多角度偏振成像仪系统级偏振定标方法研究

系统级偏振定标是多角度偏振成像仪(Directional polarization camera, DPC)研制过程中的关键环节,对于提高大气气溶胶和云相态等定量化探测应用具有重要意义。结合矩阵光学和辐射度学理论,建立了多角度偏振成像仪偏振响应定标模型,对关键影响参量进行定标。采用大口径积分球参考光源和分视场测量方法,消除了光楔平板对DPC三检偏通道视场非一致性的影响,实现了高频和低频相对透过率的高精度测量。采用傅里叶级数的分析方法,建立全视场起偏度的测量模型,消除参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现光学系统偏振特性的准确测量。采用可调偏振度光源和大口径积分球辐射源,开展了偏振定标精度的比对验证实验和精度分析。测试结果表明,全视场偏振定标精度优于0.5\%,自然光状态下的偏振定标精度优于0.05\%,验证了宽视场偏振遥感器偏振辐射响应定标模型的合理性,说明该系统级偏振定标方法可满足宽视场光学偏振遥感器的高精度偏振观测科学应用要求。     

近红外偏振探测器的定标及非均匀性校正

首先介绍了偏振探测器的结构,建立了探测器的信号响应模型,并基于该响应模型制定了相应的参数定标方案,实现了对入射辐射偏振态的高精度计算和对偏振图像的非均匀性校正。实验数据表明,校正后计算得到的线偏振度是真实值的97.8%~101.5%,满足了偏振探测的精度要求;强度图像和线偏振度图像相对于未校正图像的非均匀性分别降低了93.64%和93.67%,有效提高了图像质量。     

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。     

高分五号卫星偏振遥感陆地上空气溶胶光学厚度

针对多角度偏振成像仪(Directional Polarimetric Camera,DPC)数据,提出了基于多角度多光谱偏振信息的气溶胶光学厚度反演方法。该方法使用Nadal-Breon半经验模型计算地表偏振反射率,以扣除地表影响;采用倍加累加法矢量辐射传输模型构建气溶胶参数查找表,通过计算最小残差,动态确定最优气溶胶模型,从而实现陆地上空气溶胶光学厚度的反演。使用DPC的L1级条带数据,反演获得了中国东部地区气溶胶光学厚度的空间分布,并与MODIS产品和AERONET地基站点数据分别进行了对比,反演结果与MODIS气溶胶产品的整体分布具有很好的一致性;同时,与AERONET地基站点观测结果具有较高的相关性,670 nm和865 nm两个波段的相关系数都在0.8以上,说明该算法模型反演陆地上空的气溶胶光学厚度准确可靠,可为DPC遥感大气气溶胶提供技术支持。     

一种新型偏振辐射计

偏振探测技术应用于大气散射辐射偏振特性测量,由于大气散射偏振态的时空变化特性,要求测量仪器具有实时获取偏振数据的能力。针对这一需求研制了一种新型偏振辐射计,提出了利用偏振透光轴三方向光路平行探测的方案,能够实时获取目标的偏振特性参数。着重分析系统软硬件结构设计,介绍了一种以USB采集卡为核心的信号采集系统,并利用积分球光源对系统进行相对辐射定标,分析了定标数据。实验结果表明,该套系统能够满足大气偏振探测的要求。     

一种新型偏振辐射计

偏振探测技术应用于大气散射辐射偏振特性测量,由于大气散射偏振态的时空变化特性,要求测量仪器具有实时获取偏振数据的能力。针对这一需求研制了一种新型偏振辐射计,提出了利用偏振透光轴三方向光路平行探测的方案,能够实时获取目标的偏振特性参数。着重分析系统软硬件结构设计,介绍了一种以USB采集卡为核心的信号采集系统,并利用积分球光源对系统进行相对辐射定标,分析了定标数据。实验结果表明,该套系统能够满足大气偏振探测的要求。     

基于模糊邻域的比较密度峰值算法

聚类作为机器学习中一种重要的无监督学习方式，在图像处理及生物基因分类上具有广泛的应用。《Clustering by fast search and find of density peaks》(DPC)提出通过寻找密度峰对数据进行分类，它既不需要迭代过程，也不需要太多参数输入。但DPC算法在球形数据集上表现较差，容易忽略潜在的聚类中心，且需要人工参与聚类中心选取。针对上述问题，本文采用模糊邻域关系计算数据密度，采用比较距离代替DPC算法中的相对距离。通过对机器学习数据集的实验，将本文提出的算法同DBSCN、OPTICS、DPC在准确率和调整兰德指数上进行比较。实验结果表明本文提出的算法可行有效      

