專利名稱：一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過偏振遙感技術(shù)對地表進行探測的方法，特別是關(guān)于一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法。
背景技術(shù)：
偏振遙感是近來備受關(guān)注的一種新興的對地觀測方法，它通過探測大氣或者地物反射形成的偏振光來為遙感目標(biāo)提供新的、潛在的信息。由于大氣粒子的強偏振作用，使偏振遙感能夠?qū)Υ髿膺M行有效的探測。但大氣的這種強偏振也導(dǎo)致了在星載偏振傳感器探測地表時，傳感器所接收到的信號主要是大氣的偏振信息，而地物的偏振性質(zhì)常常淹沒在大氣的偏振輻射中。雖然大量研究表明地表物體具有比較強的偏振特性，也可以作為遙感信息源，但是大氣偏振效應(yīng)強于地表偏振效應(yīng)，導(dǎo)致星載傳感器無法用于地表目標(biāo)的偏振探測。在國外，法國研制的P0LDER-3傳感器是目前唯一在軌的偏振光遙感傳感器，它在設(shè)計時曾試圖對地表目標(biāo)進行多角度偏振觀測，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)大氣的偏振作用過于強烈，常將地物的偏振反射信息淹沒，最終以失敗告終。目前國內(nèi)外都沒有一個較好的解決方案，偏振遙感的地-氣信息分離方法成為偏振遙感對地表進行觀測和應(yīng)用的一個瓶頸。因此，研究如何消除或減少大氣偏振對地表偏振的影響已成為對地表進行偏振光遙感的首要問題，而在這方面目前國內(nèi)外的研究還幾乎處于空白狀態(tài)。發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠消除或減少大氣偏振對地表偏振影響的基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其包括以下步驟1)確定天基偏振傳感器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質(zhì)；2)確定Babinet中性點為適用于偏振遙感觀測的中性點；3)在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測根據(jù)目標(biāo)觀測區(qū)域地方時，確定天空中Babinet 中性點與太陽位置的幾何關(guān)系模型，確定Babinet中性點在空中的位置，并在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測；這時傳感器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達(dá)到大氣偏振效應(yīng)有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。
所述步驟幻中，采用下述兩種方式之一在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測①采用航空遙感平臺搭載的方式在飛機或飛艇等遙感平臺上搭載偏振傳感器，并調(diào)節(jié)傳感器的拍攝角度，在Babinet中性點區(qū)域?qū)Φ乇磉M行觀測；②采用航天遙感平臺搭載的方式根據(jù)太陽同步軌道相同地域太陽高度角固定特性，由衛(wèi)星過境時，太陽高度角與Babinet中性點關(guān)系模型，確定衛(wèi)星軌道，在衛(wèi)星上搭載天基偏振傳感器，確保天基偏振傳感器觀測時處于Babinet中性點區(qū)域。
它還包括步驟4)，即通過在非Babinet中性點位置對同一區(qū)域進行偏振成像的地面實驗，對Babinet中性點位置和非Babinet中性點位置的成像偏振參數(shù)結(jié)果進行比較驗證。
所述步驟幻中的Babinet中性點的位置與太陽高度具有函數(shù)關(guān)系，其幾何位置關(guān)系模型為
式中，χ為太陽高度角，y為中性點的高度角。
所述步驟1)中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點和 Brewster中性點。
所述步驟；3)中，基于中性點的航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；所述步驟4)中，基于中性點的航天衛(wèi)星偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力，在太陽同步衛(wèi)星軌道實現(xiàn)對地表的凝視觀測。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明通過對大氣中性點的物理特性、分布特性和變化特性的研究，以及在大氣中性點線偏振度為零的特性的基礎(chǔ)上， 提出了在大氣中性點區(qū)域放置傳感器以進行對地觀測的方法，通過本發(fā)明方法觀測到的地表能夠最大限度地去除大氣偏振作用的干擾，最大限度地獲取地表目標(biāo)的偏振信息。2、本發(fā)明方法有效地解決了利用偏振遙感技術(shù)對地表目標(biāo)進行觀測時大氣偏振效應(yīng)過大的問題，對于偏振遙感技術(shù)在對地觀測方面的發(fā)展有著實際的推動意義。3、本發(fā)明提供了一種消除大氣偏振信息對地物信息干擾的退偏系統(tǒng)，天基觀測大氣中性點與傳感器位置的關(guān)系模型，以及選擇適用的遙感觀測中性點的模型理論。4、本發(fā)明方法與航空或衛(wèi)星偏振遙感探測技術(shù)相結(jié)合，具有很強的大氣穿透能力，使得電磁波探測的衰減達(dá)到最??；采用本發(fā)明方法結(jié)合太陽同步軌道設(shè)定的衛(wèi)星軌道，可以實現(xiàn)對地表的凝視觀測。5、本發(fā)明區(qū)別于常規(guī)遙感技術(shù)利用大氣窗口進行地表觀測的方法，在偏振遙感對地探測與大氣中性點特性相結(jié)合的問題上進行了首次探索，具有開拓性。本發(fā)明可以廣泛用于航空遙感偏振中性點的驗證與測量中。


