多种天气条件下的天空光偏振模型

天空光偏振模型能够仿真天空光偏振态的分布规律,是研究天空光偏振态分布与大气特性参数之间的定量关系的重要工具.首先,基于倍加累加法的辐射传输模型和T矩阵法计算粒子散射特性,建立了适用于多种天气条件下的天空光偏振模型,可覆盖可见光波段到近红外波段;其次,在比较实验中,所建立模型的仿真结果与Hovenier等人的计算结果有95%的全天空光仿真点的相对误差小于5%;最后,利用基于液晶相位可变延迟器(liquid crystal variable retarders,LCVR)的全偏振成像探测系统进行全天空光探测实验,结果表明,所建模型的仿真精度优于传统模型,并且在80%的区域内与实际观测结果保持一致.由此可以得出结论,所建立的天空光偏振模型能够比较准确模拟多种天气下的全天空范围内天空光偏振态分布规律,为不同天气条件下偏振遥感探测和偏振导航等技术提供有力的理论依据.     

近地面水平方向大气偏振辐射传输仿真与验证

近地面水平方向偏振成像是地基目标观测的有效手段之一。目标偏振信息在大气传输中受到大气气溶胶及分子等散射和吸收作用的影响,叠加了非目标偏振信息,干扰了目标本身偏振特性参数的提取。因此,对大气的偏振影响研究具有重要意义。针对近地面水平方向偏振观测,基于单次散射假设,仿真计算了不同气溶胶光学厚度条件下的大气偏振辐射传输特性,并开展了外场偏振特性传输实验验证。仿真结果表明,地表贡献可以忽略;随着气溶胶光学厚度的增大,大气对总偏振反射的贡献越大;针对外场实验,仿真计算了不同时序同等观测条件下的线偏振度值,与实测结果相对误差在0.1范围内,一致性很好。研究结果为近地面偏振特性传输研究提供了理论支持,并为近地面偏振观测中的大气校正奠定了基础。     

基于米氏散射理论的太阳光散射偏振特性

大气散射光偏振特性的研究对于降低自然扰动对偏振光导航系统的误差影响,优化系统具有重要意义。实验采用矢量偏振分析装置测量了不同天气情况下大气散射光偏振度和太阳光单次散射角,研究了两者之间的关系。结果表明,在不同天气条件下,大气散射光偏振度和太阳光单次散射角之间皆为抛物线型关系,散射光偏振度变化主要由大气散射粒子大小变化引起。当散射粒子半径增大时,散射光偏振度减小,并且偏振度最大值所对应的散射角值发生偏移。基于米氏散射理论建立了单次光散射偏振模型对该实验进行了理论分析,数值仿真结果与实验结果一致。     

混浊大气对偏振导航影响的研究

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征,并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响,进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明:太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式;混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显,当整层光学厚度增大至2以上时,偏振度将降低至0.1以下,此时偏振信息的检测难度增大,不利于导航,而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小,偏振信息稳定,且符合Rayleigh单次散射分布特征,可保证白天全时段导航的有效性;在无云大气下,可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。     

基于偏振微面元理论的红外偏振特性研究

针对基于金属线栅偏振片的红外偏振成像系统组成,需要考虑目标、大气、天空、偏振片的反射和自身辐射的影响,进而有效分析进入成像系统的红外偏振辐射组成。文章通过偏振微面元理论的散射函数模型,推导红外偏振辐射传输方程的Stokes表达式,得出红外偏振信息(偏振度、偏振角)与目标表面粗糙度、折射率、反射和观测角度等参数的数学模型,通过合理简化偏振信息表达式,仿真得出某材料的偏振度曲线与文献中实测数据基本一致,为进一步提高红外偏振成像系统的探测性提供理论依据和技术支持。     

大气散射光偏振特性分析

介绍了在激光偏振成像研究中,激光在大气传输中的散射光偏振特性的基本表示方法,根据Rayleigh散射和Mie散射理论,通过传输Mueller矩阵求解,分别对大气分子散射和气溶胶散射的单次偏振特性建立理论模型,并通过数值计算模拟的方法研究大气分子和气溶胶对自然光、水平线偏振光和45°线偏振光的偏振特性影响,最后介绍了用矢量传输方程来解决大气散射光多次散射偏振问题.     

