基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，包括偏振傳感器裝置、偏振傳感器機械平臺、控制單元、計算機；所述偏振傳感器裝置固定在偏振傳感器機械平臺上；所述偏振傳感器裝置的控制端與控制單元相連接，進行數(shù)據(jù)的采集與控制；所述控制單元連接計算機，進行數(shù)據(jù)及控制信號通信。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觀測中的大氣糾正技術(shù)與對地觀測實用系統(tǒng)中。
【專利說明】基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種通過偏振遙感技術(shù)對地表進行探測的裝置，特別涉及基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離的測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]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的偏振探測。
[0003]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。
[0004]目前國內(nèi)外都沒有一個較好的解決方案，偏振遙感的地-氣信息分離測量裝置成為偏振遙感對地表進行觀測和應(yīng)用的一個瓶頸。因此，研究如何對地表信息進行測量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】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一套完備的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-氣信息分離測量裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0007]—種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，包括偏振傳感器裝置、偏振傳感器機械平臺、控制單元、計算機；其中，所述偏振傳感器裝置固定在偏振傳感器機械平臺上；所述偏振傳感器裝置與控制單元相連接，進行數(shù)據(jù)的采集與控制；所述控制單元通過USB接口連接計算機，進行數(shù)據(jù)及控制信號通信。
[0008]進一步地，所述偏振傳感器機械平臺包括:偏振傳感器放置面板、角度調(diào)平儀、伸縮連接桿、360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、標定刻度盤、伸縮螺旋桿和飛機接口面板；所述角度調(diào)平儀緊密貼合在偏振傳感器放置面板上，所述偏振傳感器放置面板與所述伸縮連接桿下端相連，實現(xiàn)偏振傳感器放置面板與水平方向的夾角變化；所述伸縮連接桿上端與360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤連接，而360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤通過中心轉(zhuǎn)軸與標定刻度盤連接，實現(xiàn)在水平面方向角度的變化；所述360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上端與伸縮螺旋桿相連接，實現(xiàn)整個測量裝置的垂直方向上的距離變化；所述伸縮螺旋桿與飛機接口面板連接。
[0009]進一步地，所述伸縮螺旋桿包括固連桿、齒輪、螺旋轉(zhuǎn)桿和接口連接口，通過齒輪的咬合轉(zhuǎn)動引起齒輪在螺旋轉(zhuǎn)桿垂直方向的改變，從而改變固連桿的高低位置，實現(xiàn)偏振傳感器裝置在垂直方向上的高低變化。
[0010]進一步地，所述偏振傳感器機械平臺通過飛機接口面板固定在航拍飛機上，實現(xiàn)整個地-氣信息分離測量裝置可以簡易的在飛機上放置。
[0011]進一步地，所述偏振傳感器裝置包括:三個偏振傳感單元，成品字形排列，由所述角度調(diào)平儀進行水平調(diào)整，保證三個偏振傳感單元在同一水平面。
[0012]進一步地，所述偏振傳感單元包括:濾光片、光學鏡頭、納米液晶調(diào)制器、偏振檢偏器、濾光膜和CCD圖像傳感器，所述濾光片、光學鏡頭、納米液晶調(diào)制器和偏振檢偏器依次排列在一條軸線上，濾光片放置角度分別為0°、60°和120° ;所述濾光膜和CCD圖像傳感器分為兩組，一組放在所述偏振檢偏器后方并與之在同一軸線，另一組放置在所述偏振檢偏器上方與之上表面平行；其中CCD圖像傳感器，用于感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，其上添加的濾光膜，以獲得不同波段的偏振影像。
[0013]進一步地，所述納米液晶調(diào)制器由兩納米光學偏振器和液晶構(gòu)成，且液晶在兩納米光學偏振器中間。
[0014]進一步地，所述控制單元包括:一工程控制機(以下簡稱工控機)，與每個偏振傳感單元有兩根線相連，一根為信號控制線(通過PCI插槽和工控機相連)負責從工控機獲取快門控制信號；另一根為數(shù)據(jù)傳輸線(USB連接)，負責圖像數(shù)據(jù)的傳輸；一 PCI板卡，提供8路帶3750vdc隔離保護的光隔離數(shù)字量輸入，用于在噪聲下接受數(shù)字量輸入；以及提供8路續(xù)電器輸出，用于開/關(guān)控制設(shè)備或小型電力開關(guān)。
