海洋上空云多角度偏振辐射阈值检测方法研究

云是海洋遥感的一项重要研究内容,云检测精度对于海洋上空云微物理特性的反演和海洋水体观测具有重要意义.以高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera,DPC)在轨成像数据为研究对象,提出了一种基于多角度偏振辐射信息的海洋上空云检测方法.首先用耀光角判别法区分...     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

模拟月壤的Hapke模型参数反演方法

Hapke模型是描述行星表面光度行为的辐射传输模型,利用行星表面多角度反射率数据可以反演得到Hapke模型参数,研究行星表面的物理和光度特性.Hapke模型参数的反演需要覆盖相角范围足够大的反射率数据,而行星遥感和就位探测时很难覆盖足够大的相角范围.因此,如何利用有限的多角度数据获取准确的模型参数是一个重要的研究课题.实验室提供了获取大范围角度下反射率数据的实验条件,可以在实验室条件下研究Hapke模型参数反演方法.通过实验室ASD光谱仪和Chang’E-3红外成像光谱仪鉴定件获取的橄榄石和模拟月壤多角度反射率数据进行实验,结果表明有限观测角度可以获取比较准确的模型参数;通过分析Hapke模型参数得到橄榄石和两种模拟月壤的光度和物理特征.     

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%.     

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。     

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。     

基于航空偏振数据的地表BPDF模型优化研究

针对航空偏振气溶胶反演涉及的地表双向偏振辐射分布函数（BPDF）特性问题,分析了地表双向偏振反射分布物理机理,结合经典地表BPDF模型参数特点,提出了基于阴影方程和归一化植被指数的优化地表BPDF模型。利用航空辐射偏振遥感数据,验证了新模型的精度,相对于实测结果,平均相对偏差小于9.9%。与三种经典模型模拟结果相比,新模型值随不同观测角度变化时,其一致性很好。根据新模型精度,还模拟了地表偏振反射率偏差与气溶胶光学厚度反演误差的关系,发现地表偏振反射率偏差为4×10-4时,带来反演气溶胶光学厚度误差小于0.03,满足气溶胶偏振反演应用要求。     

气溶胶散射对海洋水色遥感辐射偏振校正的影响

辐射偏振校正对具有相对较大偏振响应的海洋水色卫星遥感器(如Aqua MODIS)是十分必要的,可在一定程度上提高海洋水色信息提取的精度.目前, MODIS已经实现了业务化的辐射偏振校正,但其算法中忽略了气溶胶散射对大气顶辐射偏振分量的影响.利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型PCOART,分别模拟获得纯瑞利大气(无气溶胶)和气溶胶光学厚度为0.2大气时的大气顶辐射偏振分量.结果表明,除太阳耀斑区外,气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献很小,可以忽略不计,而对近红外波段(865 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献显著.此外,将PCOART数值模拟的大气顶瑞利散射辐射线偏振反射率与POLDER实际观测的大气顶线偏振反射率进行了比较,结果同样说明了气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振反射率的贡献很小,而对近红外波段(865 nm).大气顶线偏振反射率的贡献显著.最后,在现有MODIS辐射偏振校正算法基础上,提出了考虑气溶胶散射的海洋水色卫星遥感辐射偏振校正算法,并利用POLDER实测的大气顶线偏振反射率对算法进行了检验,结果表明,无论是在443 nm波段,还是在865 nm波段,均比MODIS辐射偏振校正算法估算大气顶辐射偏振分量更接近POLDER实测结果.     

海面环境中红外偏振成像系统作用距离模型

诸多实验证明海面辐射具有偏振特性,目前还没有有效的红外偏振成像系统的海面目标探测能力的相关理论。利用T. Elfouhaily提出的海浪方向谱模型反演出海浪高度分布;通过一种基于Monte-Carlo光线逆追踪的方法分析了海面的红外偏振辐射特性;根据Stokes矢量分量的噪声特性建立了Stokes矢量各分量的最小可分辨温差值(MRTD)计算方法;并在此基础上,利用Stokes矢量分量的MRTD与场景的表观温差(ATD)的差异建立了海面环境中的红外偏振成像系统作用距离模型。     

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.     

基于WLS的雾天交通图像恢复方法

在尘雾等恶劣天气条件下,由于大气粒子的散射作用,致使获取的道路图像严重退化,给交通运输带来很大的困难.为了提高道路环境的可视性,文中提出了一种基于WLS的雾天交通图像恢复算法.该算法从大气散射模型出发,首先进行大气光照的估计与白平衡处理,然后结合道路环境的约束,构建WLS框架对大气耗散函数进行估计,从而恢复场景反照率.通过实验分析可知,文中算法能够有效去除图像中雾霾,消除了Halo效应的影响,较好地凸显图像远景的细节信息,实现了交通图像的视见度的提高.     

