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.     

基于大气中性点的地-气分离方法空基验证探究

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段,地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。然而,地物反射具有偏振效应,大气粒子的反射与散射也具有偏振效应,并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。当用偏振遥感器对地表目标进行观测时,大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。因此,如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测,以减弱大气偏振对地物偏振的影响。基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验,通过处理和分析实验所得影像数据,分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布,发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置,验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性,提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件,并初步分析出,波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。     

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。     

基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

斜程湍流大气中部分相干艾里光束的偏振特性研究

偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义.利用广义惠? 更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响.研究结果表明:与水平湍流相比...     

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。     

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。     

利用CALIPSO卫星数据对大气气溶胶的去偏振度特性分析研究

应用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)卫星数据,对大气中的气溶胶等目标进行了去偏振度计算及分析.结果表明,目标后向散射去偏振度信息,能够很好表征大气气溶胶的构成种类、目标特征、垂直高度分布等特性.气溶胶的去偏振特性,为大气气溶胶的特性与分布情况等研究提供了新的方法与定量化参考参数.CALIPSO数据研究方法和结果,对全球气候变化原因、大气污染、沙尘暴等研究有重要的参考价值.     

气溶胶对天空光偏振分布的影响

研究了气溶胶对大气偏振分布的影响。基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,对不同气溶胶条件下的偏振分布模式进行了仿真。利用图像式测试系统,对实际大气条件的偏振模式进行了测试,分析了气溶胶质量浓度变化对偏振模式的影响。结果表明,偏振度受气溶胶质量浓度的影响较大,随着气溶胶质量浓度的升高,偏振度不断变小。当PM10的质量浓度由27μg/m~3增加到53μg/m~3再增加到103μg/m~3,PM2.5的质量浓度由9μg/m~3增加到28μg/m~3再增加到66μg/m~3时,最大偏振度值平均减小了约25%。气溶胶对偏振方位角几乎没有影响,偏振方位角的分布稳定。     

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。     

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。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

基于洛匈棱镜的偏振度测量与空间退偏度分析方法研究

空间平均型退偏要求退偏后的光束不仅具有低偏振度,还要求避免偏振态的空间带状连续分布.为了实现光束偏振度的测量和空间退偏度的观察,提出基于洛匈棱镜的偏振度测量方法,理论推导了偏振度和各个光功率测量值之间的关系,设计了实验装置,并与全偏振度测量方法进行对比.结果显示:两种测量方法得到的偏振度相对偏差为0.192%,但洛匈棱镜能将o光和e光在空间分离,能对光束偏振态的空间分布进行观测.基于洛匈棱镜的偏振度观测方法结构简单,操作方便,在偏振度和偏振态的空间分布的同时观测中有重要应用.     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究

为解决红外伪装对传统热成像系统的干扰问题,达到在战场上识别红外伪装目标的目的,提出一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法。红外偏振图像的获取通过扫描机构对4个固定放置的偏振片选通实现。实验结果表明,该方法可以4帧/s的频率实现对场景红外偏振度图像的获取。得到的红外偏振度图像与原始红外辐射强度图像相比,灰度均值提高了14%、灰度标准差提高了42%、平均梯度提高了98%。     

不同调制方式下偏振度与偏振模色散的关系

给出了偏振度与偏振模色散关系的理论模型,分析了非归零和归零两种调制方式下的偏振度与偏振模色散关系特性,结果表明偏振度町以作为实时检测偏振模色散的信号;且偏振度对偏振模色散的有效检测范围不大于调制光信号的占空比α,同时检测灵敏度与有效检测范围成反比;在非归零调制时偏振度对偏振模色散的有效检测范围最宽,为调制光信号的一个调制周期,是常规归零调制(占空比为0．5)时的2倍,但灵敏度只有常规归零调制时的一半。进一步探讨了在实际应用中改善偏振度对偏振模色散的有效检测范围和灵敏度的方法。实验验证了非归零调制时偏振度与偏振模色散关系特性。     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.