《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》是北京大學於2012年2月7日申請的專利，該專利的申請號為2012100260669，公布號為CN102564404A，授權公布日為2012年7月11日，發明人是晏磊、吳太夏、陳偉、趙海盟、關桂霞、段依妮、相雲、吳波、張文凱、楊文劍、劉大平。
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》包括以下步驟：1）確定天基偏振感測器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質；2）確定Babinet中性點為適用於偏振遙感觀測的中性點；3）根據目標觀測區域地方時，確定天空中Babinet中性點與太陽位置的幾何關係模型，確定Babinet中性點在空中的位置，並在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測；這時感測器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達到大氣偏振效應有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。該發明區別於常規遙感主要利用大氣視窗進行地表觀測的限制，可以廣泛用於航空航天偏振遙感對地表目標觀測中的大氣糾正技術與對地觀測實用系統中。
2016年12月7日，《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》摘要附圖）
基本介紹
- 公布號：CN102564404A
- 授權日：2012年7月11日
- 申請號：2012100260669
- 申請日：2012年2月7日
- 申請人：北京大學
- 地址：北京市海淀區頤和園路5號北京大學遙感所
- 發明人：晏磊、吳太夏、陳偉、趙海盟、關桂霞、段依妮、相雲、吳波、張文凱、楊文劍、劉大平
- Int.Cl.：G01C11/04(2006.01)I
- 代理機構：北京紀凱智慧財產權代理有限公司
- 代理人：徐寧、關暢
- 學校類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2012年2月，偏振遙感是備受關注的一種新興的對地觀測方法，它通過探測大氣或者地物反射形成的偏振光來為遙感目標提供新的、潛在的信息。由於大氣粒子的強偏振作用，使偏振遙感能夠對大氣進行有效的探測。但大氣的這種強偏振也導致了在星載偏振感測器探測地表時，感測器所接收到的信號主要是大氣的偏振信息，而地物的偏振性質常常淹沒在大氣的偏振輻射中。雖然大量研究表明地表物體具有比較強的偏振特性，也可以作為遙感信息源，但是大氣偏振效應強於地表偏振效應，導致星載感測器無法用於地表目標的偏振探測。在中國以外，法國研製的POLDER-3感測器是2012年2月前唯一在軌的偏振光遙感感測器，它在設計時曾試圖對地表目標進行多角度偏振觀測，但在使用過程中發現大氣的偏振作用過於強烈，常將地物的偏振反射信息淹沒，最終以失敗告終。2012年2月前中國國內外都沒有一個較好的解決方案，偏振遙感的地-氣信息分離方法成為偏振遙感對地表進行觀測和套用的一個瓶頸。因此，研究如何消除或減少大氣偏振對地表偏振的影響已成為對地表進行偏振光遙感的首要問題，而在這方面中國國內外的研究還幾乎處於空白狀態。
發明內容
專利目的
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》的目的是提供一種能夠消除或減少大氣偏振對地表偏振影響的基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法。
技術方案
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》包括以下步驟：1）確定天基偏振感測器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質；2）確定Babinet中性點為適用於偏振遙感觀測的中性點；3）在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測：根據目標觀測區域地方時，確定天空中Babinet中性點與太陽位置的幾何關係模型，確定Babinet中性點在空中的位置，並在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測；這時感測器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達到大氣偏振效應有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。