几何操作中重采样问题数据并行实现

几何操作是计算机图形和计算机视觉的基本操作之一。如何快速、实时地实现几何操作,是现代媒体应用中的主要问题。重采样操作是图像处理中非常关键的全局操作,一般是通过串行处理方法予以解决。在SIMD处理元阵列上进行数据并行处理几乎是空白,为了满足对图像进行实时处理的需要,提出几何操作中重采样操作的数据并行实现方法,并对结论进行了论证。通过SIMD PE阵列之间的数据并行传送,实现了重采样,从而使实现重采样的复杂度由存储器数据流访问实现方法的Ο（MN）降低到Ο（M＋N）,大大提高了处理速度,能更好地满足图像快速实时处理的需要。     

运用小波图像融合技术增强痕迹偏振图像

针对单幅痕迹偏振图像存在的灰度反差微弱、痕迹特征残缺等缺陷,提出运用小波图像融合技术对多幅痕迹偏振图像进行融合处理,以增强痕迹图像视觉效果的策略。结合痕迹物证检验工作的需要,对低频子带图像采取基于区域窗口的梯度平方和较大法,而高频子带图像采取基于区域窗口的系数绝对值极大法,并将此方案应用于衣物上的轮胎痕迹偏振图像的增强处理。实验结果表明,经过融合处理后的轮胎痕迹偏振图像无论在主观视觉效果,还是在客观评价数据上都获得了期望的增强效果,满足痕迹物证司法鉴定的技术要求。     

基于粒子偏振特性的雾霾区分算法研究

雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125$^\circ\sim150^\circ$范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth's reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。     

通道式偏振遥感器偏振定标方法研究

通道式偏振遥感器可获取目标光谱辐亮度、偏振度和偏振方位角等多维度信息,是目前最常用的偏振遥感探测的主要仪器类型之一。介绍了通道式偏振遥感器偏振定标的原理,根据矩阵光学理论和辐射度学理论,构建新的Stokes矩阵,从光谱维建立完善的偏振定标模型,分析了需要定标反演的参数,并给出了相应的定标方法,可为类似的通道式偏振遥感器的偏振定标工作提供参考。     

偏振傅里叶变换红外光谱仪定标研究

利用偏振傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪测量目标红外偏振特性,需要对偏振FTIR光谱仪进行定标,计算出红外辐射目标的绝对光谱能量分布。利用黑体进行偏振FTIR光谱仪定标时,发现不同偏振检测方向的仪器响应有一定偏差,即仪器存在偏振敏感性。通过对仪器偏振特性的定标检测,得到仪器偏振响应函数和偏置特性曲线,应用定标结果,将会消除红外偏振仪器自身的偏振敏感性对目标偏振特性的影响,为提高目标的红外偏振探测精度打下基础。     

大气气溶胶航空多角度偏振观测实验及数据分析

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据;使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。     

中波红外探测器辐射定标的简化方法

为了提高红外辐射定标效率,提出了简化的辐射定标方法。首先,提出带有积分时间变量的辐射定标数学模型,通过探测器像元响应灰度值随积分时间的变化曲线以及随黑体辐射亮度的变化曲线确定了辐射定标模型的具体形式,并介绍了模型中各参数的物理意义。接着,在不同环境温度下进行辐射定标实验,绘出辐射定标模型中各未知参数随环境温度的变化曲线,实验结果验证了辐射定标模型的正确性。然后,在这个模型的基础上提出了简化的辐射定标模型,即使用一元线性回归分析方法选择两个定标点,在两个典型的积分时间下采集这两个定标温度点的共四幅图像,经处理即可获取辐射定标模型的各未知参数。最后对通过辐射定标模型计算得到的辐射定标数据与实际定标获取的辐射定标数据进行比较分析。实验结果表明:计算值与定标值之间的误差优于1%。辐射定标模型准确,可以极大地提高辐射定标的效率。     

