航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度.首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法.最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果.结果显示,该仪器偏振测量精度不低于o.5％,满足仪器精度指标要求.     

遥感图像双角度偏振大气校正仪

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化。该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正。仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49~2.25μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差。实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=0.3),满足仪器设计指标要求。     

斯托克斯椭偏仪的非线性最小二乘拟合偏振定标

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度,从而影响偏振态的测量精度,本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法.该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数,根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式;然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线,进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.实验中使用该方法和传统方法在500～700 nm波段分别定标了KD*P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.结果显示,新方法在500～600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为1.6％,较传统定标方法提高约0.5％;波长大于600 nm时,由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4％,但仍然远高于传统方法的测量精度.结果表明,提出的方法简单易行,适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标.     

考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型

常用的偏振成像理论模型大多基于理想偏振片假设,即偏振片的消光比为无穷大且主方向已知,而实际偏振片的非理想性会对偏振成像系统的测量精度产生明显的影响,为降低这种影响,对考虑偏振片非理想性的偏振成像模型进行研究。以基于斯托克斯矢量的偏振成像模型为基础,通过分析实际偏振片对入射光偏振态的改变,提出了一种考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型,给出了考虑实际偏振片性能及主方向误差的偏振度、偏振角修正公式。利用分时偏振成像系统对线偏振光的偏振度进行测量,实验结果表明:当偏振片消光比为100:1时,理想模型的线偏振光偏振度测量的平均相对误差为5.53%,修正模型的偏振度测量的平均相对误差降低到3.62%。应用该修正模型可在使用低消光比偏振片时达到与高消光比偏振片相当的偏振度测量精度,使偏振成像系统能够拥有更大视场,成本降低。     

基于支持向量机预测偏振模式

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先,介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后,从矢量传输模型出发,说明大气状况不变时,偏振模式主要取决于地表特征与观测几何,并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后,在考虑平台姿态与地表特征的情况下,利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度,并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示:偏振度预测误差小于1%,影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身,而是姿态改变造成的观测地表特性变化。     

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。     

极紫外波段空间相机的辐射定标

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置,本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度;然后,用待定标相机中心视场对该小目标成像,获得中心视场部分的辐射强度响应度;最后,通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像,得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜,能够出射工作波段的准直光束;标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度;运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像,测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验,并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%,能够实现整机状态下的辐射定标。     

气溶胶对天空偏振辐射影响的测量

研究了气溶胶光学特性对天空偏振辐射的影响以获得实际的天空偏振分布模式.采用自主搭建的天空偏振辐射测量系统,于不同日期、同一地点在太阳子午面内进行了若干实验,分别测量了太阳高度角约为60°时,435～465 nm,535～565 nm,685～715 nm 3个波段光在散射角为90°时对应的偏振度和辐射强度.用大气压强、能见度等参数进行理论计算获得了气溶胶光学厚度.当气溶胶光学厚度在0.2～0.55间逐渐增大时,3个波段对应的最大偏振度分别从43％减小到22％、从41％减小到21％、从38％减小到19％,而对应的辐射量不断增大.实验结果表明:随着气溶胶光学厚度的增大,偏振度不断减小,尤其是对长波长,偏振度的衰减更明显,从而不利于偏振光导航.     

偏振控制器的完全扰偏算法研究

从一种偏振度测试系统的系统结构出发建立光路传输模型,在分析光纤挤压型偏振控制器的工作原理后,给出整个光路传输模型的穆勒矩阵。在此基础上,文中重点研究了偏振控制器的完全扰偏算法,并用MatLab对算法进行了仿真。仿真结果表明该算法能够实现完全扰偏并有效提高偏振度测试精度。     

强度调制偏振光谱仪的系统设计

理论分析和实验研究了强度调制偏振光谱仪系统参数的设计。介绍了强度调制偏振光谱仪的结构原理,分析了调制器设计、光谱仪选型与系统指标间的匹配关系。给出了一个完整的设计实例,以搭台方式建立了强度调制偏振光谱仪原理实验装置,并对平行光管直接输出的光和经起偏器起偏后输出的光进行了偏振光谱测量和分析。结果表明:在有效测量波段内(525～700nm),以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度值10%;经过线偏振器起偏后输出光的偏振度值接近100%,与理论分析的结果一致,验证了基于强度调制技术设计偏振光谱仪方法的可行性。     

旋光检测中角度定位算法

旋光检测技术可以区分手性化合物的对称性,与色谱检测技术结合可以实现手性化合物分离,在生物制药、成分分析等领域起着重要作用。通过对纯净水和两种葡萄糖溶液进行旋光现象检测,用曲线拟合的最小二乘法处理数据确定这三种样品的偏振角度,具体分析了二次拟合和一次拟合两种算法。实验表明,一次拟合比二次拟合简单,精度很相近,从实验测量速度和精度综合考虑,一次拟合比二次拟合更适合于实验的旋光检测。     