[0015]進一步地，所述計算機包括計算機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和視頻/圖像顯示系統(tǒng)。
[0016]進一步地，所述計算機控制系統(tǒng)包括:一參數(shù)格式設(shè)置模塊，用于設(shè)置所述偏振傳感器裝置的拍攝參數(shù)，包括拍攝照片的數(shù)量num (實際拍攝的為num/2-l)以及間隔時間time (單位:毫秒)，相機快門控制輸出的選擇；一積分時間設(shè)置模塊，用于根據(jù)觀測條件設(shè)置積分時間和曝光頻率，輸入所述傳感器裝置的采集控制電路中；一轉(zhuǎn)軸角度調(diào)整模塊，其中預(yù)設(shè)置角度調(diào)整時間與大小，用于使所述偏振傳感器同時獲取大氣中性點與非大氣中性點拍攝的圖像；一數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲傳感器采集到的圖像信息。
[0017]所述計算機控制系統(tǒng)還可以設(shè)置圖像參數(shù)，包括圖像的數(shù)據(jù)位深、圖像存儲格式、圖像的像素數(shù)、色彩的亮度、飽和度和環(huán)境參數(shù)。
[0018]進一步地，基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，還包括:電源，為各用電設(shè)備提供保障。
[0019]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:
[0020]( I)本發(fā)明裝置無龐大復(fù)雜器件，體積小，容易在飛機上放置并進行航拍。
[0021](2)控制裝置的物理結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，傳輸控制簡單易操作。
[0022](3)傳感器參數(shù)設(shè)置、圖像獲取、轉(zhuǎn)軸角度調(diào)整、圖像存儲過程通過計算機終端實現(xiàn)一體化自動控制，降低人工干預(yù)帶來的抖動等因素。
[0023](4)本發(fā)明能夠三角度偏振同平面測量，可以360°無死角探測，同步獲取大氣中性點與非大氣中性點的圖像信息，圖像幾何畸變小。[0024](5)本發(fā)明具備數(shù)據(jù)自動處理功能，對原始數(shù)據(jù)進行保存，并提供多級數(shù)據(jù)。
[0025]綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，能同時提取大氣中性點與非大氣中性點的地表信息，能夠有效的消減大氣強偏振效應(yīng)對地物偏振的影響，在中性點位置對地物進行遙感觀測，地物信息所占比例要大于在非中性點位置進行觀測，即中性點位置比在非中性點位置的影像擁有更多的地物信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明偏振傳感器裝置和偏振傳感器機械平臺結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2是本發(fā)明所使用的偏振傳感器裝置側(cè)面圖；
[0028]圖3是本發(fā)明偏振傳感單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖4是本發(fā)明角度可調(diào)伸縮轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖5是伸縮螺旋桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖6是本發(fā)明地-氣信息分離測量裝置整體示意圖；
[0032]圖7是非大氣中性點下拍攝的地表圖像；
[0033]圖8是大氣中性點下拍攝的地表圖像；
[0034]其中:1 一偏振傳感單兀；2—角度調(diào)平儀；3—偏振傳感器放置面板；4一伸縮連接桿；5— 360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤；6—大伸縮螺旋桿；7—飛機接口面板；8、9一傳輸連接線；10、
11、12—偏振成像單兀；13—光學鏡頭；14一納米液晶調(diào)制器；15—納米光學偏振器；16—液晶；17—偏振檢偏器；18—濾光膜；19一(XD圖像傳感器；20—標定刻度盤；21—固連桿；22—齒輪；23—螺旋轉(zhuǎn)桿；24—接口連接口 ；25—濾光片。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0036]本系統(tǒng)是偏振航飛實驗的觀測系統(tǒng)。它能夠根據(jù)拍攝需要，自動的同時獲取并存儲多個影像數(shù)據(jù)。為偏振影像的高效獲取提供了堅實的硬件平臺。
[0037]如圖1和圖6所示，本發(fā)明基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置包括偏振傳感器裝置、偏振傳感器機械平臺、控制單元、計算機和電源；偏振傳感器裝置固定在偏振傳感器機械平臺上；偏振傳感器裝置與控制單元相連接，進行數(shù)據(jù)的采集與控制；控制單元通過USB接口連接計算機，進行數(shù)據(jù)及控制信號通信；電源為各用電設(shè)備提供保障。
