CN106840405A - 2π空间偏振观测仪器 - Google Patents
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Abstract
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***；3)变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***。整个***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***、数据记录仪以及数据采集终端。该***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。
Description
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***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***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***；3)变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***。
进一步地，基于2π空间天球划分的基准结构是一个半球形，由有规则的多弧度角面元孔镜(如45个)观测天空的2π空间，并且各观测区域之间重叠(如超过30％重叠率)。观测***能够在2π空间内准确与观测区域重合。成像***的镜头对准光学外罩的孔由上位机软件***控制，由遥感观测决定精度(例如优于0.5°)。
进一步地，上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制***；由双轴转台、安装基面、电子控制箱三部分组成。
进一步地，转台控制***主要由配电单元、驱动单元和控制单元组成，其中配电单元主要包含AC-DC电源和电源滤波器等，可以为驱动单元和控制单元提供稳定可靠的直流电压。该转台采用U-U型结构，方位框轴垂直于机座，实现方位运动，俯仰框轴水平于机座，实现俯仰运动。
进一步地，安装基面根据轴系设计，保证仪器使用的稳定性。轴系是保证转台位置精度和速率精度的关键因素，各框由NSK精密角接触轴承组成轴系，各框轴均选用优质合金钢制成。精加工前进行充分的稳定性处理以保证轴系的长期稳定性，并与轴承进行配磨保证2～5μm的最佳配合间隙。各轴结构设计中尽量考虑转台的可维护性和可测量性，轴端设计有测量基准面以利于日后的周检测量使用。
进一步地，电子控制箱实现整个仪器的控制工作。控制方法采用工程上比较成熟的三环控制结构，从内到外依次为电流环、速率环和位置环。
进一步地，变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***直接安装在双轴转台内部，在成像***前放置多角度偏振片，用来获取目标偏振图像，并将图像传输至数据记录仪和控制上位机。双轴转台的内框架与变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***固联在一起，可以实现方位、高低两个方向的转动，使探测器进行多方向观测。上位机软件可将变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***的图像进行直接采集，并保存。控制电路部分负责***指令、图像信息与数据的接收、发送与传输。多光谱观测覆盖500～1000nm，包括但不限于550nm,670nm,860nm 3个通道。多角度偏振观测，偏振度方向可根据需要覆盖全部角度(例如包括但不仅限于30°，60°，120°)。
进一步地，2π空间全天空偏振观测***，还包括：电源，为各用电设备提供保障。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明装置无庞大复杂器件，体积小。
(2)控制装置性能良好，传输控制简单易操作。
(3)传感器参数设置、图像获取、转轴角度调整、图像存储过程通过计算机终端实现一体化自动控制，降低人工干预带来的抖动等因素。
(4)本发明能够观测天空2π空间的偏振信息，可以360°无死角探测，同步获取全天空偏振模式，图像几何畸变小。
(5)本发明具备数据自动处理功能，对原始数据进行保存，并提供多级数据。
综上所述，本发明提供了一套2π空间全天空偏振观测仪器，该***可以实现全天空的偏振模式多角度多光谱观测，获取天空偏振模式随时间的变化信息，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。
附图说明
图1是本发明2π空间全天空偏振观测仪器模型的半球形基准结构；
图2是2π空间偏振观测仪器；
图3是本发明的***组成框图；
图4是本发明的双轴转台结构图；
(a)为总体结构示意图，(b)为转台结构图；
图5是本发明的转台控制***模型；
图6是本发明2π空间全天空偏振观测仪器的上位机软件***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。
本发明是构建一套2π空间偏振观测仪器。2π空间偏振观测仪可以根据拍摄需要，置换偏振片或者是多光谱波段通道，自动的同时获取并存储多个影像数据，为2π空间的偏振图像信息的高效获取提供了坚实的硬件平台，同时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。
本发明是构建一套2π空间偏振观测仪器，如图2所示，主要包括三部分：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***；3)变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***。
如图1所示，基于2π空间天球划分的基准结构是一个半球形，模拟全天空2π空间，简称外罩。本发明将天空平分为N个区域，每相临两组相机具有重叠度(如超过30％)，计算相机数量如下：
天区对应立体角为2π：
设每个观测相机的观测视场角为每个相机所张立体角为
保证每相临两组相机重叠率为30％，计算相机数量为：
因此要保证相机覆盖全天空偏振且有超过30％重叠度，需要在全天空布置至少34个相机对全天空偏振模式图进行获取。如图5，即为天区划分分布图。本发明的一套2π空间偏振观测仪器的外罩设计制造N＝45个孔位，重叠率约为35％。
变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***主要包括：全偏振成像子***，固定方位角线偏振成像子***，自适应补偿偏振成像子***。同时，还将包括准直透镜组，入射角调整架，阵列支架，控制器与图像数据处理子***等。全偏振成像子***用于获得全部的偏振参数，包括：偏振相位、方位角、椭圆率角、倾斜角、线偏振度、圆偏振度等。子***在获得遥感信息后会立即对上述偏振参数进行测算，与此同时，线偏振成像子***获得的相关参数将对全偏振测算结果进行实时修正。
本发明的***结构图如图3所示，其中，上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制***，由双轴转台、安装基面、电子控制箱三部分组成。
