专利名称：一种包含v分量的全分量偏振遥感成像测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种测量系统及方法，特别是关于一种包含偏振光中斯托克斯 (Stokes)四分量中V分量的全分量偏振遥感成像测量系统及方法。
背景技术：
近些年，随着对遥感探测研究的不断深入，利用偏振遥感技术获得一些特殊而丰富的地物信息资源非常有效，例如在大气探测、目标识别、土地资源状态变化检测、农作物生长及病虫害预报、灾害气候变化及趋势分析等领域，有着明显的优势，能够进行更为精准的探测和分析。目前，国内外都十分重视偏振成像遥感技术及其应用的研究，其中能否在偏振探测中获取完整准确的信息非常关键。以POLDER(仪器名称)为代表的对地遥感探测仪， 所采用的方式都是在机械转子上装配偏振片，让地物的反射光直接通过可旋转至不同角度的偏振片来获取偏振参数，进而计算需要的偏振参数。此类探测仪(包括国内开发的多数仪器)设计的原理基于认定所探测地物偏振信息的Stokes矢量[I，Q，U，V]中V分量可以忽略这一假设的基础上，实现了对Q、U分量的遥感测量。实际上V分量不仅不能忽略，而且还包含重要的相位信息。根据偏振光学理论，入射光经介质反射时，由于不同介质及其表面位的作用各有差异，出射光的偏振相位及其它偏振参数都将发生改变，仅测量Q、U分量无法获取偏振相位参数，不能反映完整的地物本质特性。因此，必须通过V分量中的偏振相才能获取更可靠更完整的地物信息。目前大多数偏振遥感测算过程忽略的V分量(也即认为相位参量为0)是人为舍弃了一维地物的重要信息，极易造成偏振遥感信息的误差及缺失。 本发明认为忽略该分量甚至是导致“同质异谱”现象的重要原因。从上个世纪80年代开始至今，可忽略V分量的假设一直没有较好地解释信息是否丢失的问题。其中的原因主要有两个一个是进行遥感研究的单位设计制作探测仪器不一定具有优势，反过来有优势制作探测仪器及关键部件的研究单位又不一定了解遥感的需求，导致在偏振参数的精准探测上存在技术的延迟；另一个原因是，探测器的探测能力(包括像素分辨力、光谱分辨力等)受到光电子器件研究水平和制作水平限制，影响测量结果的因素过多，退而求其次只能应用简化模型。如今，这两个原因已经不成为影响V分量测量的主导因素。在国外，法国的POLDER、美国的EOS、AMSR-E、MODIS、CERES，日本的PALSAR等偏振遥感装置已进入了星载的遥感图像采集与分析阶段(这其中也包括中科院一些研究机构的科研工作)，主要用来完成地球水体流动、臭氧分布、气候变化、气溶胶及云层等的结构分布变化、二氧化碳浓度监测等遥感问题。而全偏振信息探测系统仍在实验室的研究阶段，如美国蒙大拿州立大学的Nathan (人名)利用了两个液晶调制器和一个偏振片实现了 Stokes 全矢量(即包括V分量)；亚利桑那州立大学的Ratliff在成像的焦平面上，按照相邻像素透振方向相互垂直的规律排布检偏膜，已实现多种偏振参数的获取。国内已有多个单位进行着偏振遥感的研究，包括多角度偏振遥感模型研究、偏振反射光谱分析、偏振干涉成像光谱技术研究、偏振图像的多尺度分析、土壤湿度遥感分析等等内容，涵盖了偏振遥感研究领域中的重要课题。其中中科院安徽光机所在伪装目标的偏振探测识别方面做了大量的工作，包括对各种金属材料表面性状的偏振特性的研究、构建微型偏振成像遥感装置的研究、偏振图像表征的研究、多波段偏振遥感探测技术的研究等等，为我国偏振遥感研究方向的发展做出了积极的探索并奠定了坚实的基础。北京大学和东北师范大学在地物目标偏振探测结果的分析与建模方面取得了显著的成效，包括多类型、多谱段的岩石/ 土壤/植被偏振特性的比较研究、多角度水体状况偏振遥感探测的研究等等，在相关地物遥感模型对应的偏振信息及其数据库建立上做出了重要贡献。北京航空航天大学的发明专利《高光谱全偏振三维成像集成探测系统》，利用单个液晶相位调制器和一个声光可调谐滤光片设计了完整的偏振遥感成像探测系统，可以实现目标地物在多光谱条件下Stokes偏振参量的测量。西安交通大学的发明专利《高通量、高探测灵敏度微型偏振干涉成像光谱仪》，利用了萨瓦偏振镜制作的多路光干涉成像原理，能够实现高灵敏度偏振图像的成像分析。另外还有一些单位进行了偏振激光雷达装置与测量技术的研究，该装置虽然能精确测量V分量，但是作为一种主动探测式的装置，无法在广泛使用的被动探测中应用。由于之前技术手段的限制，在地物的偏振测量领域中，往往没有获取Stokes矢量的最后一个分量即V分量。