分振幅光偏振探测系统多点定标方法

探测性能决定了偏振遥感系统的解析精度,但分振幅系统因多种因素引入的仪器偏振使解析精度的提高受到限制。在分析测量原理的基础上,研究了分振幅光偏振探测系统测量矩阵的多点定标方法,推导了偏振方位角等间隔取样偏振定标的条件;通过平台搭建与比较实验,利用多点定标方法测量了航空多角度偏振辐射计（AMPR）的穆勒矩阵,分析了测量结果的不确定性。结果表明,定标后的AMPR测量误差0.5%、不确定度0.5%,满足遥感系统的探测要求,证明了多点定标方法的可行性。     

星载偏振扫描仪的星上偏振定标方法

为保障偏振扫描仪长期在轨的偏振测量精度,研究了偏振扫描仪的星上偏振定标原理与方法。首先,针对分孔径和分振幅的技术特点,结合实际的误差来源,理论推导了系统探测矩阵;其次,根据仪器参数,利用已知偏振态的线偏振光和非偏振光,推导了星上偏振定标方程;然后,设计了用于星上偏振定标的线偏振定标器和非偏振定标器;最后,提出了利用已知偏振度的太阳漫射板辐射定标数据来校正偏振扫描仪的低偏振度测量精度和稳定性。所提出的星上偏振定标方法具有高精度、高频次、高效率等特点,可满足长期在轨偏振测量精度为0.005的应用需求。     

偏振相机的光学定标方案研究

偏振相机内部的多个光学表面会改变入射光束的偏振状态,并且改变的程度与入射光束的偏振态、视场角和方位角等因素有关。通过研究偏振光束与光学成像器件的相互作用,推导了考虑光学系统偏振效应的通用辐射模型,并基于辐射模型简要描述了目标偏振信息的反演方法及模型参数分离定标研究,给出了偏振相机的光学定标方案,确立了偏振相机输出与入射光束Stokes参量（I,Q,U）的定量关系,消除仪器自身的偏振效应,准确反演目标的偏振信息,为偏振遥感图像的定量化应用研究奠定基础。     

一种机载干涉SAR区域网平面定位算法

平面定位就是获取SAR图像中每个像素点的地理坐标。在平面定位时,需要对相关参数进行定标,以保证精度。该文从平面定位的几何关系出发,通过线性化平面位置误差,提出了基于敏感度方程的平面定标算法。在此算法基础上,又提出了多场景联合平面定标算法,该算法利用相邻场景之间的同名点信息,能够实现稀少控制点条件下的大区域平面定位。实测数据处理结果表明,在少量控制点情况下,该文算法的平面定位精度优于传统的多项式模型和距离多普勒模型。     

基于Contourlet变换的偏振图像融合

提出一种基于Contourlet变换的偏振图像融合算法。Contourlet变换是一种具有几何信息的灵活多尺度、多方向和平移不变性的图像分解变换,与小波变换相比,对图像分析很重要的沿曲面任意方向反映的细节更容易调整。采用Contourlet变换对三个555波段不同方向的偏振图像进行分解,对于高频和低频系数分别采用不同的窗函数计算区域能量,最后加权实现偏振图像的融合处理。实验结果表明,该算法与小波分解法相比在保留原始图像边缘和纹理信息同时,可以体现偏振图像的特点,取得较好的融合视觉效果。     

基于偏振权重局部对比度的目标检测

分焦平面红外偏振探测器输出的是红外偏振马赛克图像,传统处理流程需要进行去马赛克恢复出四个偏振通道的完整图像,然后再实现后续的任务。然而,去马赛克过程会引入误差,而且计算复杂度高、耗时长。针对如何直接在红外偏振马赛克图像上进行目标检测的问题,本文提出了一种偏振权重局部对比度的目标检测方法。首先分析了目标与背景的偏振特性差异;然后设计了红外偏振马赛克图像的斯托克斯矢量计算卷积核;在此基础上提出了基于偏振权重的偏振度显著图,在偏振度显著图上利用自适应阈值操作实现目标检测。此外,利用边缘检测方法进一步优化目标检测结果,得到更加完整的检测结果。最后,使用采集的红外偏振马赛克数据集验证了所提出的目标检测算法在复杂背景以及恶劣天气影响下的鲁棒性。