航空多角度偏振辐射计信噪比估算与测量

为精确评估航空多角度偏振辐射计的性能,分析了航空多角度偏振辐射计的信号与噪声,给出了估算其探测器信噪比的过程。介绍了航空多角度偏振辐射计的工作原理,推导了探测器信噪比与系统信噪比的估算表达式。结果显示:系统信噪比与强度信噪比成正比,探测器信噪比需求与偏振探测精度成反比,航空多角度偏振辐射计的探测器信噪比应不小于245,得到的结果弥补了一直以来偏振遥感仪器只计算探测器信噪比的不足。最后,根据推导的表达式,通过矢量传输模拟估算了用航空多角度偏振辐射计探测典型场景时的探测器信噪比与系统信噪比,并在暗室中利用积分球与偏振盒进行了测量。结果表明,航空多角度偏振辐射计各个探测器的信噪比均满足偏振探测的需求。     

Polarimetric Borehole Radar System for Fracture Measurement

Radar polarimetry is a technology that overcomes the limitation between the radar resolution and the penetration depth of borehole radar. We have developed a stepped-frequency polarimetric borehole radar system. This is a polarimetric borehole radar system which measures the full-radar polarimetry in a borehole by changing the antenna arrangements. By using a network analyzer and an optical analog signal link, this system has a frequency bandwidth of 2–500MHz, which is suitable for two different antennas for radar polarimetry. We also propose a technique for polarimetric antenna calibration. In order to understand the potential of polarimetric borehole radar, field measurement were carried out at the Mirror Lake fractured-rock research site (NH, USA). The radar penetration depth from the borehole in the reflection measurement was over 10m, at the frequency range of 2–402MHz. We observed many clear reflections from fractures in each polarization status. Even in the raw data, we found the differences in the radar profile for different polarization status. We believe the polarimetric feature is closely related to the roughness of each fracture, and it is also related to the physical properties of the fracture such as water permeability.     

A flexible technique for calibrating relative position and orientation of two cameras with no-overlapping FOV

We propose a flexible new method to calibrate the relative position and orientation relationship of two cameras with no-overlapping field of view (FOV), which are called relative pose parameters in this paper. The objective of this method is to unify the local coordinate frames of the two cameras to be under one global coordinate frame. Additionally we design a flexible target composed of two short 1D bars with equally placed light spots and one long linking pole to assist the calibration. The target is adjustable according to the actual position and orientation of the two cameras, based on the principle that the two 1D bars can be shot clearly at the same time by their corresponding cameras, which will largely increase the calibration accuracy. The proposed approach consists of two steps. Firstly we use the invariant constraints on the angle and distance between the two short 1D bars to give a rough estimation on the relative pose parameters of the two cameras, then we use more restrictions on the invariant distances between light spots on the two 1D bars respectively to refine the estimation on both the relative pose parameters and the structure parameter of the targets. This technique offers a significant flexibility and tight space advantage compared to other calibration methods applying extremely large 2D or 3D targets for wide view calibration, which are inefficient in some conditions. And equally important, this approach still obtains acceptable calibration accuracy. Result of the experimental calibration shows that the system calibrated by this method reaches an accuracy of 0.108 mm when measuring a distance section of 1040 mm.     

微偏振片阵列红外成像非均匀性产生机理及其校正

集成微偏振片阵列红外成像系统的偏振度图像对非均匀性高度敏感,不经非均匀校正的偏振度图像存在较大误差。为了校正微偏振片阵列红外成像的非均匀性,以入射光Stokes矢量形式,建立了光电转换基本过程的偏振像素模型,基于入射激励和辐射响应数据,分析了微偏振阵列与红外焦面联合作用下非均匀性产生机理。提出一种基于多次辐射测量的矩阵形式的非均匀性校正方法,该方法通过构造多组测量方程,求解偏振像元的增益矢量,由相邻四像元增益矢量组成超级像元的增益矩阵,结合Stokes矢量提取矩阵,逆向求解重构点的校正矩阵。实验数据表明:该方法比两点法降低非均匀性约5%~20%,有效改善红外偏振度图像质量。     

基于CPA方法的串联工业机器人运动学标定精度试验研究

几何参数误差是影响工业机器人定位精度的主要误差源,约占总误差的80%以上。基于圆点分析法(circle points analysis,CPA)所标定的几何参数与机器人的实际结构相关,并且能够将几何参数误差与其他误差源解耦。研究表明CPA方法的测量策略对其标定精度具有较大影响。针对基于CPA方法的串联工业机器人运动学标定技术的测量策略展开试验研究,分别对各轴测量角度范围、各轴测量步长、初始位姿构型、靶球安装位置等因素进行了分析,并得出一个优化的测量策略。实验结果表明该测量策略能够有效地提升CPA方法的标定精度,误差减少了43.99%,明显优于其他测量方案。通过与误差模型方法对比,经CPA方法标定的机器人具有更好的全局定位精度。