基于偏振信息的海面太阳耀光抑制

太阳耀光干扰严重阻碍遥感领域中目标信息的有效提取,为实现复杂海面背景中水下军事目标的全天候全天时监测,针对无人机载平台,提出基于偏振信息的海面太阳耀光抑制方法。利用太阳耀光和目标信息光的偏振特性差异构建光成分解耦分离模型、选择非饱和偏振图像组解算场景全域偏振信息,使用穆勒矩阵形式的太阳耀光归一化反射率求解太阳耀光的偏振态空间分布;提出光源-水下目标-探测器偏振态传输模型以求解目标信息光偏振度,并根据被动水下成像物理模型,利用水体衰减系数对目标信息光偏振度进行修正;最终实现波动水面的反射太阳耀光抑制。实验结果表明:对于户外真实波动水面场景,耀光抑制图像的区域对比度和图像信杂比相较于90°偏振图像分别提升25.3%和78.4%。本文方法可有效增强太阳耀光干扰下的水下目标表征,从而助力我国挺进深蓝、向海而兴。

真实海洋表面的太阳耀光偏振辐射特性仿真与分析

由于镜面反射的原因,海洋表面呈现反射强烈的太阳耀光。水体本身属于低反射率的暗目标,太阳耀光成为水体航空航天遥感图像中的噪声;太阳耀光具有强偏振的特点,经过计算可以作为评价在轨传感器偏振指标的替代定标标准光源;也可以用来计算气体成分或者反演气溶胶参数。无论是去除噪声还是获取标准光源,都需要精确计算其辐射特性物理参数。文章首先采用Cox&Munk模型建立真实海洋表面的三维场景,根据考虑偏振的菲涅尔反射定律,推导了太阳耀光偏振辐射模型,并分析了天顶角、太阳-观测相对方位角、风速、风向等参数对反射率及偏振度的影响规律。通过太阳耀光偏振辐射特性分析为偏振定量遥感中计算太阳耀光相关参数提供了理论基础。

太阳耀光的偏振分析

在水质遥感中,消除水表的太阳耀光是从遥感数据中获取水体信息的关键步骤.通过计算在不同风速和不同太阳天顶角的条件下太阳耀光的偏振度和反射率,分析了利用平行偏振片消除太阳耀光的效果.计算结果表明,当传感器以较小的天顶角对水面进行观测时,偏振片对太阳耀光的过滤作用有限.但是当太阳天顶角较大,传感器在太阳的镜面反射方向附近对水面进行观测时,平行偏振片可以显著地消除水表的太阳耀光.尤其当风速较大时,太阳耀光散布范围大,难以完全回避,此时平行偏振片可以有效地削弱耀光,凸现离水辐射信号,有望提高水体信息提取的精度.

航空水色遥感中太阳耀光信息提取及消除方法的研究

利用大气和水体的辐射传输方程推导出太阳光的菲涅耳反射模式，在合适的参数条件下计算出试验海区的太阳耀光。对照机载成像光谱仪资料中太阳耀光的分布情况，提取出该资料中太阳耀光的信息，比较成功地消除了太阳耀光的影响。分析了太阳耀光的产生情况与有关参数的关系。

海面太阳耀光背景下的偏振探测技术

为了实时抑制太阳耀光对海面目标探测的影响,基于偏振光学理论,设计并构建了一套偏振自适应滤波探测系统。本文介绍了偏振探测系统的功能和组成、偏振探测及背景抑制原理,并给出了该系统的光学设计结果;利用自适应偏振滤波探测系统,通过搭载望远镜跟踪试验平台,针对海上典型目标,开展了相关的偏振验证实验。实验结果表明:海面太阳耀光存在比较明显的偏振特性,采用常规探测手段,探测器极易出现饱和,而利用偏振探测技术则能够有效抑制太阳耀光的影响,进而实现目标的有效探测。