圖1是本發(fā)明利用大氣中性點對地偏振遙感的示意圖
圖2是本發(fā)明天基偏振遙感對地探測地-氣信息分離流程示意圖
圖3是太陽同步軌道示意圖
圖4(a)是采用本發(fā)明在中性點位置觀測示意圖4(b)是在非中性點位置觀測示意圖
圖5是本發(fā)明在非中性點與中性點成像的對比圖，其中
圖5(a)是無偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖5(b)是Q分量偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖5(c)是U分量偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖5(d)是偏振度影像在非中性點與中性點成像的對比圖具體實施方式
_y = 0.9x + 18 (0<x<30) _y = 0.75x + 22.5 (30 <= χ < 90)
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。
太陽輻射通過大氣層時，被大氣粒子散射，產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。一般來講，大氣粒子的一次散射使天空偏振產(chǎn)生正值，而多次散射使天空偏振產(chǎn)生負(fù)值，天空中的正負(fù)偏振的交點為零偏振點，這個點即所謂的大氣中性點(Neutral point)，也就是天空中偏振度為零的點。大氣中性點包含有兩層含義，其一，在實際的大氣中，由于多次散射的存在，中性點不是一個獨立的點，而是一個天空偏振度為零(或接近于零)的區(qū)域；其二，中性點不是天空中固定的一個區(qū)域，而是以觀測點為起點，方向?qū)χ行渣c區(qū)域的一個圓錐形的區(qū)域，在這個圓錐形區(qū)域里任何高度偏振度都為零。19世紀(jì)初相繼觀測到天空中三個著名的中性點 Arago (安拉哥)中性點(1809年)、Babinet (巴比涅)中性點(1840年)和Brewster (布儒斯特)中性點(1842年)。
本發(fā)明將傳感器置于大氣中性點區(qū)域?qū)Φ乇磉M行觀測，這時傳感器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，因此可以達(dá)到大氣偏振效應(yīng)有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。如圖1所示，圖中的大圓(虛線)是地球大氣的最外圈，因為離開大氣散射，也就不產(chǎn)生中性點了，圖中大圓的方向也是當(dāng)天太陽升起和降落的軌跡；圖中太陽的位置是虛擬的，表示的是太陽在全天某一時刻所在的位置。理論上說在傳感器到被觀測點這條線的方向上，從地表到大圓的任何高度上的點都是中性點，機載和星載的傳感器在這些位置都可以進行基于大氣中性點的對地偏振遙感。這就構(gòu)成了本發(fā)明偏振遙感基于中性點的退偏系統(tǒng)的基本機理。
基于以上認(rèn)識，本發(fā)明提出了將傳感器置于大氣中性點區(qū)域?qū)Φ乇磉M行觀測的方法，采用本發(fā)明方法可以將傳感器到地表之間的大氣偏振作用減小為零或減小到一定程度，以達(dá)到大氣偏振效應(yīng)有效去除，地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的目的。
如圖2所示，圖中描述了本發(fā)明方法的實施過程，其包括以下步驟
1)通過天基遙感的方式確定能否觀測到中性點，本發(fā)明通過對3500米高空探空氣球以及衛(wèi)星遙感影像的分析結(jié)果表明，天基偏振傳感器是可以觀測到大氣中性點的；
2)在三個偏振中性點中選取適用于對地偏振遙感觀測的中性點，其首要條件是其位置便于遙感觀測并且受外界干擾或影響較小，對現(xiàn)有的三個中性點天基偏振遙感觀測特性分析結(jié)果表明，Babinet中性點是對地偏振遙感的理想選擇。
3)如圖3所示，根據(jù)Babinet中性點的區(qū)域與太陽高度角的位置關(guān)系，在Babinet 中性點區(qū)域放置天基偏振傳感器；對于Babinet中性點，其位置與太陽高度角有一定的函數(shù)關(guān)系，在光學(xué)厚度為0. 10時，可以建立幾何位置關(guān)系模型。即
權(quán)利要求
