Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测

太阳光经过地球大气散射所形成偏振分布的模型与预测在仿生偏振导航传感器系统中起着关键作用。研究了天空中偏振光的产生机理,天空中偏振光的分布模式。根据Rayleigh散射理论和天文学知识,利用C++语言和OpenGL软件开发包在VC环境下进行编程工作,完成了太阳视位置,天空中观测方向光束的偏振方位角和偏振度信息,以及斯托克斯参量的计算。建立了2维、3维球面模型,能够实时动态仿真太阳视位置的运动,全天空偏振光分布模式的变化。与文献中的实际测量比较,表明计算模型准确有效。

基于Snell窗及偏振模式的水下载体航姿测量

提出了一种在水下通过Snell窗获得偏振分布模式与天顶点坐标,进而得到水下载体的航姿信息(即航向角、横滚角与俯仰角)的方法。在载体上安装鱼眼镜头与偏振相机,在水下拍摄天空,得到偏振角分布模式。建立小孔成像模型得到相机的内外参数矩阵以及镜头畸变系数,对偏振角分布模式进行畸变校正,进而得到太阳子午线特征区域,使用Canny算子检测得到特征区域边缘,由霍夫直线检测算法计算出太阳子午线与水下载体体轴夹角,得到航向角。通过实验得到不同光入射角与偏振角误差的函数关系,进行误差补偿,减小由于鱼眼镜头改变入射光偏振态带来的偏振角测量误差,进而提高太阳子午线与水下载体体轴夹角的测量精度。利用灰度阈值检测算法筛选出图像中的天顶点坐标,进而计算载体的横滚角与俯仰角,经过实验验证了算法的准确性。搭建了模拟水下环境的实验平台,实验结果表明:该方法得到的航向角平均绝对误差为0.5303°。在[-50°,50°]角度范围内,横滚角与俯仰角平均绝对误差为0.7544°与0.6213°,满足水下导航的精度需求。

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。

星光成像的大气影响研究(Ⅰ):天空偏振

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一,研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据,计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性,结合大气矢量辐射传输模型,研究了天空背景在近红外波段的偏振特性,获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性,分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明:使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度,可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时,选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。

一种大气偏振光分布模式优化仿真方法

提出并实现了一种大气偏振光分布模式优化仿真算法。为了提高大气偏振成像等应用的运行效率,利用四叉树对半球空域的偏振光分布模式进行三维划分、组织,提出了近似优化偏振光分布位置、强度的方法,给出了具体的半球空域偏振光分布建模过程、分析。最后,结合PG偏振成像算法给出了三组不同参数的大气偏振光分布优化仿真,并给出偏振光分布仿真结果及偏振图像的对比分析。仿真结果表明,利用大气偏振光分布模式优化仿真方法,能提供较高的基于设定参数方式的用户交互性能,能有效降低相关偏振成像应用的运行时间,提高仿真效率,并且得到的偏振图像灰度分布偏差变化较小。

粗糙表面偏振二向反射分布函数的影响参数及其反演

针对目标偏振二向反射特性研究中模型参数难以准确确定的问题,分析了粗糙表面偏振二向反射分布函数的影响参数,并通过理论推导和仿真计算,研究了各参数对粗糙表面散射特性的作用机理。总结分析了现有参数反演方法,针对现有方法存在的理论缺陷,在P-G(Preist-Germer)模型的基础上,提出了利用"相对偏振分量-角度"的相关关系进行参数反演的方法,设计了参数反演算法,进行了标准反射板和绿漆表面的偏振二向反射特性测试实验,并根据实验数据进行了参数反演和模型验证。实验结果表明,改进的参数反演方法可准确反演所有模型参数。利用反演参数进行模型验证,结果显示模型预测数据与实验数据具有较好的吻合度,验证了模型的准确性。

目标粗糙表面偏振二向反射分布函数实验研究方法改进

由于利用传统pBRDF(polarimetric Bidirectional Reflectance Directional Function,偏振二向反射分布函数)的测试方法效率较低,精度不高,难以满足研究需要,因此基于自主研发制造的二维转台系统,设计了散射光Stokes参量及pBRDF矩阵的新的测试方法,以提高测试效率和精度。该方法将单点测试次数由传统方法的16次降低到4次,测试效率更高,根据Muller矩阵的对称性进行数据处理,反演精度更高。设计了实验验证方法。验证实验的实验对象包括标准反射板、绿色功能涂层。实验结果验证了所提测试方法的准确性及有效性,为今后目标粗糙表面pBRDF模型的改进提供了高精度的实验支撑。此外,分析实验数据可知,反射光的强度曲线与偏振分量曲线区别较大,因此使用偏振成像探测技术可有效提高目标探测和识别的能力。