灰霾型气溶胶粒子偏振特性研究

基于VLIDORT矢量辐射传输模型,应用灰霾型气溶胶的物理参量,计算了不同条件下的灰霾气溶胶偏振辐射特性,并与常用气溶胶模式下计算的偏振辐射进行分析对比,得到了灰霾气溶胶条件下偏振辐射对于几何位置、气溶胶光学厚度、气溶胶复折射指数、单次反照率、地表参数的敏感性。对于利用偏振辐射实现灰霾气溶胶监测以及气溶胶复折射指数与光学厚度反演提供了理论依据。     

基于Himawari-8数据的日间海雾检测方法

新一代静止轨道气象卫星Himawari-8静止气象卫星具有空间分辨率高可持续性观测的特点,对海雾监测具有重要的意义。星载激光雷达(Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)可以探测大气的垂直剖面信息。利用CALIOP 数据进行海雾检测,获得4类样本点:中高云、低云、海雾和海表样本点,并将这些样本点用于Himawari-8 日间海雾检测的通道选择和动态阈值设定的研究中,建立一套Himawari-8日间海雾检测算法。利用CALIOP和中国气象局国家卫星气象中心的气象卫星雾监测报告数据对海雾检测方法进行验证。对比CALIOP数据,海雾检出率63.42\%,漏检样本点中晴空海表占比71.54\%; 对比雾监测产品,海雾检测率89.7\%。结果表明,提出的海雾检测算法是可行的。     

灰霾期间硫酸盐包裹沙尘气溶胶粒子的光学特性研究

灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态,为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此,厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化,建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法,研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下,混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明:混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区,在瑞利散射区,混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明,当混合比小于0.3时,硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位;当混合比大于0.7时,粒子散射特性主要受沙尘核的影响;在此区间内,粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响,并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。     

雾天多次散射对激光透射仪能见度测量的影响

为了分析雾天多次散射引起的激光透射仪能见度测量误差，结合激光大气透射仪的系统参量，基于平流雾和辐射雾分布模型，采用蒙特卡洛法对激光在雾中的传输特性进行了理论分析和数值模拟，获得了雾天透过率数据，并计算得到了多次散射引起的能见度误差。结果表明，在雾天气下随着空气中含水量的增多，多次散射越明显，透过率测量误差越大，辐射雾的透过率相对误差高达116.76%；同等条件下，当接收机直径为100cm时，辐射雾多次散射引起的能见度测量误差为19.30%；同时选取较小的接收机直径可以减小多次散射引起的能见度测量误差。因此, 在雾天应用激光透射仪进行能见度测量时，需考虑多次散射的影响。此研究结果对实际雾天气下激光大气透射仪能见度的测量具有重要的指导意义。     

雾对水面舰船目标的偏振特性的影响研究

在米氏散射理论的基础上,通过仿真试验分析了不同浓度的雾对水面舰船目标偏振特性的影响,并利用6SV模型对其进行了数值模拟,得到了雾对目标偏振特性的影响数据。随着雾的浓度的不断增加,退偏现象趋于明显。然后对产生退偏现象的原因进行了分析。该试验结果对于偏振探测技术在雾天环境下的应用具有一定的参考价值。     

霾天气气溶胶谱分布特征分析

霾天气是一种常见的天气现象,它严重影响大气能见度和大气光传输。为了研究霾气溶胶的特性,利用粒子计数器对不同地区霾天气气溶胶实际测量结果使用Junge谱和对数正态谱对霾气溶胶粒子谱进行拟合,得到不同地区霾气溶胶粒子谱分布的特征,最后还分析了霾天气过程中气溶胶粒子大小随相对湿度的变化规律。     

0.55 µm 激光在复杂组分雾霾中的散射传输特性

基于典型雾霾粒子的消光、吸收、散射截面、不对称因子参量和粒径分布函数的分析, 运用蒙特卡罗方法研 究了不同组分、不同混合方式的雾霾介质中波长 0.55 µm 激光的传输散射特性, 比较了典型污染物颗粒介质对光的透 射率影响。研究表明, 同等浓度下, 硫酸铵介质对光的透射率最高, 碳溶胶介质的透射率最低, 且雾霾的透射率小于灰 霾透射率。此外, 对不同混合状态簇团粒子组成介质的透射率比较分析表明, 典型污染物粒子外混合状态和内混合状 态对光的衰减性几乎相同, 而雾霾介质中水组分的分布对光的透射率有明显的影响。     

红外圆偏振光透雾性能分析

雾对红外系统的探测性能有一定影响,圆偏振光在雾中传输时具有优良的保偏性和持久性,为解决雾的红外遮蔽问题提供了新思路。分析雾对红外光波的衰减是由吸收和散射共同作用;阐述了圆偏振光透雾是由圆偏振光波螺旋性的随机化速率缓慢和圆偏振光子在传播方向的随机化速率缓慢共同作用,致使圆偏振光受雾滴的光散射影响较小;结合圆偏振透雾机理和大气光谱特征,探究雾中目标检测的优化波段,研究表明:在近红外波段的0.78~1.1 m、1.48~1.56 m、1.63~1.86 m、2.03~2.18 m、2.39~2.5 m和中红外波段的3.6~4.15 m,适宜采用圆偏振成像技术提高红外系统透雾性能,长红外波段,雾滴的光吸收占总消光的比例增大,已不宜采用圆偏振成像技术来提高红外系统的透雾性能。最后,分析了红外圆偏振透雾技术的特点,并对深入研究提出了建议。     

离散偶极子方法研究雾霾随机簇团粒子的光散射特性

分析硫酸、硫酸、硝酸盐、碳和有机碳等组成的雾霾污染物簇团,基于团簇 -团簇凝聚模型(CCA),对簇团粒子的随机三维结构进行了模拟,构建不同成分,不同形状簇团粒子,在此基础上运用离散偶极子近似法计算了雾霾簇团粒子的光散射性质,进而仿真计算了不同形状的雾霾簇团粒子的光学散射,分析了雾霾簇团粒子散射场强度随散射角、效率因子与尺度因子变化关系,偏振度随散射角的变化结果。计算结果可用于分析大气雾霾特性和大气光传输特性。