遥感探测中太阳耀光方位的定位方法

为了在大气遥感探测中准确实时定位太阳耀光的方位,提出了在轨道系下太阳耀光点方位的优化定位方法。方法以星上轨道六要素作为输入,利用惯性系下太阳、卫星和耀光点位置的几何关系,基于二分法迭代计算惯性系耀光点的矢量位置,进而通过坐标变换求解出轨道系下太阳耀光点矢量。为验证所提出方法的准确性,以某气象卫星上的大气探测仪为载体,在相同输入条件下,与STK软件计算结果相比,角度偏差小于0.4°,小于耀光点定位的最大允许误差,能够满足观测要求。对比结果验证了所提出的太阳耀光方位的定位方法的正确性和有效性,可成功实现耀光点的精确捕获和跟踪观测,为更准确计算海面上的大气成分或反演气溶胶参数提供了技术手段。

太阳耀光偏振参数星上计算系统设计

太阳耀光影响光学遥感成像质量,可采用在探测器前加装偏振片的方式进行抑制,抑制效果取决于太阳和遥感器的相对位置以及偏振片的偏振方向。为实时准确地获取太阳耀光偏振信息,本文在星载大气校正仪上设计了一套星上太阳耀光偏振参数计算系统,利用大气校正仪670 nm波段的0°,60°,120°三个通道偏振图像实时计算耀光参数,并使用基于6S大气辐射传输模型的耀光参数建立晴空海洋偏振双向反射分布函数查找表,排除受云干扰的图像像元,最后利用实时探测数据进行高精度太阳耀光偏振方位角计算。系统以V5系列的现场可编程门阵列为计算平台,使用高层次综合工具进行算法的硬件实现,并在实验室内进行了实验验证。实验结果表明,系统计算偏振角误差与真实值相比在0.5°以内,在100 MHz主频时钟下一组25×25像元的数据计算时间消耗为19.47281 ms,FPGA资源使用率为41%。

偏振与多角度遥感中的太阳耀光剥离

水面镜面反射会产生太阳耀光,直接影响水体遥感信息的提取和利用。光在与物体相互作用的过程中,不仅其强度会发生变化,而且偏振状态也会发生变化。结合这两种情况,利用偏振反射的变化来消除太阳耀光。从理论上推导了偏振反射消除太阳耀光的可能性,实验测定了自来水和汽油在2π空间中的偏振反射光谱,分析了光线入射角、探测角、探测方位角、偏振角等因子与液体偏振反射比的普适关系。实验证明,当太阳处在一定的天顶角时,通过设置偏振角可以成功的消除太阳耀光的影响。

偏振在多角度遥感中的太阳耀光消除的应用

在进行水色遥感时,水面的镜面反射产生的太阳耀光,影响水体信息的提取和利用。以前的研究表明,当入射角为水体的布儒斯特角时,偏振可以消除太阳耀光,但是这种方法条件过于苛刻,现实中很难实现。针对这种情况,推导了自然光入射到水面后其反射光的偏振状态以及光线入射角与水体偏振度的关系。理论上证明了以非布儒斯特角入射时偏振消除太阳耀光的可能性,计算了从各个角度入射到纯净水体表面太阳耀光剥离的程度,实验验证了结论。

多角度偏振遥感中太阳耀光剥离的深入研究

太阳耀光一直是困扰水质遥感的突出问题。传统的利用光的偏振性剥离太阳耀光的方法只有当太阳光以水的布儒斯特角入射时才能实现,因此该方法在实际应用中受到了极大的限制。通过深入研究光产生偏振现象的物理机理,找到了在任意入射天顶角情况下通过偏振测量去除太阳耀光的方法,并得到了较为满意的实验验证,使得在向多角度偏振遥感中太阳耀斑剥离的实际应用又迈进了一步。

基于偏振辐射图融合的水面太阳耀光抑制方法

提出一种基于偏振辐射图融合的太阳耀光抑制方法。采用同时偏振成像技术对耀光水面进行偏振测量,获得0°、45°、90°3个方向的偏振辐射图。在耀光受到最强抑制的偏振辐射图中选择残留强耀光区域,计算其Stokes参量,生成区域耀光抑制偏振辐射图。将所选偏振辐射图与区域耀光抑制偏振辐射图融合,进一步抑制耀光强度。室内实验结果表明,该方法可有效抑制耀光,消除图像的饱和像素,获得的融合图的亮度比强度图更加均匀,目标细节和轮廓信息更清晰,目标相对耀光背景的对比度显著提高。

