峰值随天顶角接近对称分布,从侧方探测时,红外辐射强度分布较为平均,因此天顶角对红外辐射强度影响较小。     

冰的热辐射偏振特性研究

冰作为全球能量平衡、气候、水文和生态模型中的重要参数,直接影响到地气系统能量平衡、天气和气候变化等,利用热红外波段对冰偏振特性研究国内外尚未见报道,运用热红外技术对冰热辐射偏振研究有重要意义。研究结果表明,波段、探测角、偏振角对冰热辐射偏振特性均有较大影响,而方位角影响不显著。振辐亮度表现为:LCH1LCH3LCH4LCH2,偏振亮温表现为TCH4TCH1TCH2TCH3,对冰热辐射偏振特性研究选择第三通道偏振亮温数据更优。探测角对冰热辐射特性影响极其显著且受偏振角影响,冰在探测角10°、偏振角30°处偏振亮温最低,这非偶然因素造成,与冰自身特性有关,探测角对冰偏振度影响表现为P0P40P10P20P50P30,偏振度大小与各偏振角的亮温差异大小直接相关,方位角对冰偏振亮温影响不显著,表面粗糙程度与组织结构差异直接导致冰在不同方位角发射辐射差异,利用偏振度对冰理化特性监测具有重要作用。     

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。     

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。     

雪的热辐射多角度偏振特性研究

针对现今遥感对地面目标自身热辐射偏振特性研究的需要,对雪的热辐射多角度偏振特性进行测量,分析探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角四个因子对雪的热辐射特性的影响。结果表明：雪的辐射亮度和亮度温度均随探测天顶角的增大而增大,当探测天顶角＞30°时,增长速度加快,且探测天顶角对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;探测方位角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;波段的变化对雪的辐射亮度和亮度温度均有显著影响,相比而言,其对辐射亮度的影响更为显著;偏振角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对亮度温度的影响较辐射亮度较为显著。该研究成果为应用遥感技术开展雪的热红外定量研究提供了新的思路与方法,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。     

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。     

水下航行器热尾流目标海平面探测红外成像仿真

红外成像是探测水下航行器海平面热尾流目标的重要方法。采用建模仿真的方法，基于尾流区海平面温度分布特征，结合三维坐标变换和投影映射方法实现热尾流目标的红外成像仿真过程，得到在相同探测条件下热尾流的辐射能量随波段的分布，以及不同探测方位角与高度下热尾流在像平面内的形态及红外辐射亮度的变化规律。论证了噪声对典型工况条件的热尾流与背景海面的对比度和清晰度，以及热尾流目标的探测和识别难度的影响。仿真结果表明:相同探测条件下，热尾流在8 μm~12 μm波段的辐射能量远远大于3 μm~5 μm波段；随着探测高度的增加，热尾流区域的红外辐射观测亮度逐渐减小；探测路径长度一定时，探测天顶角增大，热尾流红外辐射观测亮度减小，并且热尾流在像平面内所占区域逐渐减小。     

盐渍化土壤偏振高光谱信息与土壤线的关系初探

正确评价土壤盐渍化对地区农业生产与生态环境具有重要意义。土壤线对土壤盐渍化程度具有一定的指示作用,但在不同角度下观察获得的土壤光谱特征会发生变化,土壤线的参数值也会随之变化。依据以实验室测定的盐渍化土壤多角度偏振高光谱反射率,分析并确定土壤盐渍化程度与土壤线参数之间的关系,初步探求在偏振反射条件下土壤线最佳的获取方式。结果表明：(1)土壤光谱反射率随波段的增加逐步缓慢上升,趋于平缓。随着盐渍化程度的增强,土壤的光谱反射率先逐步降低至某一临界值后又逐步升高;(2)土壤的盐渍化程度与土壤线的斜率和截距均呈线性相关,随着盐渍化程度的增强,土壤线的斜率变小,截距变大;(3)探测天顶角影响偏振状态与土壤线参数的关系,当探测天顶角一定时,偏振状态与土壤线参数之间具有规律性。探测天顶角在0°-50°之间,随角度的变大,土壤线斜率变大,截距变小;(4)偏振状态影响土壤线参数与土壤盐渍化程度的相关性程度,初步确立偏振角度为90°,探测天顶角为25°状态下,建立的土壤盐渍化程度与土壤线参数关系模型较优。为定量反演土壤盐渍化程度提供新的途径。可以用于土壤的盐渍化程度评价。     