大气对红外偏振成像系统的影响

红外偏振成像系统探测的是某个特定偏振方向上的目标和背景辐射强度,有必要对不同目标的偏振特性及偏振辐射大气传输进行研究。首先采用双向反射分布函数对反射辐射偏振特性进行了分析,推导出了反射辐射偏振度的一般表达式。根据表达式模拟了目标的物理特征对反射偏振特性的影响。随后利用MODTRAN软件在典型大气条件下对红外波段的大气吸收以及程辐射进行了建模和计算。大气中的悬浮颗粒对目标的红外辐射进行散射,场景的偏振度随传输距离衰减。对目标反射辐射偏振特性的仿真结果与实测数据基本吻合,验证了理论的正确性。考虑大气对偏振辐射传输的影响使得计算结果更加合理和准确。     

近地面水平方向天空散射光偏振方向研究

对于户外光电成像系统,天空散射光是成像质量下降的一个重要因素。天空散射光偏振特性的研究对于抑制散射光的影响、提高图像对比度具有重要意义。基于偏振图像中信息的提取,从对图像对比度的分析出发,定性地研究了在不同能见度条件下近地面水平方向天空散射光的偏振方向特征,分析了散射角和散射平面方向对天空散射光偏振方向的影响。结果表明,对于能见度好的晴朗天气,天空散射光偏振方向明显,随着能见度条件逐渐变差,偏振方向渐渐变得不明显。但除了能见度非常差(小于5 km)的情况,不同能见度条件下的偏振方向特征是比较稳定的,偏振方向基本保持了清洁大气状况下Rayleigh散射偏振的特性。     

基于自适应背景光提取的水下偏振去散射成像方法（特邀）

水下成像技术在水下目标探测和识别领域具有重大研究价值,而传统水下偏振成像技术往往无法同时满足成像质量与成像实时性。针对传统水下偏振去散射成像带来的数据量大、处理时间长等问题,提出了一种水下目标的快速、实时去散射清晰化偏振成像方法。该方法利用了背景光偏振度与目标光偏振度的差异性,用于自适应的快速获取背景散射光区域,同时延续了目标整体偏振度一致这一假设,利用加权直方图均匀化方法通过调整图像灰度级的动态范围,对不同频次的灰度级进行加权处理,得到更符合人眼视觉效果的图像。实验结果表明,快速水下偏振去散射技术在提升成像质量的同时有效的增快了处理时的运算速率,在水下工作中具有良好的应用前景。     

三波段大气传输红外偏振特性对比分析

偏振成像系统利用目标和背景偏振度上的差异,有效地提高了人造或伪装目标的探测识别效率。但红外目标的偏振传输是一个复杂的过程,受大气的影响较大,因此,有必要对不同目标的偏振特性和其影响因素以及大气作用的影响（包括大气吸收、辐射及悬浮粒子散射等）进行研究。进一步推导了红外偏振辐射控制方程;基于对目标和背景偏振特性的先验知识,利用大气传输计算软件MODTRAN对3个典型红外波段的大气吸收及程辐射进行计算;并对大气传输后的目标辐射偏振度对比度和强度对比度进行仿真。结果表明:在短波红外波段,目标的反射成分占主导地位;在中波红外波段,目标的自发辐射和反射均不可忽略;在长波红外波段,目标的辐射占主导地位,利用偏振成像效果优于强度成像。结果与理论分析基本一致。研究内容为红外波段目标的探测方式选择提供了参考依据。     

基于电矢量描述的大气偏振建模

现有理想情况下大气偏振建模回避了对散射过程的描述,无法扩展到实际模型.本文采用电场强度矢量描述光波,建立天球坐标系与东北天坐标系研究光的多点单次散射过程.利用两坐标系之间的转换关系计算参数,将单次瑞利散射分析方法应用于全天域.计算散射光电场强度矢量并处理,得到偏振度和偏振方向矢量来表征大气偏振信息.仿真实验表明该方法能够准确描述理想情况下大气偏振模式,且所得电矢量可以作为实际建模的参考数据,方法具有一定的扩展性和应用价值.     

