CN102564404B - 一种基于大气中性点的偏振遥感地-气信息分离方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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POLDER-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3)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3)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：

$\left\{\begin{array}{cc}y=0.9x+18& (0<x<30)\\ y=0.75x+22.5& (30<=x<90)\end{array}\right.$

式中，x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小；采用本发明方法结合太阳同步轨道设定的卫星轨道，可以实现对地表的凝视观测。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。

附图说明

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；

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；

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；

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；

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

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小，对现有的三个中性点天基偏振遥感观测特性分析结果表明，Babinet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

$\left\{\begin{array}{cc}y=0.9x+18& (0<x<30)\\ y=0.75x+22.5& (30<=x<90)\end{array}\right.$

式中，x为太阳高度角，y为中性点的高度角。由于光学厚度对Babinet中性点的影响较小，当光学厚度为其他值时，几何位置观测模型与此类同。对于赤道地区，正午时刻太阳高度角为90度，垂直照射地表，所有的中性点都汇集在太阳点，这时候垂直观测地表，偏振传感器处于中性点区域；这是一种特殊情况。

4)本发明可以采用两种方式在Babinet中性点区域放置天基偏振传感器：

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：如图3所示，根据卫星经过被观测区域的地方时间，计算太阳高度角和Babinet中性点在天空中的位置关系，进而可以求解太阳与Babinet中性点之间的夹角大小，即图3中Babinet中性点与太阳之间的角距。将轨道的光照角设置成标准大气的太阳与Babinet中性点之间的夹角大小，以此为依据设计卫星轨道，在卫星上搭载天基偏振传感器。此时卫星过境时，偏振传感器可以始终在Babinet中性点的位置对地表进行观测，以达到消除大气偏振效应、获取地表偏振特征信息的作用。

其中，卫星轨道的设计依据可从太阳同步轨道来考虑。由于Babinet中性点的位置与太阳位置的相对关系较为一致，太阳同步轨道是利用中性点对地遥感的最佳选择。如图3所示，太阳同步轨道的太阳照射轨道面的方向在一年内基本保持不变，即轨道平面法线与太阳方向在赤道平面上的投影之间的夹角保持不变，卫星通过赤道节点的地方时不变。在太阳同步轨道上，卫星于同一纬度的地点，每天在同一地方时同一方向上通过，因此太阳光的入射角几乎是固定的，即太阳同步卫星轨道可实现对地表的凝视观测，这对利用太阳反射光的被动式遥感器来说就具备了观测条件固定的优点。

5)通过地面实验进行验证，实验是在中性点位置和非中性点位置分别对同一区域进行偏振成像，然后对成像的偏振参数结果进行比较。如图4所示，为地面实验验证的观测几何示意图，图4(a)为在中性点位置观测，图4(b)为在非中性点位置观测。图中地表与中性点所示的连线上偏振度为零。

上述实施例中，可以通过搭载偏振相机进行航飞实验进一步验证本专利的地-气信息分离方法。因此所有基于偏振中性点原理的遥感地面观测方法和手段，包括航空及卫星观测都具有这样探测电磁波最小衰减能力和穿透大气的能力，它是完全不同于常规遥感利用大气窗口进行地表观测的一种新方法和新手段。

图5为中性点位置成像与非中性点位置成像的偏振参数对比图。目标区域为颐和园景区。图5左边图像为非中性点观测的影像，右边图像为中性点观测的影像。

图5(a)为没有加偏振片拍摄的影像，大气能见度较高，无论在中性点区域观测还是在非中性点区域观测，所得图像都比较清晰，但可以看出在中性点观测的图像更清晰一点，地物颜色对比更鲜明；

加上偏振片以后，分别在非中性点和中性点拍摄得到偏振影像如下。

图5(b)为计算两幅影像得到的相应Q分量偏振影像，两幅Q分量影像受大气的影像都比较小，能够较清晰地物的信息，特别是对人工建筑物以及山上裸露的土壤都有很好的表现力，但在中性点观测的影像(右)颜色对比更清晰一点，非中性点的影像(左)由于大气干扰效应整体上有一层淡淡的浅红色，仍然可以看出在中性点比在非中性点观测更能消除大气的影响；

图5(c)为两幅偏振图像分别计算得到的U分量偏振影像，显然，可以看出中性点观测的影像(右)里可以看出塔和植被的轮廓，非中性点观测的影像(右)各种轮廓则较模糊，因此中性点观测影像反映的地物信息要丰富。

图5(d)是两种观测下的偏振度影像，需要重点研究。因为偏振度反映的是地物偏振程度的大小的物理量，在前文所说的地-气效应难以分离的影像也就是指偏振度影像。在中性点观测的偏振度影像(右)上，无论近处的颐和园万寿山佛香阁(距拍摄点直线距离约3.1千米)还是远处的西山(距拍摄点直线距离约6-8千米)都清晰可见，特别是山上的裸土(或道路)信息与无偏振图像(图3(a))有很好的吻合。而在非中性点观测的偏振度影像(左)上，近处的地物信息有不错的表现(如佛香阁可见)，但远处的山的信息却要弱得多，仅能依稀显现山的轮廓。这就说明远处的山的偏振信息在非中性点观测时无法获取到。这也说明随着拍摄点到地物的距离增大，大气的偏振效应增大，地物的偏振信息变弱。

对于图5(d)的两幅影像，从上面的比较可以看出中性点观测的偏振度影像(右)上地物的信息量远大于非中性点观测偏振度影像(左)上地物的信息量，特别是对远距离的地物目标。这就说明了中性点区域成像可以达到消除大气偏振效应，增强地物偏振效应的效果。从实验上论证了利用中性点进行地-气信息分离方法的可行性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

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；

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：

①采用航空遥感平台搭载的方式：在飞机或飞艇上搭载偏振传感器，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，且该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；

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，且该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。

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：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。

3.如权利要求1或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：所述步骤3）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：

$\left\{\begin{array}{cc}y=0.9x+18& (0<x<30)\\ y=0.75x+22.5& (30<=x<90)\end{array}\right.$

式中，x为太阳高度角，y为中性点的高度角。

4.如权利要求1或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：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。

5.如权利要求3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。

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