所述步驟3）中，採用下述兩種方式之一在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測：①採用航空遙感平台搭載的方式：在飛機或飛艇等遙感平台上搭載偏振感測器，並調節感測器的拍攝角度，在Babinet中性點區域對地表進行觀測；②採用航天遙感平台搭載的方式：根據太陽同步軌道相同地域太陽高度角固定特性，由衛星過境時，太陽高度角與Babinet中性點關係模型，確定衛星軌道，在衛星上搭載天基偏振感測器，確保天基偏振感測器觀測時處於Babinet中性點區域。
還包括步驟4），即通過在非Babinet中性點位置對同一區域進行偏振成像的地面實驗，對Babinet中性點位置和非Babinet中性點位置的成像偏振參數結果進行比較驗證。
所述步驟3）中的Babinet中性點的位置與太陽高度具有函式關係，其幾何位置關係模型為：
式中，x為太陽高度角，y為中性點的高度角。
所述步驟1）中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點和Brewster中性點。
所述步驟3）中，基於中性點的航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；所述步驟4）中，基於中性點的航天衛星偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力，在太陽同步衛星軌道實現對地表的凝視觀測。
改善效果
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》由於採取以上技術方案，其具有以下優點：
1、該發明通過對大氣中性點的物理特性、分布特性和變化特性的研究，以及在大氣中性點線偏振度為零的特性的基礎上，提出了在大氣中性點區域放置感測器以進行對地觀測的方法，通過該發明方法觀測到的地表能夠最大限度地去除大氣偏振作用的干擾，最大限度地獲取地表目標的偏振信息。
2、該發明方法有效地解決了利用偏振遙感技術對地表目標進行觀測時大氣偏振效應過大的問題，對於偏振遙感技術在對地觀測方面的發展有著實際的推動意義。
3、該發明提供了一種消除大氣偏振信息對地物信息干擾的退偏系統，天基觀測大氣中性點與感測器位置的關係模型，以及選擇適用的遙感觀測中性點的模型理論。
4、該發明方法與航空或衛星偏振遙感探測技術相結合，具有很強的大氣穿透能力，使得電磁波探測的衰減達到最小；採用該發明方法結合太陽同步軌道設定的衛星軌道，可以實現對地表的凝視觀測。
5、該發明區別於常規遙感技術利用大氣視窗進行地表觀測的方法，在偏振遙感對地探測與大氣中性點特性相結合的問題上進行了首次探索，具有開拓性。該發明可以廣泛用於航空遙感偏振中性點的驗證與測量中。
附圖說明
圖1是《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》利用大氣中性點對地偏振遙感的示意圖；
圖2是該發明天基偏振遙感對地探測地-氣信息分離流程示意圖；
圖3是太陽同步軌道示意圖；
圖4（a）是採用該發明在中性點位置觀測示意圖；
圖4（b）是在非中性點位置觀測示意圖；
圖5是該發明在非中性點與中性點成像的對比圖，其中：圖5（a）是無偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖；圖5（b）是Q分量偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖；圖5（c）是U分量偏振影像在非中性點與中性點成像的對比圖；圖5（d）是偏振度影像在非中性點與中性點成像的對比圖。
技術領域
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》涉及一種通過偏振遙感技術對地表進行探測的方法，特別是關於一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法。
權利要求
1.《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》包括以下步驟：
1）確定天基偏振感測器能夠觀測到的大氣中性點及其物理性質；
2）確定Babinet中性點為適用於偏振遙感觀測的中性點；
3）在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測：根據目標觀測區域地方時，確定天空中Babinet中性點與太陽位置的幾何關係模型，確定Babinet中性點在空中的位置，並在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器進行觀測；這時感測器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，達到大氣偏振效應有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度；
採用下述兩種方式之一在Babinet中性點方向放置天基偏振感測器：