基于大气偏振模式的定向方法研究

基于一阶瑞利散射模型，对晴朗天气条件下的太阳光大气偏振模式进行了分析，通过对天空各观测点的偏振度和偏振角计算，构建了偏振度、偏振角天空仿真可视化图像，验证了偏振度关于太阳子午线对称，偏振角关于太阳子午线反对称的分布规律，给出了一种综合考虑偏振度和偏振角分布模式得到载体航向角的方法     

白天天体光谱偏振成像技术及实验研究

为了解决白天天体观测能力受限问题,采用光谱偏振成像技术,并结合天空背景偏振态实时测量方法,显著降低大气散射影响,将提高白天强背景下天体探测信噪比和对比度.讨论了针对天空强背景下天体光谱偏振成像探测原理,介绍了相关实验系统,开展了白天恒星光谱偏振成像实验研究,获得了星等为6.33的恒星目标实验结果,并与光谱强度图像进行了对比.实验结果表明了使用光谱偏振成像能够明显改善天体探测对比度,证明了光谱偏振成像技术能够很好地应用于白天天体天文观测研究.     

基于主动式圆偏振光照射的探测建模与分析

圆偏振光有良好的“偏振记忆”效应,为了验证在 强散射介质中通过圆偏振光的旋性 差异可以有效抑制散射光的影响,实现复杂背景下的目标探测功能。从经典的米氏散射 理论和菲涅尔反射理论出发,结合偏振蒙特卡罗方法,构建了主动式圆偏振光在散射介质中 探测目标的模型,通过追踪每个光子的偏振态变化,统计分析了圆偏振光经过介质散射和目 标反射后的Stokes矢量信息。仿真结果表明,文中建模方法可以明显区分出散射介质中是否 存在被探测目标;不同的介质环境和不同的探测距离都会对目标的偏振成像造成不同程度的 衰减,而圆偏振差分成像及圆偏振度成像均可实现偏振成像的增强处理。文中建模方法可以 为全偏振探测的理论研究及实际应用提供借鉴。     

偏振正交误差对偏振光导航定位系统测量精度的影响

偏振正交误差是影响四通道时分复用大气偏振检测系统精度的主要因素。通过建立检偏器阵列偏振正交误差对偏振光导航系统定位精度的影响模型,分析了该误差对大气偏振测量精度与导航定位精度的影响,并进行了实验验证。理论与实验结果表明,降低检偏器阵列偏振正交误差,可以显著提高系统大气偏振测量精度与导航定位精度。当检偏器阵列偏振正交误差无法消除时,调整定位初始角可以明显提高系统测量精度与导航定位精度。     

Correction of simple contrast loss in color images.

This paper is concerned with the mitigation of simple contrast loss due to added lightness in an image. This added lightness has been referred to as "airlight" in the literature since it is often caused by optical scattering due to fog or mist. A statistical model for scene content is formulated that gives a way of detecting the presence of airlight in an arbitrary image. An algorithm is described for estimating the level of this airlight given the assumption that it is constant throughout the image. This algorithm is based on finding the minimum of a global cost function and is applicable to both monochrome and color images. The method is robust and insensitive to scaling. Once an estimate of airlight is achieved, then image correction is straightforward. The performance of the algorithm is explored using the Monte Carlo simulation with synthetic images under different statistical assumptions. Several examples of before and after color images are given. Results with real video data obtained in poor visibility conditions indicate frame-to-frame consistency of better than 1% of maximum level.     

不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究

雾霾天气严重干扰了可见光成像效果,利用可见光偏振特性可以有效提升探测效率。雾霾环境会受到气溶胶颗粒湿度的影响,湿度是雾霾环境重要物理参数。为了获得可见光在雾霾环境的偏振特性规律,分析了环境湿度对偏振特性的影响。在非偏振光气溶胶单粒子散射特性基础上,采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,对不同湿度水雾环境下可见波段偏振光传输特性进行研究,重点分析水雾环境湿度改变对不同可见光波段偏振光偏振特性的影响情况并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的 450、532 、671 nm 线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明:偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。随着波长的增大,偏振度变化趋于平缓,出射偏振度随着波长的增加而变大,当激光波长为 450、532、671 nm 时,偏振度下降点的湿度值分别为 50%、70%、90%;圆偏振光入射,圆偏振光的旋性对于偏振度没有影响,且高于线偏振度值。对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测,因为湿度对较短波长的影响比较长波长的影响要大,所以,在湿度较大的环境中,较长波长的圆偏振光是偏振保持特性最好的。在湿度较大的环境中,应尽量选取波长较长的偏振光成像,以达到较好的成像效果。