全天域大气偏振模式实时测量系统设计与实现.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 图像信息处理研究室 * * 偏振图像信息处理研究室 * * 图像信息处理研究室 * * 硕士学位论文答辩 偏振图像信息处理研究室 * * 硕士学位论文答辩 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 动态观测 全天域 多波段 自动控制 系统需求分析 设计指标： 1.同步结构：单主光路下多路通道同时成像 3.多波段： 350nm、405nm、520nm、660nm、850nm及全通波段 4.自动控制：实现一个可控制硬件结构的软件 2.全天域： 全天空180度视角 2 论文主要研究内容：系统的设计 全天域场景 调整光路，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 器件名称 型号 焦距 视角 鱼眼镜头 Sigma 8mmF/3.5 8mm 180° 中继镜片 AC508-150-A-ML 150mm — — 微距镜头 AF Micro-Nikkor 60mm f/2.8D 60mm 39°40′ 偏振成像系统 FD-1665P 8mm — — 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 像素偏差 i=2 3.26 32.42 i=3 5.25 34.92 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。 Channel 1 Channel 2 Channel 3 4.2° 69.8° 130.8° j通道图像相对于1通道的偏差 2 论文