CN104596940B - 一种全天域大气偏振模式的自动测量*** - Google Patents

一种全天域大气偏振模式的自动测量*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全天域大气偏振模式自动测量***，其特征是包括：全天域信息获取模块、三通道偏振模块和控制模块；全天域光源输入***经全天域信息获取模块输出最优光路的全天域光束至三通道偏振模块，三通道偏振模块对最优光路的全天域光束进行信息类型转换并输出全天域偏振图像信息至控制模块，控制模块控制三通道偏振模块采集获得全天域偏振图像信息，经斯托克斯矢量算法处理和计算，输出全天域大气偏振模式信息。本发明能同时采集同一视场下三个不同偏振方向的全天域偏振图像信息，并获得全天域大气偏振模式信息，从而消除误差。

Description

一种全天域大气偏振模式的自动测量***
技术领域
本发明涉及大气光学研究和智能信息获取领域，具体地说是一种全天域大气偏振模式的自动测量***。
背景技术
太阳光作为一种自然光源在大气层传输过程中因大气层中气溶胶等粒子作用会发生散射，无偏的自然光被转化，产生偏振光。大量太阳光经粒子作用后会在大气层形成特定的偏振态分布，即大气偏振模式。大气偏振模式可通过大气偏振度、偏振化方向来表示。研究发现，大气偏振模式分布具有一定规律性，在一天中呈规律性变化，在一天中某一时刻，某一地点下，因环境暂时的不变性，大气偏振模式具有一定的稳定性。深入研究大气偏振模式的变化情况，分析其变化规律会为导航研究提供一定的理论依据。
为了获得天空中偏振，研究偏振变化情况，人们设计出各种偏振测量装置获取偏振信息。考虑到便利性，设计的偏振测量装置大多采用时域分割及空间域分割的方法获得不同偏振方向下的偏振图像。时域分割即是实验人员通过旋转偏振片分别获得不同偏振方向下的天空偏振图像，如1997年Kenneth J.Voss和Yi Liu设计的一种新型偏振辐射度探测***；空间域分割则是在多个相同的偏振测量装置中分别安装不同方向的偏振片，同时采集同一天域的图像，如2002年匈牙利的Gábor Horváth等人设计的一种三镜头，三个相机的全天空偏振检测计；基于以上两种方法可方便的获取不同偏振方向的天域图像，可操作性强；但这两种方法将会分别因时延和拍摄的空间域不同带来误差。基于时域分割方法的单镜头单相机偏振测量装置因拍摄时需旋转偏振片，会因时延带来一定的误差，基于空间域分割方法的多镜头多相机偏振测量装置则会因同一时间下拍摄视场不同产生一定的误差。
发明内容
本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种全天域大气偏振模式的自动测量***，以期能同时采集同一视场下三个不同偏振方向的全天域偏振图像信息，并获得全天域大气偏振模式信息，从而消除因旋转偏振片采集不同偏振方向下全天域偏振图像及采用多个测量装置同时进行不同偏振方向下全天域图像采集时因时延及位置不同导致视场不同而带来的误差。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种全天域大气偏振模式的自动测量***的特点是包括：全天域信息获取模块、三通道偏振模块和控制模块；所述全天域信息获取模块接收全天域光源进行调节，输出最优光路的全天域光束至所述三通道偏振模块；所述三通道偏振模块对所述最优光路的全天域光束进行信息类型转换，并输出三通道的全天域偏振图像信息至所述控制模块；所述控制模块控制所述三通道偏振模块接收三通道的全天域偏振图像，并对所述三通道的全天域偏振图像进行斯托克斯矢量算法处理，获得全天域大气偏振模式信息。