如今，国内外学者已经注意到了 V分量的测量问题，但仅限于获取该分量的技术研究，尚未在本质上对该分量测量的特性模型上做进一步研究，也未对包括V分量在内的I、Q、U、V全分量图像的一体同步获取，更未对四分量图像的相互关系进行研究或应用。进一步地，还需要按照遥感成像实际应用的要求，实时获取位置与时间信息， 同步具备辐射和几何校正的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够减小测量误差，实现高精确度的偏振参数测量，获取地物的全部偏振信息和偏振特性，满足遥感应用需求的包含V分量的全分量偏振遥感成像测量系统及方法。(这里“全分量偏振”是指同步获取相同地物的I、Q、U、V四个分量的偏振图像；这里“遥感”是指获得的图像带有定位定时信息、并满足遥感应用的辐射和几何校正能力。)为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量系统，其特征在于它包括一用于提供空间位置和时间信息的定位定时系统，一能够测量Stokes四分量的全分量成像系统和一包括V分量在内的全分量偏振图像处理系统；所述成像系统为一能够全分量成像的相机和一通过接口与其连接的数据采集卡， 所述定位定时系统连接在所述相机的外壳内，或者通过数据线与所述相机连接，以为所述图像处理系统提供相机的位置和姿态；所述图像处理系统中设置有辐射校正模块和几何校正模块，以对从同一地物的四个分量所成图像，特别是对V分量所成图像做出辐射校正和几何校正。所述定位定时系统为GPS和IMU0一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其包括以下内容1)设置一全分量偏振遥感成像测量系统，其包括一用于提供空间位置和时间信息的定位定时系统，一能够测量Stokes四分量的全分量成像系统和一包括V分量在内的全分量偏振图像处理系统；2)通过所述成像系统对包括V分量在内的全分量光谱信息进行扫描成像；3)通过所述图像处理系统中的辐射校正模块和几何校正模块对包含V分量在内的全分量光谱信息进行辐射校正和几何校正；4)通过建立V分量成像模型，获得包括V分量在内的描述完整结构的Poincare球模型,根据所述Poincare球模型计算获得能够满足遥感应用需求的全分量偏振遥感图像的测量结果。所述步骤4)中，测量结果中的偏振度P公式如下
权利要求
1.一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量系统，其特征在于它包括一用于提供空间位置和时间信息的定位定时系统，一能够测量Stokes四分量的全分量成像系统和一包括V分量在内的全分量偏振图像处理系统；所述成像系统为一能够全分量成像的相机和一通过接口与其连接的数据采集卡，所述定位定时系统连接在所述相机的外壳内，或者通过数据线与所述相机连接，以为所述图像处理系统提供相机的位置和姿态；所述图像处理系统中设置有辐射校正模块和几何校正模块，以对从同一地物的四个分量所成图像，特别是对V分量所成图像做出辐射校正和几何校正。
2.如权利要求I所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量系统，其特征在于 所述定位定时系统为GPS和IMU0
3.如权利要求I或2所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其包括以下内容.1)设置一全分量偏振遥感成像测量系统，其包括一用于提供空间位置和时间信息的定位定时系统，一能够测量Stokes四分量的全分量成像系统和一包括V分量在内的全分量偏振图像处理系统；.2)通过所述成像系统对包括V分量在内的全分量光谱信息进行扫描成像；.3)通过所述图像处理系统中的辐射校正模块和几何校正模块对包含V分量在内的全分量光谱信息进行辐射校正和几何校正；.4)通过建立V分量成像模型，获得包括V分量在内的描述完整结构的Poincare球模型，根据所述Poincare球模型计算获得能够满足遥感应用需求的全分量偏振遥感图像的测量结果。
4.如权利要求3所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其特征在于 所述步骤4)中，测量结果中的偏振度P公式如下
