1、全天域大气偏振模式实时测量装置,答 辩 人：孙洁 指导老师：高 隽 教 授范之国 副教授 专 业：电子与通信工程,设计及实验研究,内容安排,研究背景与意义,总结与展望,论文主要研究内容,1 研究背景与意义,大气偏振模式,是太阳光向地表传输过程中经介质的作用形成的 一直相对稳定的天空偏振分布 具有对称性、中性点等特点 蕴含着方向、位置、介质属性等环境信息,课题研究背景,应用价值,偏振光导航与定位,偏振遥感,偏振探测,1 研究背景与意义,大量的影响因素的变化，无法通过理论模型直接描述 因自然环境的影响，大气偏振模式会形成一些独特的分布规律。 通过实际的观测可进一步发现大气偏振模式的变化规律,课题研
2、究背景,分析实际环境中，不同环境条件下的大气偏振模式分布特点，研究其实际变化规律。,大气偏振模式,大气偏振模式观测装置,地表的返照吸收,大气粒子的散射,大气环境,时间信息,地理位置,地表环境,1 研究背景与意义,偏振观测装置研究现状,多光路同时测量,单光路分时测量,特点：结构简单、校准容易，时间分辨率低，适合静态场景,特点：响应速度快、系统参数的标定比较复杂，适合动态场景,内容安排,系统的设计系统误差分析与标定系统的有效性分析外场实验与分析,论文主要研究内容,2 论文主要研究内容：系统的设计,全天域大气偏振模式实时测量装置,系统需求分析,2 论文主要研究内容：系统的设计,全天域场景,调整光路，
3、二次聚焦,选择研究的波段,调整光路焦距，输出最优光路,分光，实现三路通道同步成像,系统硬件模块,系统软件模块,外围硬件控制，设置硬件参数,获取并访问实验数据,系统方案设计,2 论文主要研究内容：系统的设计,波段选择：350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段,对硬件模块光路进行仿真,装置元件型号,全天域大气偏振模式实时测量装置 的硬件模块,硬件结构设计,2 论文主要研究内容：系统的设计,硬件结构设计,全天域大气偏振模式实时测量装置 的防护模块,装置防护模块,遮挡太阳直射光,装置的防护,装置顶端镜头的防护,装置的安装拆卸,自动控制,2 论文主要研究内容：系统的设计,控制
4、相机，设置参数，采集数据,存储数据，录入数据库，实现数据管理,设置实验前的其他外围硬件参数,网络通信，监听客户端，实现远程控制,处理后数据显示模块，观测实验结果,采集数据的显示模块，实时观测场景变化,功能执行状态显示区,软件功能模块,软件结构设计,软件通过通信线路控制硬件模块，采集天空偏振图像并对采集数据处理，最终输出大气偏振模式（由偏振度和偏振角来表征）。,2 论文主要研究内容：系统误差分析与标定,系统分析,光束经分光棱镜分光过程中，存在分光比问题，导致输出图像之间亮度存在误差,误差源：,三路通道中偏振片的实际方向并不等于理论方向；,三路通道中CCD安装位置存在差别，导致输出图像的场景之间存
5、在像素偏差；,系统各组件连接组成的系统存在一个传输矩阵，需要标定；,系统传输矩阵,标定方法：通过拍摄棋盘格靶标，利用Harris算法提取三通道图像的特征点，并与通道一中同一特征点进行对比分析，获得特征点的像素偏差。,2 论文主要研究内容：系统误差分析与标定,系统标定,1.三路通道CCD之间的像素偏移配准,2.偏振片的偏振化方向误差标定,标定方法：利用已知方向的偏振片作为起偏器，旋转起偏器的偏振方向，获取同一均匀输入光源下三通道图像的最大响应时起偏器的偏振方向，根据马吕斯定律，求得实际方向。,j通道图像相对于1通道的偏差,2 论文主要研究内容：系统误差分析与标定,系统标定,3.系统三通道图像亮度