基于中红外偏振的海面太阳耀光背景下的目标探测

针对海面太阳耀光背景下传感器受到强干扰而无法有效探测的问题,本文提出了太阳耀光场景下的自适应偏振探测方法。根据太阳耀光辐射分量的偏振特性,本团队设计了单/双偏振片观测模式,搭建了中红外偏振探测系统。先根据计算得到的不同场景下的耀光辐射,切换相应的工作模式进行耀光抑制,以增强目标在图像中的对比度;然后结合图像处理滤波算法,对不同太阳耀光背景下的船体目标进行有效探测。两种工作模式被用于太阳耀光抑制实验:针对远距离、近布儒斯特角观测实验场景,选择单偏振片观测模式即可有效凸显目标,然后结合形态学滤波算法就可实现目标探测;针对近距离、近水平角观测实验场景,选择双偏振片观测模式,可在有效抑制太阳耀光水平分量的同时对残留的垂直分量进行抑制,然后结合管道滤波算法即可实现目标探测。野外实验结果表明,本文提出的两种偏振探测模式均可有效削弱不同场景下的海面太阳耀光辐射,有利于提升偏振系统对不同场景的适应能力。

基于偏振检测技术的海面太阳耀光抑制方法

为了更好地抑制太阳耀光对海面目标探测的影响,基于偏振检测技术并结合背景水体、太阳耀光与典型海洋目标三者之间的偏振特性差异提出了一种海面太阳耀光抑制方法。分析了观测天顶角、太阳天顶角对太阳耀光背景下海面目标偏振度以及海面目标与太阳耀光背景对比度的影响,结果表明,在晴朗天气下对海面目标进行探测时,背景辐射主要受太阳辐射从海面直接反射产生的辐亮度影响。可见光波长550nm与670nm对太阳耀光的抑制效果无明显差异,均在53°观测天顶角附近、50°~60°太阳天顶角方向以及太阳天顶角和观测天顶角之和为106°左右时对太阳耀光的抑制效果较好。该研究对于提升海面目标与太阳耀光背景图像的对比度以及海面太阳耀光背景下的目标检测效果具有重要意义。

偏振滤光结合多项式拟合的水面太阳耀光抑制方法

水面太阳耀光导致光学图像存在耀斑和舰船目标细节信息丢失。提出了一种偏振滤光结合多项式拟合的水面太阳耀光抑制方法。该方法基于水面太阳反射耀光的偏振特性,在成像光路中利用偏振片对耀光进行偏振滤光,对偏振滤光图像中的耀光区域采用多项式拟合估计进行修复。搭建了室外水面耀光偏振成像实验装置,采集得到水面耀光的偏振滤光图像,分别采用基于最小二乘法的多项式列方向曲线、行方向曲线、曲面、逐行多项式曲线拟合的方法对偏振滤光图像进行处理。实验结果表明:偏振滤光和逐行多项式拟合相结合的方法能够有效去除太阳耀光,使得处理后的图像亮度更加自然,既不包含饱和像素,又凸显舰船目标的细节信息。

耀光水体、非耀光水体和云层的多光谱遥感识别模型

太阳耀光水体和水云的光谱相似性导致绝大部分多光谱遥感图像云检测算法的太阳耀光信号误识别.选取对耀光水体、非耀光水体、水云、冰云光谱信息差异性和敏感性最大的红光波段及中红外波段,结合上述4类分类对象的遥感统计数据,从黑体辐射理论和云粒子微观物理性质出发,分析二维特征空间中不同类型水体和云层的辐射分布差异,提出利用多光谱遥感数据AVHRR识别不同类型水体和云层的红光-中红外光谱普适性分类模型.该分类模型对于多光谱遥感数据具有广泛适用性,可作为发展多光谱识别分类自动化算法的基础.