5.如权利要求3或4所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其特征在于所述步骤4)中，建立所述V分量成像模型包括以下步骤.1)在实验室不同光源光照条件下进行V分量的定量测量，分析V分量相关特性曲线与地物特质的关系，对V分量进行定量描述和建立实验室光照条件下V分量成像模型；.2)在自然光照条件下进行V分量的定量测量，找出自然光照条件下获取的V分量特性与实验室条件下的差异，建立自然光照条件V分量成像模型；.3)对步骤1)和步骤2)的测量结果进行比较分析，根据各种条件下所述V分量成像模型的扰动因素，建立在包括环境因素在内的自然光照条件下的V分量成像模型，以在偏振遥感测量中能够表征地物的本质属性。
6.如权利要求5所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其特征在于 所述步骤I)中，在实验室不同光源光照条件下进行V分量的定量测量的步骤如下①用不同照射角度的非偏振光和线偏振光照射岩石样品表面，利用成像测量系统检测反射光的各偏振参数，并保证实验有良好的可重复性，同时在实验中，通过计算逐步优化所述成像模型；②以照射光线反射面的法线为轴，旋转岩石样品，连续选取若干角度点，测量各偏振参数，观察偏振相位参数的变化情况和规律；③将实验中V分量最强的测量条件和V分量最弱的测量条件进行比较，并结合各种岩石自身的性质，确定V分量与光照因素相关的成像模型。
7.如权利要求5或6所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法，其特征在于所述步骤2)中，在自然光照条件下进行V分量的定量测量的步骤如下①在同一天气状况下，选择一天中不同的时刻进行岩石表面反射光偏振参数的测量， 并将获取的数据整理为特征谱线；②选择岩石不同方向的摆放角度，按照相同的方法再次测量，比较所获得V分量的差巳升；③将上述实验中同种岩石V分量最强的状态和V分量最弱的状态进行比较，结合岩石的实验情况，进一步确定在自然条件下V分量成像模型。
8.如权利要求3 7任一项所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法， 其特征在于对V分量图像进行辐射校正时，采用6S辐射传输方法对V分量图像进行绝对辐射校正，同时建立V分量图像的DN值和地表物反射率、地表物辐射率之间的转化关系；采用直方图匹配法的相对辐射定标方法，使校正后相同的DN值表示相同的地物反射率。
9.如权利要求3 8任一项所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法， 其特征在于对所述V分量图像进行几何校正时，借助一组地面控制点，对一幅图像进行地理坐标的校正，其过程是把图像纳入一个有坐标信息地理参考的投影坐标系中，内部畸变校正使用四次多项式进行纠正；外部畸变校正采用二次多项式进行纠正。
10.如权利要求3 9任一项所述的一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量方法， 其特征在于分析V分量信息在Stokes四分量中信息和能量的比例，根据V分量的强度，特性，提取Stokes四分量的成像特点、成像时间顺序、成像时差的成像模型，以对全偏振仪器多分量成像系统物理特性、品质退化的监测与评价。
全文摘要
本发明涉及一种包含V分量的全分量偏振遥感成像测量系统及方法，其特征在于它包括一用于提供空间位置和时间信息的定位定时系统，一能够测量Stokes四分量的全分量成像系统和一包括V分量在内的全分量偏振图像处理系统；所述成像系统为一能够全分量成像的相机，所述定位定时系统连接在所述相机的外壳内，或者通过数据线与所述相机连接，以为所述图像处理系统提供相机的位置和姿态；所述图像处理系统中设置有辐射校正模块和几何校正模块，以对从同一地物的四个分量所成图像，特别是对V分量所成图像做出辐射校正和几何校正。本发明实现了对包括V分量在内的全分量偏振遥感图像的测量，从而在地物矿产资源探测等地表探测研究等方面具有重大的应用价值。
文档编号G01S17/89GK102590824SQ20121004387
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者吴太夏, 孙岩标, 晏磊, 曲阳, 李宇波, 杨文剑, 王娟娟, 相云, 赵海盟, 陈伟, 高付民 申请人:北京大学