本发明所述的全天域大气偏振模式的自动测量***的特点也在于：
所述全天域信息获取模块的组成包括：全天域视角镜头，中继镜片，波段选择模块和近焦调节镜头；
所述全天域视角镜头接收所述全天域光源并输出发散光束给所述中继镜片；所述中继镜片对所述发散光源进行调节并输出聚拢光束给所述波段选择模块；所述波段选择模块对所述聚拢光束进行波段选择，输出选择波段的全天域光束给所述近焦调节镜头；所述近焦调节镜头对所述选择波段的全天域光束进行焦距调节后，获得最优光路的全天域光束输出至三通道偏振模块。
所述三通道偏振模块的组成包括：分光棱镜、由一通道偏振片和一通道CCD构成的一通道、由二通道偏振片和二通道CCD构成的二通道、由三通道偏振片和三通道CCD构成的三通道；
所述分光棱镜接收所述最优光路的全天域光束并进行分光处理获得三个方向上的最优光路的全天域光束，将所述三个方向上的最优光路的全天域光束分别传递给所述一通道、二通道和三通道；所述一通道偏振片、二通道偏振片和三通道偏振片分别接收所述三个方向上的最优光路的全天域光束并进行过滤处理获得三个方向上的全天域偏振光后，分别传递给所述一通道CCD、二通道CCD和三通道CCD用于输出三通道的全天域偏振图像信息。
所述波段选择模块是将五个不同波段的滤光片及一个全透玻璃片放置在滤光片旋转轮上而构成的，并由所述控制模块进行波段选择。
在所述自动测量***的外侧设置有防护外壳及环境适应设备；所述防护外壳及环境适应设备包括：圆柱体防护罩、防护盖、圆弧滑轨、圆盘形遮光体和温控器；
所述圆柱体防护罩内部放置所述全天域信息获取模块和三通道偏振模块；在所述圆柱体防护罩的顶部开设有圆形天窗，用于提供给所述全天域信息获取模块接收所述全天域光源；在所述圆形天窗上方设置有可自动开启的防护盖；
在所述圆柱体防护罩的外侧上方设置有所述圆弧滑轨，所述圆弧滑轨以所述圆柱体防护罩的直径为轴进行旋转；在所述圆弧滑轨上设置所述圆盘形遮光体；所述圆盘形遮光体在所述圆弧滑轨上进行移动；以所述圆盘形遮光体形成对太阳直射光的遮挡结构，以所述温控器实现对所述圆柱体防护罩内温度的调节。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用单镜头、多CCD的偏振测量***结构克服了单镜头、单相机下旋转偏振片时因时延带来的误差，克服了多镜头、多相机下因采集视场不同带来的误差；
2、本发明采用控制模块，通过控制三通道偏振模块实现对整个自动测量***的全天域采集控制，可实时获取全天域偏振图像并进行处理得到大气偏振模式信息，避免了利用传统相机采集数据后期进行数据处理的时间延迟，提高了全天域大气偏振模式测量实验效率；
3、本发明采用三通道偏振模块接收最优光路的全天域光束，通过分光棱镜可获得三束等分的最优光路的全天域光束传输至三个不同方向的偏振片，从而获得三个不同偏振方向下同一视场的全天域偏振图像，克服了对不同偏振方向下的全天域偏振图像采集过程中产生的视场差异；
4、本发明采用波段选择模块，安装不同波段的滤光片及全通波段的玻璃片，通过控制滤光片旋转轮的旋转选择滤光片，从而可选择性研究不同波段下全天域大气偏振模式变化情况；
5、本发明中为克服加入波段选择模块带来的光路变化，采用中继镜片和近焦调节镜头调节全天域光束的光路，使光路达到最优后传输至后端的三通道偏振模块。
6、本发明采用防护外壳及环境适应设备设置于全天域大气偏振模式自动测量***的外侧，用于保护***避免雨雪等恶劣天气的影响、遮挡太阳光防止全天域偏振图像采集时的过曝光、维持所述测量***处于恒温条件下避免温度对设备的影响，为连续长时间的户外实验提供了可靠的保护设施。
附图说明
图1为本发明***光路图；
图2为本发明***内部结构框图；