[0038]偏振傳感器裝置包括三個偏振傳感單元1，偏振傳感器機械平臺包括一角度調(diào)平儀2、一偏振傳感器放置面板3、兩伸縮連接桿4、一 360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤5、一大伸縮螺旋桿6和飛機接口面板7和傳輸連接線8、9。其中偏振傳感器放置面板3、兩伸縮連接桿4、360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤5、大伸縮螺旋桿6和飛機接口面板7順序排列，且各中心同軸。角度調(diào)平儀2緊密貼合在傳感器放置面板3上，放置面板3與兩伸縮連接桿4下端相連，兩伸縮連接桿4上端與360°旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤5連接，轉(zhuǎn)盤上端5與伸縮螺旋桿6相連接，伸縮螺旋桿6與飛機接口面板7連接，實現(xiàn)整個測量裝置可以簡易的在飛機上放置。
[0039]偏振傳感單元I可以與工程控制機和計算機進行數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。
[0040]如圖2所示，本發(fā)明的偏振成像單元10所加的濾光片為0°濾光片，偏振成像單元11所加的濾光片為60°濾光片，偏振成像單元12所加的濾光片為120°濾光片。
[0041]如圖3所示，本發(fā)明的一個偏振單元由藍色濾光片25、光學鏡頭13、納米液晶調(diào)制器14、偏振檢偏器17、兩濾光膜18和兩CXD圖像傳感器19組成。濾光片11、光學鏡頭13、納米液晶調(diào)制器14和偏振檢偏器17在一條軸線上。兩濾光膜18和兩CXD圖像傳感器19分別分為兩組，一組放在偏振檢偏器后方并與之在同一軸線，另一組放置在偏振檢偏器上方與之上表面平行。納米液晶調(diào)制器14是由兩納米光學偏振器15和液晶16構(gòu)成，且液晶在兩納米光學偏振器中間。
[0042]如圖1、圖4所示，本發(fā)明的偏振傳感器機械平臺核心是由角度可調(diào)伸縮轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，包括兩伸縮連接桿4、360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤5、標定刻度盤20和大伸縮螺旋桿6組成。兩伸縮連接桿非同步伸縮可形成一個角度以Θ來表述，Θ角度的變化范圍為0° -45°。這個角度的形成實現(xiàn)偏振傳感器水平方向上的角度變化，可以使一個偏振單元在大氣中性點區(qū)域另兩個觀測非大氣中性點區(qū)域，或使兩個偏振單元觀測大氣中性點區(qū)域另一個觀測飛大氣中性點區(qū)域，實現(xiàn)同時刻的大氣中性點與非大氣中性點的測量。360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤5按標定刻度盤20可順時針旋轉(zhuǎn)180°也可逆時針旋轉(zhuǎn)180°，實現(xiàn)同一觀測區(qū)域的不同偏振單元的切換，例如在這一時刻，偏振單元10觀測大氣中性點區(qū)域，偏振單元11和12觀測非大氣中性點區(qū)域，將轉(zhuǎn)盤5順時針旋轉(zhuǎn)120°后，偏振單元11觀測大氣中性點區(qū)域，而偏振單元10和12觀測非大氣中性點區(qū)域。
[0043]如圖1、圖4、圖5所示，本發(fā)明的大伸縮螺旋桿6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括固連桿21、兩齒輪22、一螺旋轉(zhuǎn)桿23和接口連接口 24組成。通過兩齒輪的咬合轉(zhuǎn)動可以引起齒輪在螺旋轉(zhuǎn)桿垂直方向的改變，從而改變固連桿21的高低位置，實現(xiàn)偏振傳感器裝置在垂直方向上的高低變化，這樣可以同時改變?nèi)駛鞲袉卧^測區(qū)域的狀態(tài)。例如，飛機在同一水平面上飛行，三偏振單元剛好同時觀測大氣中性點區(qū)域，由于大氣中性點區(qū)域是一個從上而下的錐形區(qū)域，那么通過大伸縮螺旋桿6的變短，將偏振傳感器裝置在豎直方向的位置提升到錐形區(qū)域頂端，三偏振傳感單元I就已不再大氣中性點區(qū)域了，此時觀測到的是非大氣中性點區(qū)域。
[0044]本發(fā)明的使用步驟如下:
[0045]I)由于使用的軟件的關(guān)系，每個傳感器的代號是根據(jù)傳感器的時間決定的，其代號為2001、2002、2003、2004，因此傳感器的時間分別設(shè)置為相應(yīng)年份。步驟如下:menu菜單_>設(shè)置菜單_>世界時間_>日期，按多重選擇鍵的上下修改時間就可以了。
[0046]2)分別為每個傳感器連上快門控制線和USB數(shù)據(jù)傳輸線；
[0047]3)保證電源是關(guān)閉的，然后將紅線也就是電源正極線接到直流穩(wěn)壓電源紅色旋鈕處，并順時針旋轉(zhuǎn)至擰緊，接下來將黑色電源線接到直流穩(wěn)壓電源的負極并順時針旋轉(zhuǎn)擰緊；
[0048]4)打開電源開關(guān)，這時候LED顯示屏被點亮，顯示當前電壓值；首先旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕COARSE至15V左右，然后旋轉(zhuǎn)精調(diào)旋鈕FINE至15V (工控機正常工作電壓15V)；
[0049]5)默認開機就會對傳感器進行檢測。如果沒有檢測到傳感器，我們處理以后重新檢測可以依次:開始_>啟動->1\2\3\4來重新開始檢測傳感器。