1.一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其包括以下步驟.1)確定天基偏振傳感器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質(zhì)；.2)確定Babinet中性點為適用于偏振遙感觀測的中性點；.3)在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測根據(jù)目標(biāo)觀測區(qū)域地方時， 確定天空中Babinet中性點與太陽位置的幾何關(guān)系模型，確定Babinet中性點在空中的位置，并在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測；這時傳感器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達(dá)到大氣偏振效應(yīng)有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟幻中，采用下述兩種方式之一在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測①采用航空遙感平臺搭載的方式在飛機或飛艇等遙感平臺上搭載偏振傳感器，并調(diào)節(jié)傳感器的拍攝角度，在Babinet中性點區(qū)域?qū)Φ乇磉M行觀測；②采用航天遙感平臺搭載的方式根據(jù)太陽同步軌道相同地域太陽高度角固定特性， 由衛(wèi)星過境時，太陽高度角與Babinet中性點關(guān)系模型，確定衛(wèi)星軌道，在衛(wèi)星上搭載天基偏振傳感器，確保天基偏振傳感器觀測時處于Babinet中性點區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于它還包括步驟4)，即通過在非Babinet中性點位置對同一區(qū)域進行偏振成像的地面實驗，對Babinet中性點位置和非Babinet中性點位置的成像偏振參數(shù)結(jié)果進行比較驗證。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于它還包括步驟4)，即通過在非Babinet中性點位置對同一區(qū)域進行偏振成像的地面實驗，對Babinet中性點位置和非Babinet中性點位置的成像偏振參數(shù)結(jié)果進行比較驗證。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟幻中的Babinet中性點的位置與太陽高度具有函數(shù)關(guān)系，其幾何位置關(guān)系模型為
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟1)中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點禾口 Brewster中性點。
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟1)中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點和Brewster 中性點。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟3)中，基于中性點的航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；所述步驟4)中，基于中性點的航天衛(wèi)星偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力，在太陽同步衛(wèi)星軌道實現(xiàn)對地表的凝視觀測。
9.如權(quán)利要求5所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟幻中，基于中性點的航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；所述步驟4)中，基于中性點的航天衛(wèi)星偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力，在太陽同步衛(wèi)星軌道實現(xiàn)對地表的凝視觀測。
10.如權(quán)利要求6所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特征在于所述步驟幻中，基于中性點的航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；所述步驟4)中，基于中性點的航天衛(wèi)星偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力，在太陽同步衛(wèi)星軌道實現(xiàn)對地表的凝視觀測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其包括以下步驟1)確定天基偏振傳感器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質(zhì)；2)確定Babinet中性點為適用于偏振遙感觀測的中性點；3)根據(jù)目標(biāo)觀測區(qū)域地方時，確定天空中Babinet中性點與太陽位置的幾何關(guān)系模型，確定Babinet中性點在空中的位置，并在Babinet中性點方向放置天基偏振傳感器進行觀測；這時傳感器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達(dá)到大氣偏振效應(yīng)有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。本發(fā)明區(qū)別于常規(guī)遙感主要利用大氣窗口進行地表觀測的限制，可以廣泛用于航空航天偏振遙感對地表目標(biāo)觀測中的大氣糾正技術(shù)與對地觀測實用系統(tǒng)中。
文檔編號G01C11/04GK102564404SQ20121002606
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者關(guān)桂霞, 劉大平, 吳太夏, 吳波, 張文凱, 晏磊, 楊文劍, 段依妮, 相云, 趙海盟, 陳偉 申請人:北京大學(xué)