黄海浒苔灾害遥感立体监测

2008年夏天,浒苔在黄海、东海海域第一次大规模爆发,成为自然灾害,严重威胁了第29届青岛奥帆赛的正常举办。利用卫星、航空、船舶等不同平台的遥感方式对浒苔灾害进行实时、连续、动态的立体监测。首先介绍了立体监测系统的构成;然后在通过对浒苔、海水灾害现场光谱测量的基础上分析浒苔光谱特征,并结合多平台、多传感器、多光谱遥感数据的特点,建立了浒苔信息提取模型;最后对不同平台的遥感监测结果进行了比对,结合时间序列数据,分析了浒苔灾害演变趋势;通过第29届奥帆赛区及周边海域应急监测的应用,证明该立体监测系统方案的可行性。

水色遥感中偏振信息的研究进展

介绍了目前水色遥感中,水面反射光的偏振特性及其应用与水体散射光的偏振特性及其应用的研究进展。着重分析了基于偏振原理的水面反射光的剥离、海面溢油偏振遥感探测与基于水体物质偏振信息的水质参数反演等几个问题的研究现状;总结了在水色遥感信息流中,大气偏振校正、气-水界面偏振描述、基于偏振水质遥感反演、传感器偏振响应标定等各个环节入射光与出射光的偏振改变与响应机制等几个关键问题。

GF-5卫星多角度偏振成像仪在轨偏振定标

2018年5月,我国成功发射了高分5号卫星,其上搭载了多角度偏振成像仪。卫星载荷受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响,各种辐射特性发生变化,从而导致整个载荷辐射性能与在轨前的实验室定标结果之间存在一定偏差。基于海洋耀光对高分5号卫星多角度偏振成像仪的偏振测量定标的方法,并利用在轨测试期间数据,对载荷进行了初步的偏振辐射定标测试。测试结果表明,3个偏振波段(490, 670, 865 nm)线偏振度测量值与理论值有很好的一致性,平均偏差分别约为-0.03、-0.04、-0.01,载荷发射前后偏振测量状态未发生明显改变。基于自然目标的在轨替代定标方法,还可用于多角度偏振成像仪偏振辐射性能随时间变化情况的长期监测。

用于海面目标探测的中波红外实时偏振成像系统研究

海面的强镜面反射导致强烈太阳耀光,造成海面目标探测中目标丢失.针对该问题,利用渥拉斯顿棱镜的分光特性及海面杂波的偏振特性,设计了一种中波红外实时偏振成像系统,经分光在同一探测器上获得两幅偏振态相互正交的目标场景偏振子图像.并通过偏振子图像计算场景偏振度,结合目标与背景的偏振特性差异,为准确识别目标提供依据.结果表明,该系统能够有效抑制太阳耀光,并能够充分利用偏振度实现目标探测.

海洋B星水色仪辐射基准异常分析及修复算法研究

水色遥感产品的三要素为:叶绿素、悬浮物质和黄色物质。水色水温扫描仪(简称水色仪)作为海洋一号卫星的主载荷之一,设置了8个可见近红外探测通道,主要目的是获取全球的海色三要素分布产品,为全球海洋初级生产力分布研究提供数据。2007年发射的HY-1B星水色仪,作为零辐射基准的冷空位置在入轨初期即存在光污染,导致近红外探测通道深海水域信号出现截止,并且纬度越低冷空信号越大。为了研究此问题的存在机理并对B星水色仪的历史数据进行修复,在实验室对问题产生源的特性进行了验证,并对其影响机理进行了分析。通过获取C星水色仪耀光能量与太阳天顶角的关系,计算B星水色仪在不同太阳天顶角的耀光能量。根据辐射定标系数可得到耀光能量对应的信号码值和码值修复量。结果表明,该修复值与由太阳天顶角计算得到的能量成线性关系,并可用于对B星水色仪其他目标信号进行修复。该算法可用于对B星水色仪近9年的遥感数据的修复,为后续与同类海洋遥感仪器的数据比对并反演水色产品奠定了理论基础。