全天域大氣偏振模式實時測量系統(tǒng)設計與實現

1、全天域大氣偏振模式實時測量裝置,答 辯 人：孫潔指導老師：高 雋 教 授 范之國 副教授專 業(yè)：電子與通信工程,設計及實驗研究,內容安排,研究背景與意義,總結與展望,論文主要研究內容,1 研究背景與意義,,大氣偏振模式,是太陽光向地表傳輸過程中經介質的作用形成的一直相對穩(wěn)定的天空偏振分布具有對稱性、中性點等特點蘊含著方向、位置、介質屬性等環(huán)境信息,課題研究背景,應用價值,偏振光導航與定位,偏振

2、遙感,偏振探測,1 研究背景與意義,大量的影響因素的變化，無法通過理論模型直接描述因自然環(huán)境的影響，大氣偏振模式會形成一些獨特的分布規(guī)律。通過實際的觀測可進一步發(fā)現大氣偏振模式的變化規(guī)律,,課題研究背景,分析實際環(huán)境中，不同環(huán)境條件下的大氣偏振模式分布特點，研究其實際變化規(guī)律。,大氣偏振模式,大氣偏振模式觀測裝置,地表的返照吸收,大氣粒子的散射,大氣環(huán)境,時間信息,地理位置,地表環(huán)境,……,1 研究背景與意義,偏振觀測裝置研究現狀,

3、多光路同時測量,單光路分時測量,,特點：結構簡單、校準容易，時間分辨率低，適合靜態(tài)場景,特點：響應速度快、系統(tǒng)參數的標定比較復雜，適合動態(tài)場景,內容安排,系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)誤差分析與標定 系統(tǒng)的有效性分析 外場實驗與分析,論文主要研究內容,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的設計,,,全天域大氣偏振模式實時測量裝置,系統(tǒng)需求分析,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的設計,,全天域場景,,調整光路，二次聚焦,,選擇研究的波段,調整光路焦距，輸出最優(yōu)光

4、路,,,分光，實現三路通道同步成像,系統(tǒng)硬件模塊,系統(tǒng)軟件模塊,,,外圍硬件控制，設置硬件參數,,,獲取并訪問實驗數據,,系統(tǒng)方案設計,,,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的設計,波段選擇：350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段,對硬件模塊光路進行仿真,裝置元件型號,全天域大氣偏振模式實時測量裝置的硬件模塊,硬件結構設計,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的設計,硬件結構設計,全天域大氣偏振模式實時測量裝置的防護模塊

5、,,裝置防護模塊,遮擋太陽直射光,裝置的防護,裝置頂端鏡頭的防護,裝置的安裝拆卸,自動控制,,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的設計,,控制相機，設置參數，采集數據,,存儲數據，錄入數據庫，實現數據管理,,設置實驗前的其他外圍硬件參數,,網絡通信，監(jiān)聽客戶端，實現遠程控制,,處理后數據顯示模塊，觀測實驗結果,,采集數據的顯示模塊，實時觀測場景變化,,功能執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū),軟件功能模塊,軟件結構設計,軟件通過通信線路控制硬件模塊，采集天空偏振圖像

6、并對采集數據處理，最終輸出大氣偏振模式（由偏振度和偏振角來表征）。,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)誤差分析與標定,系統(tǒng)分析,光束經分光棱鏡分光過程中，存在分光比問題，導致輸出圖像之間亮度存在誤差,誤差源：,三路通道中偏振片的實際方向并不等于理論方向；,三路通道中CCD安裝位置存在差別，導致輸出圖像的場景之間存在像素偏差；,系統(tǒng)各組件連接組成的系統(tǒng)存在一個傳輸矩陣，需要標定；,,,,,,,,,系統(tǒng)傳輸矩陣,標定方法：通過拍攝棋盤格靶標，利用H

7、arris算法提取三通道圖像的特征點，并與通道一中同一特征點進行對比分析，獲得特征點的像素偏差。,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)誤差分析與標定,系統(tǒng)標定,1.三路通道CCD之間的像素偏移配準,2.偏振片的偏振化方向誤差標定,標定方法：利用已知方向的偏振片作為起偏器，旋轉起偏器的偏振方向，獲取同一均勻輸入光源下三通道圖像的最大響應時起偏器的偏振方向，根據馬呂斯定律，求得實際方向。,,j通道圖像相對于1通道的偏差,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)誤差