①採用航空遙感平台搭載的方式：在飛機或飛艇上搭載偏振感測器，並調節感測器的拍攝角度，在Babinet中性點區域對地表進行觀測，且該航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力；
②採用航天遙感平台搭載的方式：根據太陽同步軌道相同地域太陽高度角固定特性，由衛星過境時，太陽高度角與Babinet中性點關係模型，確定衛星軌道，在衛星上搭載天基偏振感測器，確保天基偏振感測器觀測時處於Babinet中性點區域，且該航空偏振遙感觀測具有探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣能力。
2.如權利要求1所述的一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特徵在於：它還包括步驟4），即通過在非Babinet中性點位置對同一區域進行偏振成像的地面實驗，對Babinet中性點位置和非Babinet中性點位置的成像偏振參數結果進行比較驗證。
3.如權利要求1或2所述的一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特徵在於：所述步驟3）中的Babinet中性點的位置與太陽高度具有函式關係，其幾何位置關係模型為：
式中，x為太陽高度角，y為中性點的高度角。
4.如權利要求1或2所述的一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特徵在於：所述步驟1）中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點和Brewster中性點。
5.如權利要求3所述的一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法，其特徵在於：所述步驟1）中，大氣中的中性點分別為Arago中性點、Babinet中性點和Brewster中性點。
實施方式
太陽輻射通過大氣層時，被大氣粒子散射，產生偏振現象。一般來講，大氣粒子的一次散射使天空偏振產生正值，而多次散射使天空偏振產生負值，天空中的正負偏振的交點為零偏振點，這個點即所謂的大氣中性點（Neutralpoint），也就是天空中偏振度為零的點。大氣中性點包含有兩層含義，其一，在實際的大氣中，由於多次散射的存在，中性點不是一個獨立的點，而是一個天空偏振度為零（或接近於零）的區域；其二，中性點不是天空中固定的一個區域，而是以觀測點為起點，方向對著中性點區域的一個圓錐形的區域，在這個圓錐形區域裡任何高度偏振度都為零。19世紀初相繼觀測到天空中三個著名的中性點：Arago（安拉哥）中性點（1809年）、Babinet（巴比涅）中性點（1840年）和Brewster（布儒斯特）中性點（1842年）。
《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》將感測器置於大氣中性點區域對地表進行觀測，這時感測器到地表之間的大氣的偏振作用為零或減小到一定程度，因此可以達到大氣偏振效應有效去除，同時地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的程度。如圖1所示，圖中的大圓（虛線）是地球大氣的最外圈，因為離開大氣散射，也就不產生中性點了，圖中大圓的方向也是當天太陽升起和降落的軌跡；圖中太陽的位置是虛擬的，表示的是太陽在全天某一時刻所在的位置。理論上說在感測器到被觀測點這條線的方向上，從地表到大圓的任何高度上的點都是中性點，機載和星載的感測器在這些位置都可以進行基於大氣中性點的對地偏振遙感。這就構成了該發明偏振遙感基於中性點的退偏系統的基本機理。
基於以上認識，《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》提出了將感測器置於大氣中性點區域對地表進行觀測的方法，採用該發明方法可以將感測器到地表之間的大氣偏振作用減小為零或減小到一定程度，以達到大氣偏振效應有效去除，地物的偏振信息能夠最大限度地獲取的目的。
如圖2所示，圖中描述了《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》方法的實施過程，其包括以下步驟：
1）通過天基遙感的方式確定能否觀測到中性點，該發明通過對3500米高空探空氣球以及衛星遙感影像的分析結果表明，天基偏振感測器是可以觀測到大氣中性點的；
2）在三個偏振中性點中選取適用於對地偏振遙感觀測的中性點，其首要條件是其位置便於遙感觀測並且受外界干擾或影響較小，對2012年2月前的三個中性點天基偏振遙感觀測特性分析結果表明，Babinet中性點是對地偏振遙感的理想選擇。
3）如圖3所示，根據Babinet中性點的區域與太陽高度角的位置關係，在Babinet中性點區域放置天基偏振感測器；對於Babinet中性點，其位置與太陽高度角有一定的函式關係，在光學厚度為0.10時，可以建立幾何位置關係模型。即