图3为本发明防护外壳及环境适应设备的结构示意图；
图中标号：1全天域视角镜头；2中继镜片；3波段选择模块；4近焦调节镜头；5分光棱镜；6a一通道偏振片；6b二通道偏振片；6c三通道偏振片；7a一通道CCD；7b二通道CCD；7c三通道CCD；8圆柱体防护罩；9防护盖；10圆弧滑轨；11圆盘形遮光体；12温控器。
具体实施方式
本实施例中，一种全天域大气偏振模式的自动测量***包括：全天域信息获取模块、三通道偏振模块和控制模块；图1所示为由全天域信息获取模块和三通道偏振模块组成的光路结构图，全天域信息获取模块接收全天域光源进行调节，输出最优光路的全天域光束至三通道偏振模块；三通道偏振模块对最优光路的全天域光束进行信息类型转换，并输出三通道的全天域偏振图像信息至控制模块；如图2所示，控制模块通过与三通道偏振模块建立通信，控制三通道偏振模块进行图像采集并将数据传输至控制模块，控制模块接收三通道的全天域偏振图像，直接输出三通道的全天域偏振图像进行存储，同时在控制下并对三通道的全天域偏振图像进行计算，利用斯托克斯矢量算法处理三通道的全天域偏振图像，获得偏振参数偏振度及偏振化方向角信息，即为全天域大气偏振模式信息。
如图1所示，本施例中，天域信息获取模块的组成包括：全天域视角镜头1，中继镜片2，波段选择模块3和近焦调节镜头4；
全天域视角镜头1接收全天域光源并输出发散光束给中继镜片2；为了适应后端三通道偏振模块的光路需求，中继镜片2对发散光源的光路进行调节并输出聚拢光束给波段选择模块3；波段选择模块3中是通过控制模块控制滤光片旋转轮的旋转对聚拢光束进行波段选择，输出选择波段的全天域光束给近焦调节镜头4；近焦调节镜头4对选择波段的全天域光束进行焦距调节后，获得最优光路的全天域光束输出至三通道偏振模块。
如图1和2所示，三通道偏振模块的组成包括：分光棱镜5、由一通道偏振片6a和一通道CCD7a构成的一通道、由二通道偏振片6b和二通道CCD7b构成的二通道、由三通道偏振片6c和三通道CCD7c构成的三通道，一通道、二通道和三通道分别位于分光棱镜不同的面上；
分光棱镜5接收最优光路的全天域光束并进行分光处理获得三个方向上的最优光路的全天域光束，将三个方向上的最优光路的全天域光束分别传递给一通道、二通道和三通道；一通道偏振片6a、二通道偏振片6b和三通道偏振片6c分别接收三个方向上的最优光路的全天域光束并进行过滤处理获得三个方向上的全天域偏振光后，分别传递给一通道CCD7a、二通道CCD7b和三通道CCD7c，一通道CCD7a、二通道CCD7b和三通道CCD7c分别用于对接收的全天域偏振光进行信息类型转换，输出三通道的全天域偏振图像信息。
波段选择模块3是将五个不同波段的滤光片及一个全透玻璃片放置在滤光片旋转轮上而构成的，并由控制模块基于串口协议控制滤光片旋转轮的旋转进而选择滤光片进行波段选择，在选择的波段下进行相应的大气偏振模式分析研究实验。
为能长期连续在户外进行大气偏振模式测量实验，在自动测量***的外侧设置有防护外壳及环境适应设备；如图3所示，防护外壳及环境适应设备包括：圆柱体防护罩8、防护盖9、圆弧滑轨10、圆盘形遮光体11和温控器12；
在圆柱体防护罩8的内部放置全天域信息获取模块和三通道偏振模块；在圆柱体防护罩8的顶部开设有圆形天窗，在户外实验时圆形天窗可用于提供给全天域信息获取模块接收全天域光源；在圆形天窗上方设置有可自动开启的防护盖9，用于在非实验时对圆形天窗进行遮盖，从而保护自动测量***不受环境影响；