8、分析與標定,系統(tǒng)標定,3.系統(tǒng)三通道圖像亮度標定,標定方法：利用已知方向的偏振片作為起偏器，分別旋轉起偏器的偏振方向至三通道偏振片的偏振方向，獲取同一均勻輸入光源下三通道圖像最大響應并求解各響應均值。,表示在不同的曝光時間、不同光圈下二三通道相對于一通道的圖像強度比值,根據標定結果可知，三通道圖像亮度跟曝光時間、光圈有一定關系，在實驗的過程中，需根據相應的實驗參數選擇對應的亮度比。,4.系統(tǒng)傳輸矩陣標定,標定方法：由已知方向的偏振片作為

9、起偏器，旋轉起偏器的偏振方向，分別獲取三個不同線偏振光下三通道圖像，用Stokes矢量儀獲取線偏振光的Stokes矢量，根據系統(tǒng)測量原理即可求解穆勒矩陣。,實測的大氣偏振模式中，偏振度、偏振角圖像具有對稱性分布，其中，偏振角有“∞”形態(tài)，與Rayleigh仿真結果一致，驗證了測量裝置的可靠性。,,,,,,,,,外場實驗參數,2 論文主要研究內容：系統(tǒng)的有效性分析,1.系統(tǒng)指標測試,2.外場偏振信息測量,驗證方法：利用全天域大氣偏振模式觀

10、測系統(tǒng)在理想天氣條件下開展外場的大氣偏振模式獲取實驗，將實驗結果與瑞利仿真模型進行對比，分析實測結果的可靠性。,,2 論文主要研究內容：外場實驗與分析,分析波長對大氣偏振模式的影響,分析云、霾等散射介質的影響,分析湖泊、草地等地表環(huán)境的影響,外場實驗,實測的天空偏振度及偏振角分布具備Rayleigh模型仿真的分布特點，與Rayleigh模型比較接近；不同波段下偏振模式分布隨著波段發(fā)生變化，其中520nm下偏振模式分布和Rayleigh模

11、型最為接近。,,,,,,,,,2 論文主要研究內容：外場實驗與分析,波長對的偏振模式分布的影響,,,,,,,,,2 論文主要研究內容：外場實驗與分析,云、霾等散射介質的影響,隨云層增加，偏振度分布不再滿足對稱性；偏振角分布中一直保持著基本“∞”形態(tài)，呈反對稱分布。,隨著霧霾濃度的增大，偏振度分布不再滿足對稱分布規(guī)律，偏振角的中心軸偏離理論中心軸，其霧霾濃度越大，誤差越大。,隨著大氣環(huán)境中云、霾等散射介質的變化，大氣偏振模式發(fā)生變化，其中

12、，偏振度分布的變化最為明顯。,多云天氣下,晴朗有霾天氣下,,,,,,,,,2 論文主要研究內容：外場實驗與分析,,鹽湖草原地表下的大氣偏振模式分布,湖泊、沙丘與草原地表下的偏振模式分布,湖泊、草地等地表環(huán)境的影響,地表環(huán)境對大氣偏振模式有一定影響，影響程度跟地表反照率有關，在研究大氣偏振模式分布特點的過程中，需考慮地表環(huán)境的影響，尤其地表反照率差別較大地表。,內容安排,研究背景與意義,總結與展望,論文主要研究內容,3 總結與展望,工作總

13、結,,設計了一種全天域偏振測量裝置，實現了全天域、多波段條件下對大氣偏振模式的自動獲??；,對全天域偏振測量裝置進行了詳細的分析和標定，通過對標定后裝置的測試，驗證了系統(tǒng)的有效性。,開展了外場分析實驗，結果表明，不同波段下偏振模式分布不同，大氣及地表環(huán)境對大氣偏振模式的影響，與介質屬性有關。,研究展望,調整全天域偏振測量裝置的研究波段，進一步分析近紫外波段下大氣偏振模式的變化特點。,結合大氣光學理論，定量分析環(huán)境因素對大氣偏振模式的影響，

14、建立影響因子與大氣偏振模式之間的關系。,研究生期間主要科研工作與成果,學術論文,孫潔, 高雋, 懷宇, 畢冉, 范之國. 全天域大氣偏振模式的實時測量系統(tǒng)[J].光電工程.（已錄用）懷宇, 范之國, 孫潔, 吳良海, 徐少罕. 三通棱鏡同時偏振測量系統(tǒng)的標定[J].光電工程,2015,42(11):18-24.,發(fā)明專利申請,范之國, 孫潔, 懷宇, 鄭驪昂, 高雋. 一種全天域大氣偏振模式的自動測量系統(tǒng). 申請?zhí)枺?0151005