专利名称：一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法
技术领域：
本发明涉及一种通过偏振遥感技术对地表进行探测的方法，特别是关于一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法。
背景技术：
偏振遥感是近来备受关注的一种新兴的对地观测方法，它通过探测大气或者地物反射形成的偏振光来为遥感目标提供新的、潜在的信息。由于大气粒子的强偏振作用，使偏振遥感能够对大气进行有效的探测。但大气的这种强偏振也导致了在星载偏振传感器探测地表时，传感器所接收到的信号主要是大气的偏振信息，而地物的偏振性质常常淹没在大气的偏振辐射中。虽然大量研究表明地表物体具有比较强的偏振特性，也可以作为遥感信息源，但是大气偏振效应强于地表偏振效应，导致星载传感器无法用于地表目标的偏振探测。在国外，法国研制的P0LDER-3传感器是目前唯一在轨的偏振光遥感传感器，它在设计时曾试图对地表目标进行多角度偏振观测，但在使用过程中发现大气的偏振作用过于强烈，常将地物的偏振反射信息淹没，最终以失败告终。目前国内外都没有一个较好的解决方案，偏振遥感的地-气信息分离方法成为偏振遥感对地表进行观测和应用的一个瓶颈。因此，研究如何消除或减少大气偏振对地表偏振的影响已成为对地表进行偏振光遥感的首要问题，而在这方面目前国内外的研究还几乎处于空白状态。发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够消除或减少大气偏振对地表偏振影响的基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其包括以下步骤1)确定天基偏振传感器能够观测到的大气中性点及其物理性质；2)确定Babinet中性点为适用于偏振遥感观测的中性点；3)在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测根据目标观测区域地方时，确定天空中Babinet 中性点与太阳位置的几何关系模型，确定Babinet中性点在空中的位置，并在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测；这时传感器到地表之间的大气的偏振作用为零或减小到一定程度，达到大气偏振效应有效去除，同时地物的偏振信息能够最大限度地获取的程度。
所述步骤幻中，采用下述两种方式之一在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测①采用航空遥感平台搭载的方式在飞机或飞艇等遥感平台上搭载偏振传感器，并调节传感器的拍摄角度，在Babinet中性点区域对地表进行观测；②采用航天遥感平台搭载的方式根据太阳同步轨道相同地域太阳高度角固定特性，由卫星过境时，太阳高度角与Babinet中性点关系模型，确定卫星轨道，在卫星上搭载天基偏振传感器，确保天基偏振传感器观测时处于Babinet中性点区域。
它还包括步骤4)，即通过在非Babinet中性点位置对同一区域进行偏振成像的地面实验，对Babinet中性点位置和非Babinet中性点位置的成像偏振参数结果进行比较验证。
所述步骤幻中的Babinet中性点的位置与太阳高度具有函数关系，其几何位置关系模型为
式中，χ为太阳高度角，y为中性点的高度角。
所述步骤1)中，大气中的中性点分别为Arago中性点、Babinet中性点和 Brewster中性点。
所述步骤；3)中，基于中性点的航空偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力；所述步骤4)中，基于中性点的航天卫星偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力，在太阳同步卫星轨道实现对地表的凝视观测。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明通过对大气中性点的物理特性、分布特性和变化特性的研究，以及在大气中性点线偏振度为零的特性的基础上， 提出了在大气中性点区域放置传感器以进行对地观测的方法，通过本发明方法观测到的地表能够最大限度地去除大气偏振作用的干扰，最大限度地获取地表目标的偏振信息。2、本发明方法有效地解决了利用偏振遥感技术对地表目标进行观测时大气偏振效应过大的问题，对于偏振遥感技术在对地观测方面的发展有着实际的推动意义。3、本发明提供了一种消除大气偏振信息对地物信息干扰的退偏系统，天基观测大气中性点与传感器位置的关系模型，以及选择适用的遥感观测中性点的模型理论。4、本发明方法与航空或卫星偏振遥感探测技术相结合，具有很强的大气穿透能力，使得电磁波探测的衰减达到最�。徊捎帽痉⒚鞣椒ń岷咸敉焦斓郎瓒ǖ奈佬枪斓溃梢允迪侄缘乇淼哪庸鄄狻�5、本发明区别于常规遥感技术利用大气窗口进行地表观测的方法，在偏振遥感对地探测与大气中性点特性相结合的问题上进行了首次探索，具有开拓性。本发明可以广泛用于航空遥感偏振中性点的验证与测量中。