粗糙表面反射偏振特性的研究进展

不同粗糙表面反射偏振特性的明显差异为目标探测与识别奠定了基础,其研究受到不同领域的广泛重视。基于粗糙表面反射原理和反射偏振理论模型,对粗糙表面反射偏振特性的研究进展进行了深入且详尽的归纳与总结。对粗糙表面反射光偏振特性与入射角度、入射光波长、表面粗糙度等属性之间的关系进行了对比分析,并在此基础上对粗糙表面反射偏振特性的应用前景作出了阐述。最后,针对粗糙表面反射偏振研究目前存在的问题与未来发展给出了思考。

基于改进偏振双向反射分布函数的海面场景红外偏振成像仿真

为解决传统偏振双向反射分布函数计算复杂、渲染实时性差的问题,基于微平面理论,提出一种更快速的偏振双向反射分布函数模型,并完成全链路的成像仿真。依据P-M海浪谱生成海面,设计了适用于偏振仿真的三维数据存储结构,讨论了探测器接收到的有效辐射并建立辐射控制方程,提出用宏观面元法向与探测方向中间向量代表微观面元平均取向的假设,改进传统P-G偏振双向反射分布函数模型。建立了海面与舰船的定向半球偏振反射率与发射率模型,最后对探测器进行建模,生成海面与舰船的图像,计算出偏振度图像,并与相近条件下获取的实拍图像进行了对比。结果表明,基于该仿真模型得到的仿真图像,与相近条件下获取的实测图像有良好的匹配度,证明了模型的准确性。

径向偏振光纯度检测及偏振态分布特性评价

光束横截面内偏振态分布均匀性是影响径向偏振光光束质量及其实际应用的关键因素。通过PBS测量法、狭缝法和S波片法三种方法对径向偏振光偏振纯度进行测量和对比,分析了径向偏振光偏振态在横截面内分布均匀性。在PBS测量法和狭缝法测量径向偏振光过程中,给出了径向偏振光纯度表达式,分别测得径向偏振光纯度为93.4%和84.1%,并引入方差公式评价径向偏振光偏振态分布均匀特性。其中PBS测量法表达径向偏振光纯度更为准确,狭缝法可以通过比较不同区域偏振度更精确地反映径向偏振光偏振态分布特性。S波片法可以使用市场现有偏振分析仪间接测量径向偏振光纯度,更适应于测量径向偏振光在放大过程中偏振态变化情况。

辐射耦合效应对目标红外偏振特性的影响

红外偏振成像技术具有探测距离远,目标识别率高等多种优势,但在复杂环境下目标偏振特性易受背景辐射影响,使得红外偏振设备的探测能力大幅降低。本文基于偏振双向反射分布函数,综合考虑目标和背景间的辐射耦合效应,建立了目标偏振度计算模型。对比研究了有强辐射背板和无强辐射背板两种情况下目标偏振度的变化情况,并针对陆基和机载探测等小角度探测情况,仿真研究了目标和背板的温度、夹角等参数对目标偏振度的影响规律。研究结果表明:目标和背板温度相同时,辐射耦合效应会显著降低目标的偏振度,但不会改变目标偏振度随温度升高而增大的趋势。当目标和背板温度为30℃、40℃和50℃时,目标偏振度的最大值分别为无强辐射背板时的63.7%、44.9%和42.2%。可见温度越高,目标和背板间的辐射耦合效应越强,目标偏振度降低的比例越大。此外,辐射耦合效应的强弱不仅与温度有关,还与目标和背板的夹角有关。随着夹角的增大,目标偏振度先增大后减小,且在夹角约为105°处取得极大值。因此,辐射耦合效应会在一定程度上改变目标偏振度,从而影响红外偏振设备的探测能力。最后,通过搭建的长波红外偏振成像系统,对建立的目标偏振度计算模型进行了实验验证,实验结果与仿真分析结果基本一致。本文研究成果对提升陆基和机载红外偏振设备的探测和识别能力具有一定的指导意义。

基于双向反射分布函数的海面红外偏振特性表征模型

针对红外波段下海面偏振特性建模的问题,在双向反射分布函数的基础上,建立了海面微面元的偏振双向反射分布函数模型。综合考虑了海面的自发辐射效应和反射效应对探测器接收辐射的影响,提出了一种新的海面红外偏振特性表征模型。利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换计算了海面的高度场信息和斜率信息。数值计算了不同观测天顶角和不同风速下海面自发辐射的线性偏振度,以及不同入射天顶角下海面反射辐射的线性偏振度,仿真生成了海面和舰船的红外偏振图像。仿真数据与文献数据的对比分析表明,本文所建立的红外偏振特性模型适用于分析海面的红外偏振特性。与传统的红外强度图像相比,红外偏振图像可以提供更多关于海面的细节信息。同时,目标与海面的偏振特征差异更明显,对比度更高。所提出的海面红外偏振特性表征模型对海上目标的探测识别应用具有重要的意义。

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.