[0050]6)當窗口中顯示傳感器已經(jīng)連接完成時，打開D0S0FE.exe (這個程序是放在工控機里的程序，開機自動啟動，啟動后首先搜索傳感器的信號，傳感器連接正常，則會自動跳出設(shè)置參數(shù)界面)在此界面上設(shè)置拍攝的參數(shù)，包括拍攝照片的數(shù)量num (實際拍攝的為num/2-1)以及間隔時間time (單位:毫秒)，傳感器的選擇(八個通道D0\D1\D2\D3\D4\D5\D6\D7，全選)。
[0051]7)參數(shù)設(shè)置完成后，點擊D0S0FE.exe參數(shù)設(shè)置界面上write byte開始拍攝照片。工控機的PCI板上燈間隔time/2的時間亮滅，當燈亮的瞬間相機拍攝，其他時間傳輸數(shù)據(jù)到電腦中，由于數(shù)據(jù)比較大，所以設(shè)置time的時候要注意至少要5?6s (也就是time=5000 ?6000ms)。
[0052]8)圖像拍攝完成后會傳到電腦C盤的默認文件夾，點擊查看。
[0053]在非大氣中性點下拍攝的地表圖像如圖7所示，在大氣中性點下拍攝的地表圖像如圖8所示。從兩幅圖對比看，可以明顯看出，在大氣中性點下，大氣對地表信息的偏振衰減效應(yīng)為最小甚至幾乎沒有偏振效應(yīng)，因此獲取的地物信息是最全的，拍攝出來的圖像要比非大氣中性點下拍攝的圖像明顯清晰很多。
[0054]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，包括偏振傳感器裝置、偏振傳感器機械平臺、控制單元、計算機；其中，所述偏振傳感器裝置固定在偏振傳感器機械平臺上，所述偏振傳感器裝置與控制單元相連接，所述控制單元連接計算機，該裝置通過儀器探測實現(xiàn)地表無/很小大氣偏振影響探測，完成地表-大氣偏振效應(yīng)分離。
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-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述偏振傳感器機械平臺包括:偏振傳感器放置面板、角度調(diào)平儀、伸縮連接桿、360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、標定刻度盤、伸縮螺旋桿和飛機接口面板；所述角度調(diào)平儀緊密貼合在偏振傳感器放置面板上，所述偏振傳感器放置面板與所述伸縮連接桿下端相連；所述伸縮連接桿上端與360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤連接，所述360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤通過中心轉(zhuǎn)軸與標定刻度盤連接；所述360°可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上端與伸縮螺旋桿相連接；所述伸縮螺旋桿與飛機接口面板連接。
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-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述偏振傳感器裝置包括:三個偏振傳感單元，成品字形排列并保持在同一水平面。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述偏振傳感單元包括:濾光片、光學鏡頭、納米液晶調(diào)制器、偏振檢偏器、濾光膜和CCD圖像傳感器，所述濾光片、光學鏡頭、納米液晶調(diào)制器和偏振檢偏器依次排列在一條軸線上；所述濾光膜和CCD圖像傳感器分為兩組，一組放在所述偏振檢偏器后方并與之在同一軸線，另一組放置在所述偏振檢偏器上方與之上表面平行。
5.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-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述計算機包括計算機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和視頻/圖像顯示系統(tǒng)。
6.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-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述計算機控制系統(tǒng)包括: 一參數(shù)格式設(shè)置模塊，用于設(shè)置所述偏振傳感器裝置的拍攝參數(shù)； 一積分時間設(shè)置模塊，用于根據(jù)觀測條件設(shè)置積分時間和曝光頻率，輸入所述傳感器裝置的采集控制電路中； 一轉(zhuǎn)軸角度調(diào)整模塊，其中預(yù)設(shè)置角度調(diào)整時間與大小，用于使所述偏振傳感器同時獲取大氣中性點與非大氣中性點拍攝的圖像； 一數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲傳感器采集到的圖像信息。
7.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-氣信息分離測量裝置，其特征在于，所述計算機控制系統(tǒng)還可以設(shè)置圖像參數(shù)，包括圖像的數(shù)據(jù)位深、圖像存儲格式、圖像的像素數(shù)、色彩的亮度、飽和度和環(huán)境參數(shù)。
【文檔編號】G01C11/04GK103743389SQ201310751381
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】晏磊, 陳偉, 吳太夏, 趙紅穎, 楊彬, 趙海盟, 楊尚強, 張文凱, 路穎 申請人:北京大學