在圆柱体防护罩8的外侧上方设置有圆弧滑轨10，圆弧滑轨10以圆柱体防护罩8的直径为轴进行旋转；在圆弧滑轨10上设置圆盘形遮光体11；圆盘形遮光体11在圆弧滑轨10上进行移动；在控制模块的控制下，圆弧滑轨10和圆盘形遮光体11同时移动至太阳直射位置，并以圆盘形遮光体11形成对太阳直射光的遮挡结构，在圆柱体防护罩8外侧设置有长方体型可启闭操作窗口；通过所述长方体型操作窗口可将自动测量***放置于圆柱体防护罩8内并进行相关硬件参数的调节，并将温控器12放在长方体型操作窗口中，从而可以在圆柱体防护罩8的外部通过温控器12调节圆柱体防护罩8内的温度；或者通过控制模块控制圆柱体防护罩8内的温度；使所述自动测量***处于常温下。

Claims (2)

1.一种全天域大气偏振模式的自动测量***，其特征是包括：全天域信息获取模块、三通道偏振模块和控制模块；所述全天域信息获取模块接收全天域光源进行调节，输出最优光路的全天域光束至所述三通道偏振模块；所述三通道偏振模块对所述最优光路的全天域光束进行信息类型转换，并输出三通道的全天域偏振图像信息至所述控制模块；所述控制模块控制所述三通道偏振模块接收三通道的全天域偏振图像，并对所述三通道的全天域偏振图像进行斯托克斯矢量算法处理，获得全天域大气偏振模式信息，所述三通道偏振模块的组成包括：分光棱镜(5)、由一通道偏振片(6a)和一通道CCD(7a)构成的一通道、由二通道偏振片(6b)和二通道CCD(7b)构成的二通道、由三通道偏振片(6c)和三通道CCD(7c)构成的三通道；所述分光棱镜(5)接收所述最优光路的全天域光束并进行分光处理获得三个方向上的最优光路的全天域光束，将所述三个方向上的最优光路的全天域光束分别传递给所述一通道、二通道和三通道；所述一通道偏振片(6a)、二通道偏振片(6b)和三通道偏振片(6c)分别接收所述三个方向上的最优光路的全天域光束并进行过滤处理获得三个方向上的全天域偏振光后，分别传递给所述一通道CCD(7a)、二通道CCD(7b)和三通道CCD(7c)用于输出三通道的全天域偏振图像信息；所述全天域信息获取模块的组成包括：全天域视角镜头(1)，中继镜片(2)，波段选择模块(3)和近焦调节镜头(4)；所述全天域视角镜头(1)接收所述全天域光源并输出发散光束给所述中继镜片(2)；所述中继镜片(2)对所述发散光源进行调节并输出聚拢光束给所述波段选择模块(3)；所述波段选择模块(3)对所述聚拢光束进行波段选择，输出选择波段的全天域光束给所述近焦调节镜头(4)；所述近焦调节镜头(4)对所述选择波段的全天域光束进行焦距调节后，获得最优光路的全天域光束输出至三通道偏振模块；所述波段选择模块(3)是将五个不同波段的滤光片及一个全透玻璃片放置在滤光片旋转轮上而构成的，并由所述控制模块进行波段选择。
2.根据权利要求1所述的全天域大气偏振模式的自动测量***，其特征是：在所述自动测量***的外侧设置有防护外壳及环境适应设备；所述防护外壳及环境适应设备包括：圆柱体防护罩(8)、防护盖(9)、圆弧滑轨(10)、圆盘形遮光体(11)和温控器(12)；
所述圆柱体防护罩(8)内部放置所述全天域信息获取模块和三通道偏振模块；在所述圆柱体防护罩(8)的顶部开设有圆形天窗，用于提供给所述全天域信息获取模块接收所述全天域光源；在所述圆形天窗上方设置有可自动开启的防护盖(9)；
在所述圆柱体防护罩(8)的外侧上方设置有所述圆弧滑轨(10)，所述圆弧滑轨(10)以所述圆柱体防护罩(8)的直径为轴进行旋转；在所述圆弧滑轨(10)上设置所述圆盘形遮光体(11)；所述圆盘形遮光体(11)在所述圆弧滑轨(10)上进行移动；以所述圆盘形遮光体(11)形成对太阳直射光的遮挡结构，以所述温控器(12)实现对所述圆柱体防护罩(8)内温度的调节。
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