式中，x為太陽高度角，y為中性點的高度角。由於光學厚度對Babinet中性點的影響較小，當光學厚度為其他值時，幾何位置觀測模型與此類同。對於赤道地區，正午時刻太陽高度角為90度，垂直照射地表，所有的中性點都匯集在太陽點，這時候垂直觀測地表，偏振感測器處於中性點區域；這是一種特殊情況。
4）《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》可以採用兩種方式在Babinet中性點區域放置天基偏振感測器：
①採用航空遙感平台搭載的方式：在飛機或飛艇等遙感平台上搭載偏振感測器，並調節感測器的拍攝角度，在Babinet中性點區域對地表進行觀測；
②採用航天遙感平台搭載的方式：如圖3所示，根據衛星經過被觀測區域的地方時間，計算太陽高度角和Babinet中性點在天空中的位置關係，進而可以求解太陽與Babinet中性點之間的夾角大小，即圖3中Babinet中性點與太陽之間的角距。將軌道的光照角設定成標準大氣的太陽與Babinet中性點之間的夾角大小，以此為依據設計衛星軌道，在衛星上搭載天基偏振感測器。此時衛星過境時，偏振感測器可以始終在Babinet中性點的位置對地表進行觀測，以達到消除大氣偏振效應、獲取地表偏振特徵信息的作用。
其中，衛星軌道的設計依據可從太陽同步軌道來考慮。由於Babinet中性點的位置與太陽位置的相對關係較為一致，太陽同步軌道是利用中性點對地遙感的最佳選擇。如圖3所示，太陽同步軌道的太陽照射軌道面的方向在一年內基本保持不變，即軌道平面法線與太陽方向在赤道平面上的投影之間的夾角保持不變，衛星通過赤道節點的地方時不變。在太陽同步軌道上，衛星於同一緯度的地點，每天在同一地方時同一方向上通過，因此太陽光的入射角幾乎是固定的，即太陽同步衛星軌道可實現對地表的凝視觀測，這對利用太陽反射光的被動式遙感器來說就具備了觀測條件固定的優點。
5）通過地面實驗進行驗證，實驗是在中性點位置和非中性點位置分別對同一區域進行偏振成像，然後對成像的偏振參數結果進行比較。如圖4所示，為地面實驗驗證的觀測幾何示意圖，圖4（a）為在中性點位置觀測，圖4（b）為在非中性點位置觀測。圖中地表與中性點所示的連線上偏振度為零。
上述實施例中，可以通過搭載偏振相機進行航飛實驗進一步驗證本專利的地-氣信息分離方法。因此所有基於偏振中性點原理的遙感地面觀測方法和手段，包括航空及衛星觀測都具有這樣探測電磁波最小衰減能力和穿透大氣的能力，它是完全不同於常規遙感利用大氣視窗進行地表觀測的一種新方法和新手段。
圖5為中性點位置成像與非中性點位置成像的偏振參數對比圖。目標區域為頤和園景區。圖5左邊圖像為非中性點觀測的影像，右邊圖像為中性點觀測的影像。
圖5（a）為沒有加偏振片拍攝的影像，大氣能見度較高，無論在中性點區域觀測還是在非中性點區域觀測，所得圖像都比較清晰，但可以看出在中性點觀測的圖像更清晰一點，地物顏色對比更鮮明；
加上偏振片以後，分別在非中性點和中性點拍攝得到偏振影像如下。
圖5（b）為計算兩幅影像得到的相應Q分量偏振影像，兩幅Q分量影像受大氣的影像都比較小，能夠較清晰地物的信息，特別是對人工建築物以及山上裸露的土壤都有很好的表現力，但在中性點觀測的影像（右）顏色對比更清晰一點，非中性點的影像（左）由於大氣干擾效應整體上有一層淡淡的淺紅色，仍然可以看出在中性點比在非中性點觀測更能消除大氣的影響；
圖5（c）為兩幅偏振圖像分別計算得到的U分量偏振影像，顯然，可以看出中性點觀測的影像（右）里可以看出塔和植被的輪廓，非中性點觀測的影像（右）各種輪廓則較模糊，因此中性點觀測影像反映的地物信息要豐富。
圖5（d）是兩種觀測下的偏振度影像，需要重點研究。因為偏振度反映的是地物偏振程度的大小的物理量，在前文所說的地-氣效應難以分離的影像也就是指偏振度影像。在中性點觀測的偏振度影像（右）上，無論近處的頤和園萬壽山佛香閣（距拍攝點直線距離約3.1千米）還是遠處的西山（距拍攝點直線距離約6-8千米）都清晰可見，特別是山上的裸土（或道路）信息與無偏振圖像（圖3（a））有很好的吻合。而在非中性點觀測的偏振度影像（左）上，近處的地物信息有不錯的表現（如佛香閣可見），但遠處的山的信息卻要弱得多，僅能依稀顯現山的輪廓。這就說明遠處的山的偏振信息在非中性點觀測時無法獲取到。這也說明隨著拍攝點到地物的距離增大，大氣的偏振效應增大，地物的偏振信息變弱。
對於圖5（d）的兩幅影像，從上面的比較可以看出中性點觀測的偏振度影像（右）上地物的信息量遠大於非中性點觀測偏振度影像（左）上地物的信息量，特別是對遠距離的地物目標。這就說明了中性點區域成像可以達到消除大氣偏振效應，增強地物偏振效應的效果。從實驗上論證了利用中性點進行地-氣信息分離方法的行性。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種基於大氣中性點的偏振遙感地-氣信息分離方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
