[发明专利]2π空间偏振观测仪器

说明书

本发明公开了一套2π空间偏振观测仪器，其包括：1)基于2π空间天球划分的基准结构；2)上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制系统；3)变时相多弧度角面元光学偏振成像序列系统。整个系统由计算机控制电控箱工作，电控箱连接安装基面、双轴转台、变时相多弧度角面元光学偏振成像序列系统、数据记录仪以及数据采集终端。该系统可以获得任意时刻的天空偏振分布模式，为寻找大气中性点区域、全天空偏振场量表征和仿生偏振导航的天空偏振矢量线提供数据支撑。

技术领域

本发明涉及一套2π空间全天空偏振观测仪器，实现上半球空间的多角度测量，获得任意时刻的天空偏振分布模式，为寻找大气中性点区域、全天空偏振场量表征和仿生偏振导航的天空偏振矢量线提供数据支撑。

背景技术

偏振与光强、频率、相位是电磁波四大主要属性，但偏振性并未得到足够的重视和充分的利用。事实上，自然界中到处布满了各种各样的天然起偏器，例如，植被、建筑物、云、雾等。目前，越来越多的研究者注意到偏振特性的重要性，偏振仪器逐渐快速发展起来，和各类遥感仪器一样，仪器误差和大气效应、复杂地表要素交织，观测真值难以通过常规仪器的室内定标方法获得，由此成为遥感仪器定量化应用瓶颈和对地观测领域亟待破解的科学难题。在对偏振遥感进行研究的过程中我们发现：大气效应对偏振观测的影响巨大，导致星载遥感器无法接收到地表目标的偏振信息，因此消除大气影响是基础。对于大气偏振特性的研究主要集中于天空偏振模式图、大气中性区和仿生偏振导航。天空偏振模式图是遥感观测天空效应的一个重要特征，描述了偏振信号在全天空的分布。由于不同区域、不同观测角度对应不同的天空偏振模式，因此，构建天空偏振模式图，测定大气中性区区域，是消除大气效应和仿生偏振导航的前提条件。

国内，北京大学晏磊、吴太夏、关桂霞等通过多角度偏振遥感理论与实验研究证明了大气和天空光的偏振特性。通过全天空偏振测量方法分析了天空偏振光分布情况，初步判定天空偏振度分布围绕几个偏振中性区呈环状分布。偏振中性区及非中性区区域的存在，不仅可以为对地遥感提供新的窗口并扩展遥感应用，还可以为偏振遥感器的定标工作和仿生偏振导航提供更多的验证手段。

国外，在大气中性区研究方面，19世纪初相继观测到天空中三个著名的中性区：Arago中性区(1809)、Babinet中性区(1840)、Brewster中性区(1842)。近几十年来，求解向量辐射传输方程的各种数值解法日趋成熟，并逐步应用到对地气系统中天光、反射光偏振特性的研究上来，从而对辐射偏振特性有了定性到半定量的认识。Coulson对Hawaii地区天光偏振度进行了分子大气下天光偏振的模拟分析；并于1988年比较全面地总结了人们对天光特性的研究成果。Chahl和Mizutani于2012年依据天空偏振模式图制作偏振罗盘用于仿生偏振导航；2013年NASA在ACE卫星任务实验中，通过偏振仪获取大气偏振信息，从而完成PODEX偏振仪定标实验,推动了现有的偏振仪器的发展。

偏振探测技术的独特优点，偏振手段能够为寻找大气中性点区域、全天空偏振场量表征和仿生偏振导航的天空偏振矢量线提供数据支撑，并且可用于研究大气衰减效应和仿生偏振导航。但这方面的仪器研究还未成熟，国内对于天空偏振观测仪器几乎属于空白。因此，构建一套2π空间全天空偏振观测仪器具有重大的研究意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是构建一套2π空间全天空偏振观测仪器，该系统可以，实现上半球空间的多角度测量，获得任意时刻的天空偏振分布模式，为寻找大气中性点区域、全天空偏振场量表征和仿生偏振导航的天空偏振矢量线提供数据支撑。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一套2π空间全天空偏振观测仪器，主要包括：1)基于2π空间天球划分的基准结构；2)上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制系统；3)变时相多弧度角面元光学偏振成像序列系统。