基于一种随机粗糙表面构型的偏振双向反射分布函数

针对PG模型预测粗糙表面材质偏振特性存在较大误差的问题,通过分析镜面微元组合的模型基础假设、建模过程、反演拟合结果,定位了PG模型误差存在的原因;提出了随机粗糙表面为半球形微元组合的新假设,基于表面精细结构下倏逝波存在的物理事实,忽略穿透深度和相位延迟的影响,建立了等效球形粒子组合的新构型;在此基础上,构建了新的表面反射模型,细化了材质内部的散射模型,形成了新的pBRDF模型;在实验室全谱光源照射下,获得了材质的多光谱偏振二向反射数据,进行了PG与新模型的性能对比分析。结果表明,新模型强度维和偏振维的误差约为PG模型的35%和59%。

OCDP技术在分布式偏振耦合测量中的应用（英文）

为了获得干涉式光纤陀螺用光纤环的分布式偏振耦合特性,采用光相干域偏振检测(OCDP)技术进行了测量。实验结果表明,利用OCDP技术可以获得光纤环偏振耦合点的空间分布和耦合强度。通过对实验结果的分析,观测到了由光纤环缺陷点引起的大偏振耦合点。根据正反向测量中由绕环中点处应力致偏振耦合点对应的扫描长度,计算得到了光纤环关于绕环中点的对称性。测试了光纤环分布式偏振耦合的温度依赖性,结果表明不同温度下光纤环偏振耦合的差异与绕环胶的固化方法有关。通过对不同温度下有骨架光纤环和无骨架光纤环的分布式偏振耦合特性分析表明:在任何温度下,无骨架光纤环都获得了沿光纤长度分布更加均匀的偏振耦合。

偏振双向反射分布函数模型研究进展

对国内外偏振双向反射分布函数模型进行了归纳总结,认为:目前各个模型都依赖基于实验测量的任意角度下的穆勒矩阵,导致偏振双向反射分布函数缺乏按照电磁理论推导的物理来源。从物理本质出发,提出了未来偏振双向反射分布函数模型的发展趋势,通过理论推导研究所有影响目标偏振特性的内部本质属性和外界环境因素,找出他们对偏振特性产生影响的规律,进而揭示产生目标偏振特性的最本质原因。

基于偏振反射模型和随机森林回归的叶片氮含量反演

叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程,有重要的研究意义。利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用,但其反演精度不能完全满足精细农业的需要,有一定提升空间。叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响,机理误差主要来源于叶片表面反射。传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射,又包含叶片表面镜面反射部分,只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的,由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射,因此该部分并不携带叶片内部信息。根据菲涅尔定律,叶表镜面反射是部分偏振的,而内部散射是非偏振的,因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响,以消除机理误差。算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。比较了偏最小二乘法、主成分回归、支持向量机、K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现,在调整算法参数之后,选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。以常绿针叶林、落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象,利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型,用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率;从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差,以实现叶片氮含量的精确反演。以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论:在高光谱叶片氮含量反演中,消除偏振反射率带来的机理误差后,各算法反演精度均有提升,平均提升了4.244%。其中,随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803,均方根误差达到0.252),且对光谱偏振信息最为敏感,去除偏振后精度提高了13.103%。相比于广泛使用的偏最小二乘算法,去除光谱机理误差并减小反演算法误差后,叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演,证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性,体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。

一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置

模仿昆虫偏振导航机理,设计了成像式仿生偏振导航传感装置样机。研究了天空光偏振分布模型,分析了成像式仿生偏振导航传感装置工作原理。解决了一般探测装置解算偏振参数需要上位机辅助的问题,使用CMOS图像传感器和数字信号处理器,实时输出导航角度。进行了室内、室外装置性能测试,获得了3个方向偏振分量标准化强度曲线。实验结果表明：传感装置室内外角度测量误差分别为-0.8°~0.3°,-1.2°~1.4°,能够较高精度地输出导航角度,可以满足实时导航定位的需要。