光学遥感偏振成像仿真与验证方法研究

摘要

偏振是光的基本属性之一，偏振信息结合强度信息和光谱信息在提升光学遥感系统对大气气溶胶光学特性的反演精度，提升其对地物目标的识别能力都有重要的意义。目前在轨运行的偏振探测器多用于云和大气气溶胶参数的探测，其空间分辨率很低，通常为数千米级，而可支持地物目标的识别的空间分辨率一般要在几十米到米级。由于偏振辐射传输的矢量特性，必需考虑观测几何角度和气溶胶模型对偏振辐射传输的影响，才能判定高分辨率偏振对地遥感系统的设计及其信息处理过程是否合理。仿真是一个科学有效的技术途径和验证方法，本文就此开展研究。
　　根据偏振成像过程，结合现有技术条件，提出基于空基偏振图像或强度图像来实现光学遥感偏振成像仿真的两种方法，并给出了其原理和实现过程。结合大气矢量辐射传输模型和地物目标二向反射特性模型，分析了大气模式、气溶胶模型、地物p-BRDF模型、几何条件等因素对偏振成像的影响，结果表明几何条件和气溶胶模型对偏振成像数据有较大影响。
　　对基于空基偏振图像的天基偏振成像仿真方法来说，获得航拍的偏振图像是前提，而对空基偏振图像进行大气校正，反演得到地面反射率是关键。本文介绍了多角度偏振成像仪DPC航拍图像数据的预处理过程，通过对航拍图像进行图像配准和偏振辐射定标，将偏振波段的三个偏振方向的图像转化为反射率图像和偏振反射率图像，实现了多角度偏振成像仪航拍图像的定量化。在此基础上，详细介绍了气溶胶模型的确定方法，给出了气溶胶光学厚度的反演方法。通过扣除大气影响，获得了地面偏振反射率图像;通过数值仿真，模拟生成了不同大气条件下的天基偏振反射率图像，用于分析天气条件对偏振探测的影响。
　　在基于强度图像的偏振成像仿真方面，介绍了地物偏振二向反射特性获取方法和遥感图像分类方法，采用大气矢量辐射传输模型，生成了不同大气条件和不同几何条件下的偏振成像仿真图像，并对相同条件下的偏振及强度成像仿真结果进行了定量的对比。结果表明:虽然强度仿真图像和偏振仿真图像都随着大气能见度的降低逐渐模糊，但是偏振成像清晰度受大气能见度的影响较弱，在低能见度及后向散射条件下或者某些特定方向上优势更为突出。根据偏振成像的清晰度对观测方向较为敏感这一属性，可通过仿真分析指导航天传感器选择特定的方向进行偏振探测，可以充分发挥偏振成像的优势，提升雾霾条件下航天对地偏振遥感的目标识别能力。
　　为检验偏振仿真结果的有效性，还给出了多种仿真效果检验及评价方法，并将偏振仿真图像和实际航拍的偏振反射率图像进行了对比，验证了偏振成像仿真过程的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的目的和意义

1．2 光学遥感偏振探测技术的发展现状

1．3 光学遥感偏振成像仿真技术研究进展

1．4 研究内容及论文结构

第2章 大气辐射传输理论

2．1 辐射矢量及其表征方法

2．2 大气的散射辐射偏振特性

2．2．1 散射相矩阵

2．2．2 洛伦兹-米散射

2．2．3 瑞利散射

2．2．4 几何散射

2．3 矢量辐射传输及其数值解法

2．3．1 矢量辐射传输方程

2．3．2 矢量辐射传输方程数值解

2．3．3 矢量辐射传输模型

2．4 小结

第3章 偏振成像仿真方法

3．1 偏振成像仿真原理

3．2 偏振成像仿真影响因素

3．2．1 大气模式的影响

3．2．2 气溶胶模型的影响

3．2．3 地物p-BRDF模型的影响

3．2．4 几何条件的影响

3．3 地物偏振二向反射特性的获取

3．3．1 偏振二向反射分布函数

3．3．2 地物偏振二向反射模型

3．3．3 p-BRDF的测量与数据处理

3．4 小结

第4章 偏振成像仿真过程与结果分析

4．1 基于航空偏振遥感图像的天基偏振成像仿真

4．1．1 航空偏振成像数据的获取

4．1．2 地面偏振图像获取

4．1．3 入瞳处偏振图像仿真结果

4．2 基于强度图像的偏振成像仿真

4．2．1 地面偏振图像获取

4．2．2 入瞳处偏振图像仿真结果

4．2．3 偏振仿真与强度仿真结果对比

4．3 小结

第5章 仿真效果评价及验证

5．1 仿真效果检验及评价方法

5．2 偏振成像仿真结果验证与评价

5．3 小结

第6章 总结与展望

6．1 主要工作及创新点

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果