6、标定,标定方法：利用已知方向的偏振片作为起偏器，分别旋转起偏器的偏振方向至三通道偏振片的偏振方向，获取同一均匀输入光源下三通道图像最大响应并求解各响应均值。,表示在不同的曝光时间、不同光圈下二三通道相对于一通道的图像强度比值,根据标定结果可知，三通道图像亮度跟曝光时间、光圈有一定关系，在实验的过程中，需根据相应的实验参数选择对应的亮度比。,4.系统传输矩阵标定,标定方法：由已知方向的偏振片作为起偏器，旋转起偏器的偏振方向，分别获取三个不同线偏振光下三通道图像，用Stokes矢量仪获取线偏振光的Stokes矢量，根据系统测量原理即可求解穆勒矩阵。,实测的大气偏振模式中，偏振度、偏振角图像具有对称
7、性分布，其中，偏振角有“”形态，与Rayleigh仿真结果一致，验证了测量装置的可靠性。,外场实验参数,2 论文主要研究内容：系统的有效性分析,1.系统指标测试,2.外场偏振信息测量,验证方法：利用全天域大气偏振模式观测系统在理想天气条件下开展外场的大气偏振模式获取实验，将实验结果与瑞利仿真模型进行对比，分析实测结果的可靠性。,2 论文主要研究内容：外场实验与分析,分析波长对大气偏振模式的影响,分析云、霾等散射介质的影响,分析湖泊、草地等地表环境的影响,外场实验,实测的天空偏振度及偏振角分布具备Rayleigh模型仿真的分布特点，与Rayleigh模型比较接近；不同波段下偏振模式分布随着波段发
8、生变化，其中520nm下偏振模式分布和Rayleigh模型最为接近。,2 论文主要研究内容：外场实验与分析,波长对的偏振模式分布的影响,2 论文主要研究内容：外场实验与分析,云、霾等散射介质的影响,随云层增加，偏振度分布不再满足对称性；偏振角分布中一直保持着基本“”形态，呈反对称分布。,随着雾霾浓度的增大，偏振度分布不再满足对称分布规律，偏振角的中心轴偏离理论中心轴，其雾霾浓度越大，误差越大。,随着大气环境中云、霾等散射介质的变化，大气偏振模式发生变化，其中，偏振度分布的变化最为明显。,多云天气下,晴朗有霾天气下,2 论文主要研究内容：外场实验与分析,盐湖草原地表下的大气偏振模式分布,湖泊、沙
9、丘与草原地表下的偏振模式分布,湖泊、草地等地表环境的影响,地表环境对大气偏振模式有一定影响，影响程度跟地表反照率有关，在研究大气偏振模式分布特点的过程中，需考虑地表环境的影响，尤其地表反照率差别较大地表。,内容安排,研究背景与意义,总结与展望,论文主要研究内容,3 总结与展望,工作总结,设计了一种全天域偏振测量装置，实现了全天域、多波段条件下对大气偏振模式的自动获取；,对全天域偏振测量装置进行了详细的分析和标定，通过对标定后装置的测试，验证了系统的有效性。,开展了外场分析实验，结果表明，不同波段下偏振模式分布不同，大气及地表环境对大气偏振模式的影响，与介质属性有关。,研究展望,调整全天域偏振测
10、量装置的研究波段，进一步分析近紫外波段下大气偏振模式的变化特点。,结合大气光学理论，定量分析环境因素对大气偏振模式的影响，建立影响因子与大气偏振模式之间的关系。,研究生期间主要科研工作与成果,学术论文,孙洁, 高隽, 怀宇, 毕冉, 范之国. 全天域大气偏振模式的实时测量系统J.光电工程.（已录用） 怀宇, 范之国, 孙洁, 吴良海, 徐少罕. 三通棱镜同时偏振测量系统的标定J.光电工程,2015,42(11):18-24.,发明专利申请,范之国, 孙洁, 怀宇, 郑骊昂, 高隽. 一种全天域大气偏振模式的自动测量系统. 申请号：201510050860.0 范之国, 王子谦, 金海红, 孙洁, 高隽. 一种基于偏振度椭圆拟合的中性点识别方法.申请号: 201310506899.X 范之国, 王子谦, 金海红, 孙洁, 高隽. 一种基于中性线特征的中性点识别方法.申请号: 201310506841.5,学术奖励,2014中国(国际)传感器创新大赛, 全国三等奖, 2014年. 李逸博, 孙洁, 毕冉, 于洋, 周红军,敬请专家批评指正！,