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。     

背投系统视角计算方法研究

介绍了一种计算背投系统视角的方法,可用来衡量背投系统性能.背投系统的视角不仅仅依赖于背投屏幕,也与光学引擎和观看环境有关.综合这三个方面的因素得到背投系统的对比度和角度的关系,根据人眼能接受的最小对比度可推算出背投系统的视角.实验数据表明,根据方法中表达式计算所得视角与实际参量吻合较好,证明该计算方法简单有效.     

温室番茄缺素叶片偏振反射特征分析

为提高番茄植株营养胁迫定量分析模型的精度,探究偏振检测在植物单叶尺度进行无损检测的优势,利用自行研制的偏振反射光谱系统检测不同生长期温室番茄缺素叶片偏振反射特征。对影响番茄单叶偏振反射的主要因素：方位角、入射天顶角、探测天顶角、光源偏振片起偏角度、探测器偏振片起偏角度进行了讨论,通过正交试验的极差分析获取光谱仪各测量角度参数的优水平,并通过实验进一步验证,最终分析得到偏振光谱系统检测番茄缺素叶片的角度组合及主次排序为：入射天顶角60°、光源起偏角度0°、探测器起偏角度45°、探测天顶角45°、方位角180°,在此基础上对不同生长期的缺氮、缺磷、缺钾叶片以及不同缺素程度的叶片进行分析比较,结果显示偏振反射比随番茄叶片的生长周期呈现正相关关系,缺素和营养过量均能导致偏振反射比的下降,偏振反射比在结果期和采收期的降幅较为明显。对于偏振反射光谱在植物单叶尺度营养快速检测的深入研究具有一定的理论和实践意义。     

偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真

非球形气溶胶是影响辐射传输的重要因素. 系统给出了矢量辐射传输Monte Carlo模型, 并验证了其准确度; 考虑入射光偏振态, 讨论了不同方向漫射光Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性; 分析了气溶胶形状、入射光偏振状态对光波退偏振度、透过率及反射率的影响. 模拟仿真结果表明, 对于不同偏振态的入射光, 不同方向的Stokes矢量对气溶胶形状变化的灵敏程度并不一致, 而在天顶角0°方向区域,Q, U及V分量对形状的灵敏程度普遍不高; 气溶胶形状对反射漫射光退偏程度的影响强于透射漫射光, 入射光偏振态不同, 漫射光退偏程度也存在较大差异. 气溶胶形状对光波整体透过率与反射率影响显著, 且该影响随传播距离增大而增大; 入射光偏振态对透过率与反射率影响相对较小, 与自然光相比, 水平偏振光透过率略偏小, 反射率略偏大, 垂直偏振光反之, 圆偏振光与自然光的模拟结果相当.     

Design and experimental research of angle self-compensation setup for BSDF measurement

When using a single reference to measure the bi-directional scattering distribution function （BSDF）, the incident zenith angle of the tested sample must be identical to that of the reference. In order to get the hemisphere space scattering characteristic on the sample surface, usually a motor drives the sample tilting, then the incident zenith angle is changed and needs to be the compensated by another motor. We mathematically deduce the expression of compensation angle when the incident zenith angle is changed by the rotation of motor. After the incident angle is compensated, the scattering zenith angle and azimuth angle are deduced too. The uncertainty of the system is 0.75%. Scattering measurements are performed on copper sample with visible light under different temperatures.     

金属表面粗糙度对热红外偏振特性影响研究

根据热红外偏振的原理和探测方法,利用一种热红外偏振探测系统分别研究了铝质和钢质金属板热红外偏振度和其表面粗糙度之间的关系.金属板的表面粗糙度通过喷砂和刨床加工控制.实验结果分析表明:在观测角较小时,喷砂方式处理的金属目标板,粗糙度对它们的热红外偏振度影响较小;而刨床加工的金属目标板,粗糙度对它们的热红外偏振度影响较大.在观测角较大时,无论经过何种加工方式处理表面的金属目标板,都遵循表面越是光滑其热红外偏振度越大的规律.