如图4(a)为总体结构示意图，图4(b)为转台结构图，双轴转台采用U-U型结构，方位框轴垂直于机座，实现方位运动，俯仰框轴水平于机座，实现俯仰运动。两框均选用日本NSK公司的精密角接触轴承组成轴系，由直流力矩电机提供转动力矩，码盘作为位置反馈。方位框框架、机座均采用铸铝材料，轴采用优质合金钢材料制成，其余采用硬质合金铝制成。框架经过时效处理、化学分析以及机械性能检测。
安装基面是根据轴系要求设计的三维基面结构图，确保仪器使用过程中的稳定性。轴系是保证转台位置精度和速率精度的关键因素，各框由NSK精密角接触轴承组成轴系，各框轴均选用优质合金钢制成。精加工前进行充分的稳定性处理以保证轴系的长期稳定性，并与轴承进行配磨保证2～5μm的最佳配合间隙。各轴结构设计中尽量考虑转台的可维护性和可测量性，轴端设计有测量基准面以利于日后的周检测量使用。
电子控制箱，也称电控箱，是实现整个仪器的控制工作。控制方法采用工程上比较成熟的三环控制结构，从内到外依次为电流环、速率环和位置环。如图4所示，电流环特性通过合理设置驱动器参数来保证，速率环和位置环在RTX实时控制核心中通过程序算法实现，无论速率、位置还是仿真模式的控制均采用位置牵引方式。校正网络通过数字方式实现，通过调整速度环增益V_P，反馈增益F_P及位置环增益P_P三个比例环节，即可满足***控制要求，并且使***具有较好的快速响应及鲁棒性。控制算法中在位置指令输出和速率控制输出都设置有限幅保护。本发明具备数据自动处理功能，对原始数据进行保存，并提供多级数据。
全天空偏振观测的数据采集与处理***可简单阐述为：实现偏振传感器智能曝光控制，根据影像数据的结果控制下一次曝光模式的选择；传感器获取全天空偏振影像数据的存储及智能处理。实现全天空偏振观测传感器连续拍摄曝光控制，曝光控制主要由FPGA等高精度芯片完成，同步精度可达纳秒级。
1.变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***直接安装在双轴转台内部，在成像***前放置多角度偏振片，用来获取目标偏振图像，并将图像传输至数据记录仪和控制上位机。上位机软件，如图6所示，双轴转台的内框架与变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***固联在一起，可以实现方位、高低两个方向的转动，使探测器进行多方向观测。上位机软件可将变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***的图像进行直接采集，并保存。控制电路部分负责***指令、图像信息与数据的接收、发送与传输。本发明中，多光谱观测覆盖500～1000nm，包括但不限于550nm,670nm,860nm 3个通道。多角度偏振观测，偏振度方向可根据需要覆盖全部角度(例如包括但不仅限于30°，60°，120°)。
整套2π空间全天空偏振观测仪器，通过选择合适的控制测量与控制参数，最终实现对转台的精确控制，其控制策略与控制参数选择不当的情况下，既有可能得到不理想甚至无法使用的图像数据，在合理的控制参数与策略下，可以得到较为满意的图像结果。在整机完整工作的状态下，整机的成像性能和设备的精确定位能力完全可以满足工程需要。
本发明的使用步骤如下：
(1)连接电子控制箱的串口和网线；
(2)安装驱动；修改连接控制盒的串口编号和波特率；
(3)修改电脑IP地址和子网掩码；
(4)打开上位机程序，若连接状态显示为“打开成功”则串口连接成功，再点击打开图像，若无异常且有图像界面显示，则网口连接成功；
(5)如图6，在网口连接状态正常情况下，点击上位机软件右边数字按钮，转台将方位和俯仰转到按钮指定的外罩孔位对其，再点击内框口径，则转台内相机将转到对应的内框波段镜头下，点击清除按钮，则会清除所有已经点击过的数字按钮标记，让数字按钮重新可以点击；
(6)在网口连接正常的情况下，点击打开图像会弹出图像采集窗口，会显示实时图像，点击左上角保存按钮，这会将图像保存到指定路径；
(7)若在使用过程中出现异常，可点击停止按钮，让转台停止转动，点击零位按钮，让转台恢复到零位。
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，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一套2π空间偏振观测仪器，其特征在于，包括基于2π空间天球划分的基准结构；上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制***；变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***。
2.如权利要求1所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，基于2π空间天球划分的基准结构是一个半球形，由有规则的多弧度角面元孔镜观测天空的2π空间，并且各观测区域之间重叠，在2π空间内准确与观测区域重合；变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***的镜头对准光学外罩的孔。
3.如权利要求1所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，上半球空间多角度观测的方位及俯仰一体化转台控制***，包括双轴转台、安装基面、电子控制箱。
4.如权利要求3所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，双轴转台包括配电单元、驱动单元和控制单元，其中配电单元包含AC-DC电源和电源滤波器，用于为驱动单元和控制单元提供稳定可靠的直流电压；该双轴转台采用U-U型结构，方位框轴垂直于机座，实现方位运动，俯仰框轴水平于机座，实现俯仰运动。
5.如权利要求3所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，安装基面根据轴系设计，保证仪器使用的稳定性；轴系是保证转台位置精度和速率精度的关键因素，各框由NSK精密角接触轴承组成轴系。
6.如权利要求3所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，电子控制箱实现整个2π空间偏振观测仪器的控制工作；控制方法采用三环控制结构，从内到外依次为电流环、速率环和位置环。
7.如权利要求1所述的2π空间偏振观测仪器，其特征在于，变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***安装在双轴转台内部，在成像***前放置多角度偏振片，用来获取目标偏振图像，并将图像传输至数据记录仪和控制上位机；双轴转台的内框架与光学偏振成像***固联在一起，实现方位、高低两个方向的转动，使探测器进行多方向观测；上位机软件用于对变时相多弧度角面元光学偏振成像序列***的图像进行直接采集，并保存；控制电路部分负责***指令、图像信息与数据的接收、发送与传输。
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