全天域大氣偏振模式實時測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、全天域大氣偏振模式實時測量裝置,答 辯 人：孫潔指導(dǎo)老師：高 雋 教 授 范之國 副教授專 業(yè)：電子與通信工程,設(shè)計及實驗研究,內(nèi)容安排,研究背景與意義,總結(jié)與展望,論文主要研究內(nèi)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(jīng)介質(zhì)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(zhì)屬性等環(huán)境信息,課題研究背景,應(yīng)用價值,偏振光導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)狀,

3、多光路同時測量,單光路分時測量,,特點：結(jié)構(gòu)簡單、校準容易，時間分辨率低，適合靜態(tài)場景,特點：響應(yīng)速度快、系統(tǒng)參數(shù)的標定比較復(fù)雜，適合動態(tài)場景,內(nèi)容安排,系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)容,2 論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計,,全天域場景,,調(diào)整光路，二次聚焦,,選擇研究的波段,調(diào)整光路焦距，輸出最優(yōu)光

4、路,,,分光，實現(xiàn)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(shè)置硬件參數(shù),,,獲取并訪問實驗數(shù)據(jù),,系統(tǒng)方案設(shè)計,,,2 論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計,2 論文主要研究內(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計,硬件結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計,,控制相機，設(shè)置參數(shù)，采集數(shù)據(jù),,存儲數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理,,設(shè)置實驗前的其他外圍硬件參數(shù),,網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)聽客戶端，實現(xiàn)遠程控制,,處理后數(shù)據(jù)顯示模塊，觀測實驗結(jié)果,,采集數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)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(nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與標定,系統(tǒng)分析,光束經(jīng)分光棱鏡分光過程中，存在分光比問題，導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)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(zhuǎn)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(yīng)時起偏器的偏振方向，根據(jù)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(nèi)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(zhuǎn)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(yīng)并求解各響應(yīng)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(jù)標定結(jié)果可知，三通道圖像亮度跟曝光時間、光圈有一定關(guān)系，在實驗的過程中，需根據(jù)相應(yīng)的實驗參數(shù)選擇對應(yīng)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(zhuǎn)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(jù)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(jié)果一致，驗證了測量裝置的可靠性。,,,,,,,,,外場實驗參數(shù),2 論文主要研究內(nèi)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(jié)果與瑞利仿真模型進行對比，分析實測結(jié)果的可靠性。,,2 論文主要研究內(nèi)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(zhì)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(nèi)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(nèi)容：外場實驗與分析,云、霾等散射介質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(guān)，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(nèi)容安排,研究背景與意義,總結(jié)與展望,論文主要研究內(nèi)容,3 總結(jié)與展望,工作總

13、結(jié),,設(shè)計了一種全天域偏振測量裝置，實現(xiàn)了全天域、多波段條件下對大氣偏振模式的自動獲取；,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(jié)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(zhì)屬性有關(guān)。,研究展望,調(diào)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(jié)合大氣光學(xué)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(guān)系。,研究生期間主要科研工作與成果,學(xué)術(shù)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