图1是本发明利用大气中性点对地偏振遥感的示意图
图2是本发明天基偏振遥感对地探测地-气信息分离流程示意图
图3是太阳同步轨道示意图
图4(a)是采用本发明在中性点位置观测示意图4(b)是在非中性点位置观测示意图
图5是本发明在非中性点与中性点成像的对比图，其中
图5(a)是无偏振影像在非中性点与中性点成像的对比图5(b)是Q分量偏振影像在非中性点与中性点成像的对比图5(c)是U分量偏振影像在非中性点与中性点成像的对比图5(d)是偏振度影像在非中性点与中性点成像的对比图具体实施方式
_y = 0.9x + 18 (0<x<30) _y = 0.75x + 22.5 (30 <= χ < 90)
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
太阳辐射通过大气层时，被大气粒子散射，产生偏振现象。一般来讲，大气粒子的一次散射使天空偏振产生正值，而多次散射使天空偏振产生负值，天空中的正负偏振的交点为零偏振点，这个点即所谓的大气中性点(Neutral point)，也就是天空中偏振度为零的点。大气中性点包含有两层含义，其一，在实际的大气中，由于多次散射的存在，中性点不是一个独立的点，而是一个天空偏振度为零(或接近于零)的区域；其二，中性点不是天空中固定的一个区域，而是以观测点为起点，方向对着中性点区域的一个圆锥形的区域，在这个圆锥形区域里任何高度偏振度都为零。19世纪初相继观测到天空中三个著名的中性点 Arago (安拉哥)中性点(1809年)、Babinet (巴比涅)中性点(1840年)和Brewster (布儒斯特)中性点(1842年)。
本发明将传感器置于大气中性点区域对地表进行观测，这时传感器到地表之间的大气的偏振作用为零或减小到一定程度，因此可以达到大气偏振效应有效去除，同时地物的偏振信息能够最大限度地获取的程度。如图1所示，图中的大圆(虚线)是地球大气的最外圈，因为离开大气散射，也就不产生中性点了，图中大圆的方向也是当天太阳升起和降落的轨迹；图中太阳的位置是虚拟的，表示的是太阳在全天某一时刻所在的位置。理论上说在传感器到被观测点这条线的方向上，从地表到大圆的任何高度上的点都是中性点，机载和星载的传感器在这些位置都可以进行基于大气中性点的对地偏振遥感。这就构成了本发明偏振遥感基于中性点的退偏系统的基本机理。
基于以上认识，本发明提出了将传感器置于大气中性点区域对地表进行观测的方法，采用本发明方法可以将传感器到地表之间的大气偏振作用减小为零或减小到一定程度，以达到大气偏振效应有效去除，地物的偏振信息能够最大限度地获取的目的。
如图2所示，图中描述了本发明方法的实施过程，其包括以下步骤
1)通过天基遥感的方式确定能否观测到中性点，本发明通过对3500米高空探空气球以及卫星遥感影像的分析结果表明，天基偏振传感器是可以观测到大气中性点的；
2)在三个偏振中性点中选取适用于对地偏振遥感观测的中性点，其首要条件是其位置便于遥感观测并且受外界干扰或影响较�。韵钟械娜鲋行缘闾旎褚８泄鄄馓匦苑治鼋峁砻鳎珺abinet中性点是对地偏振遥感的理想选择。
3)如图3所示，根据Babinet中性点的区域与太阳高度角的位置关系，在Babinet 中性点区域放置天基偏振传感器；对于Babinet中性点，其位置与太阳高度角有一定的函数关系，在光学厚度为0. 10时，可以建立几何位置关系模型。即
权利要求
1.一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其包括以下步骤.1)确定天基偏振传感器能够观测到的大气中性点及其物理性质；.2)确定Babinet中性点为适用于偏振遥感观测的中性点；.3)在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测根据目标观测区域地方时， 确定天空中Babinet中性点与太阳位置的几何关系模型，确定Babinet中性点在空中的位置，并在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测；这时传感器到地表之间的大气的偏振作用为零或减小到一定程度，达到大气偏振效应有效去除，同时地物的偏振信息能够最大限度地获取的程度。
