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。     

通道式偏振遥感器偏振解析方向测量误差分析及验证

通道式遥感器的偏振测量核心部件通常是相似的,即不同偏振解析方向的检偏器组合进行探测。同一系统中不同偏振解析方向之间的相对角度误差成为影响偏振遥感探测精度的重要因素之一。文中对该相对角度误差的影响以及提高测量精度的方法进行了研究。首先,分析了相对角度误差对偏振测量精度的影响;其次,对测量过程中存在的误差源进行了仿真分析及实验对比分析,根据该设计具体的实验参数和实验方法,验证仿真结果的正确性;最后,通过通道式遥感器偏振实测结果验证其测量的可靠性。系统偏振度测量值与可调偏振度光源输出的偏振度参考值比对,最大平均偏差为0.735 3%;与CE318测量比对的最大平均偏差为0.036。实验结果满足实际使用的偏振测量精度要求,说明偏振解析方向测量方法选择合理,可以为偏振遥感器的装调和高精度定标提供参考。     

基于大气辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法

提出一种基于大气矢量辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法.利用辐射传输模型,建立地表反射率、观测条件与传感器入瞳处辐亮度偏振态的查找表,再进行查找表反查及数值计算,完成偏振反射率反演.验证实验表明,典型地面目标物的偏振反射率反演精度可达到90%.     

光通信用偏振分束器的分析与验证

利用冰洲石在近红外波段具有低的光损耗和高的双折射效应,分析了一种新型光通信用偏振分束器,得到了分束器入射角θ、插入损耗α、消光比γ和胶合剂折射率ng的理论设计公式。实验结果表明:实验与理论结果基本吻合,分束器插损<0.3 dB,消光比>20 dB,可供工程实际应用。     

基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法

 针对已有仿生偏振光导航方法中,根据局部天空区域的偏振信息获取导航信息存在的缺陷,提出一种基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法.该方法利用大气偏振模式的对称性定义了偏振响应和函数,根据大气偏振模式有限采样点的偏振信息,拟合估计出太阳子午线位置,并最终获取导航方向角信息,最后通过多组观测时刻、多组观测地点的仿真实验,验证了基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法的有效性.     

非均匀大气近地面层温度梯度的光学测量

从三维射线方程出发,经过分析和简化,得到水平非均匀大气条件下射线描迹的微分方程组,作为光学测量的理论基础.分析了温度梯度分布的一般特征;在射线弯曲的几何关系基础上,分析了折射角及折射角变化量和温度梯度的积分关系,讨论了路径加权特性,表明在非均匀并且温度梯度对光路中心不对称分布条件下,单边光学测量得不到温度梯度的区域平均值.需要通过双向对测,才能得到光路上温度梯度的算术平均.同时表明,多光源测量系统在非均匀大气近地面层得不到准确的平均温度廓线.     

偏振三维成像仪的相对偏振方向定标方法

在介绍偏振三维成像机理、四孔径偏振三维成像仪组成的基础上,开展四孔径相对偏振方向对偏振三维成像精度影响分析,确定四孔径相对偏振方向精度要求。制定了四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标方法和四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向定标方法,搭建了定标装置,在实验室内开展了相对偏振方向定标。四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标误差为±0.5o,四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向误差为±1o,从而可保证偏振三维反演的法向量误差为-5.47%~5.80%,为偏振三维成像仪高质量成像提供保障。     

偏振遥感图像的大气校正

为了实现对遥感图像快速、精确的大气校正,提出了一种联合偏振光强度信息和偏振度信息的图像大气校正算法。该算法首先采用矢量偏振辐射传输模型（vectorized linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT）建立一个由观测几何、目标偏振信息、大气条件、气溶胶模式等参数组成的查找表,然后通过查找表插值方法对输入的图像进行大气校正。实验结果表明,偏振图像大气校正算法在雾天成像条件下,使得图像对比度提高了41.84%,图像信息熵值提高了0.44,很好地去除了雾对图像的影响。进而说明偏振图像大气校正算法能够很好地还原目标强度信息和偏振度信息,提高图像的对比度,增加图像的信息熵值。     

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。     

卫星大气多角度偏振遥感系统方案研究

偏振遥感作为一项新技术将在大气探测中发挥作用。通过偏振测量,不仅得到了辐射度测量值,而且能够得到大气偏振态参数。基于多角度偏振信息,能够提高大气特性参数反演精度,并为精确大气校正服务。讨论了偏振遥感探测方式及其研究进展情况,从大气偏振信息特点考虑,提出了一种卫星大气偏振信息获取方式,简要给出了卫星大气遥感的多角度偏振遥感系统总体方案,旨在积极推进多角度偏振遥感技术在卫星大气遥感中的应用．     

辐射特性测量大气传输修正研究:大气辐射传输模式和关键大气参数分析

工作于大气中的光电测量（或遥感）设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析,论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。     