2.如权利要求1所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤幻中，采用下述两种方式之一在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测①采用航空遥感平台搭载的方式在飞机或飞艇等遥感平台上搭载偏振传感器，并调节传感器的拍摄角度，在Babinet中性点区域对地表进行观测；②采用航天遥感平台搭载的方式根据太阳同步轨道相同地域太阳高度角固定特性， 由卫星过境时，太阳高度角与Babinet中性点关系模型，确定卫星轨道，在卫星上搭载天基偏振传感器，确保天基偏振传感器观测时处于Babinet中性点区域。
3.如权利要求1所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于它还包括步骤4)，即通过在非Babinet中性点位置对同一区域进行偏振成像的地面实验，对Babinet中性点位置和非Babinet中性点位置的成像偏振参数结果进行比较验证。
4.如权利要求2所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于它还包括步骤4)，即通过在非Babinet中性点位置对同一区域进行偏振成像的地面实验，对Babinet中性点位置和非Babinet中性点位置的成像偏振参数结果进行比较验证。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤幻中的Babinet中性点的位置与太阳高度具有函数关系，其几何位置关系模型为
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤1)中，大气中的中性点分别为Arago中性点、Babinet中性点禾口 Brewster中性点。
7.如权利要求5所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤1)中，大气中的中性点分别为Arago中性点、Babinet中性点和Brewster 中性点。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤3)中，基于中性点的航空偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力；所述步骤4)中，基于中性点的航天卫星偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力，在太阳同步卫星轨道实现对地表的凝视观测。
9.如权利要求5所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤幻中，基于中性点的航空偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力；所述步骤4)中，基于中性点的航天卫星偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力，在太阳同步卫星轨道实现对地表的凝视观测。
10.如权利要求6所述的一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其特征在于所述步骤幻中，基于中性点的航空偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力；所述步骤4)中，基于中性点的航天卫星偏振遥感观测具有探测电磁波最小衰减能力和穿透大气能力，在太阳同步卫星轨道实现对地表的凝视观测。
全文摘要
本发明涉及一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法，其包括以下步骤1)确定天基偏振传感器能够观测到的大气中性点及其物理性质；2)确定Babinet中性点为适用于偏振遥感观测的中性点；3)根据目标观测区域地方时，确定天空中Babinet中性点与太阳位置的几何关系模型，确定Babinet中性点在空中的位置，并在Babinet中性点方向放置天基偏振传感器进行观测；这时传感器到地表之间的大气的偏振作用为零或减小到一定程度，达到大气偏振效应有效去除，同时地物的偏振信息能够最大限度地获取的程度。本发明区别于常规遥感主要利用大气窗口进行地表观测的限制，可以广泛用于航空航天偏振遥感对地表目标观测中的大气纠正技术与对地观测实用系统中。
文档编号G01C11/04GK102564404SQ20121002606
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者关桂霞, 刘大平, 吴太夏, 吴波, 张文凯, 晏磊, 杨文剑, 段依妮, 相云, 赵海盟, 陈伟 申请人:北京大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