EOS MLS forward model polarized radiative transfer for Zeeman-split oxygen lines

This work supplements the Earth Observing System (EOS) Microwave Limb Sounder (MLS) clear-sky unpolarized forward model with algorithms for modeling polarized emission from the Zeeman-split 118.75-GHz O/sub 2/ spectral line. The model accounts for polarization-dependent emission and for correlation between polarizations with complex, 2/spl times/2 intensity and absorption matrices. The oxygen line is split into three Zeeman components by the interaction of oxygen's electronic spin with an external magnetic field, and the splitting is of order /spl plusmn/0.5 MHz in a typical geomagnetic field. Zeeman splitting is only significant at pressures low enough that collisional broadening (/spl sim/1.6 MHz/hPa) is not very large by comparison. The polarized forward model becomes significant for MLS temperature retrievals at pressure below 1.0 hPa and is crucial at pressures below /spl sim/0.03 hPa. Interaction of the O/sub 2/ molecule with the radiation field depends upon the relative orientation of the radiation polarization mode and the geomagnetic field direction. The model provides both limb radiances and the derivatives of these radiances with respect to atmospheric temperature and composition, as required by MLS temperature retrievals. EOS MLS views the atmospheric limb at 118.75 GHz with a pair of linear-cross-polarized, 100-kHz-resolution, 10-MHz-wide spectrometers. The antennas of the associated receivers are scanned to view rays with tangent heights from the Earth's surface to 0.001 hPa. Comparisons of the modeled MLS radiances with measurements show generally good agreement in line positions and strengths, however residuals in the line centers at the highest tangent heights are larger than desired and still under investigation.     

偏振辐射传输的插值计算以及流数对计算结果的影响

根据平面平行大气中偏振辐射传输方程的求解,利用解析插值方法实现了对其空间任意一点(任意光学厚度、任意角度)偏振辐射的计算。使用了瑞利散射以及米散射对该程序进行验证,所得结果与Coulson和Stamnes的计算结果进行了比较,误差在0.7%以内。同时还分析了流数对计算结果的影响,通过比较半球8流时米散射的最大相对误差ηmax≤1.82%,平均相对误差ηaver=1.627%;并且该计算误差随着计算流数的增加越来越小,在24流时,计算结果比较稳定,误差最大值ηmax<1%,平均相对误差ηaver=0.223%。     

通用大气辐射传输软件(CART)及其应用

大气光谱透过率和背景辐射的计算在诸如大气遥感、光电工程等领域有重要应用。根据所提出的中分辨率大气分子吸收快速计算方法、大气气溶胶衰减计算方法、大气多次散射快速算法,研制了一套通用大气辐射传输计算软件(CART),该软件可根据大气参数快速计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和大气背景辐射,光谱分辨率1 cm-1,覆盖可见光到远红外波段。介绍了该软件的计算模型、主要功能和计算实例、部分实际验证结果以及应用领域。CART在目标辐射特性测量的大气修正、光电设备的设计和性能评估将有广泛的应用。     

地物环境对地面大气电场测量的影响

地物环境对地面大气电场测量结果的影响较大,这在地面大气电场仪联网中将会影响以致失去各观测点数据间的可比性。针对这一问题将地面上凸出的建筑物、树木等简化为形状规则的立方体、柱体和球体三种基本单元,分别对这三种基本单元周围的大气电场进行了计算和讨论,并采用电磁场仿真软件Ansoft Maxwell进行了仿真分析,得出了地面凸出物的形状、距离、高度对大气电场影响的解析关系式以及不同条件下的环境修正系数。     

纯转动拉曼激光雷达探测北京地区近地面大气温度

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散,一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子,因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性,尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计,国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计,相比而言该方法具有更高的分光效率,并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度,操作更为简单。在中国科学院大气灰霾追因与控制先导专项支持下,该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间,展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ,频率为20 Hz,激光脉冲数为5 000发,空间分辨率为7.5 m。实验结果表明,在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K,测量高度可达10 km,在7.5 km以下统计误差小于1 K;在有薄云或者轻度雾霾天气条件下,温度测量统计误差在3 K左右,测量有效高度通常在6~8 km,在4.8 km以下统计误差小于1 K。     

基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析

采用自制的M'波段（4.605~4.755 m）红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。     

大气折射对我国近地面无线电视距的影响分析

在无线电视距工程应用中, 常用等效地球半径因子表征大气折射的影响.为深入分析我国不同区域大气折射对无线电视距的影响, 定义了一种无线电视距因子, 以表征无线电视距相对标准大气视距的变化.基于我国区域近地面65 m高度大气折射率梯度数据, 得到了不同时间概率下我国区域无线电视距因子的时空分布, 结合拉萨、重庆、厦门、渤海湾、西沙、乌鲁木齐典型地区无线电视距因子的时间概率分布和季节变化, 分析给出了我国区域无线电视距因子的时空分布特征.分析结果表明, 我国不同地域无线电视距存在显著的时空变化, 并可导致无线电系统最大覆盖区域的显著时空变化.这些结果可为我国不同区域无线电系统设计和覆盖性能评估等提供参考依据.     

更新升级的通用大气辐射传输软件CART2（特约）

采用HITRAN2016数据库,研制了新的大气分子吸收系数数据库,应用于更新的第二版通用辐射大气传输软件CART2。增加了光谱分辨率为0.1 cm?1的CART2P1程序模块。相对于CART1.0,大气分子吸收考虑了更多的分子弱谱线的吸收,扩展了计算波段。计算结果与LBLRTM和MODTRAN5对比表明,CART2能够精确地模拟大气分子的吸收;计算结果与地基实际测量的红外高分辨率太阳光谱吻合的非常好。具备0.1 cm?1光谱分辨率的CART2计算的大气透过率和环境背景辐射可以分辨出分立的大气分子吸收谱线,能够在中高光谱分辨率的光学工程和有些激光工程的大气传输计算中得到应用。