一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法，属于光学探测理论研究领域，包括确定复杂天气下偏振光成像条件与环境条件、目标与探测器参数；计算太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度；利用6S大气辐射传输模型确定目标偏振反射率；获取目标间接辐射的光亮度；利用Modtran4.0软件确定探测器响应波段大气平均透过率；利用zemax软件确定光学系统透过率；获取探测器像面中心照度、光学系统入瞳处的光能量、目标在探测器上产生的电子数、系统总噪声和信噪比；利用Matlab/VC++编程软件，根据上述过程编制软件，进行分析与优化迭代；最终形成满足能量要求和信噪比要求的偏振光成像系统。的偏振光成像系统。的偏振光成像系统。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法


[0001]本专利技术属于光学探测理论研究领域，具体地，涉及一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法。

技术介绍

[0002]我国光电成像装备主要是基于强度成像的电视摄像或者红外热像仪等，即通过获取目标与背景的反射、辐射光强在空间的分布特征，并结合信息化的处理手段从中识别并跟踪兴趣目标。这种方式在以往条件下曾经发挥了重要的作用，但在雾霾、烟尘等复杂环境下探测性能下降，低对比度目标难以识别、区分。偏振成像探测技术具有“穿透烟雾”、“凸显目标”、“辨别真伪”的优势，近年来越来越受到重视。
[0003]复杂环境的动态和静态物理特性对光电系统性能及成像效果的影响，一直是光学系统设计和装置使用所必需考虑的重要问题。如果在光学系统设计和装置使用时，能够进行雾霾天气偏振光能量计算，深入研究偏振光在大气环境中传输特性及模型，对于优化偏振光电系统设计，提高环境适应性能及其成像性能都是非常必要的。
[0004]雾霾天气偏振光能量计算模型是以计算机和各种物理效应设备为技术手段，对整个光电成像链路进行描述，建立各主要因素之间的逻辑关系和数学关系，使其反映实际环境下偏振光能量的传递。为得到真实雾霾天气下偏振光能量传递结果，需要寻找一种新的计算方法，才能更好的开展偏振成像探测光学系统设计和设备应用的环境适应性。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：为得到真实雾霾天气下偏振光能量传递结果，更好的开展偏振成像探测光学系统设计和设备应用的环境适应性，而提出了一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法。
[0006]本专利技术公开了一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法，其特征在于，该方法基于安装有6S软件、Modtran4.0软件、zemax软件和Matlab/VC++软件的计算机系统，具体实现步骤如下：
[0007]步骤1、设定复杂天气下偏振光成像条件与环境条件、目标与探测器参数
[0008]确定成像条件，所述成像条件包括：太阳天顶角、太阳方位角、探测器观测角、探测器方位角、探测距离、探测器高度和目标有效反射面积；
[0009]确定环境条件，所述环境条件包括：大气能见度、海拔高度、观测日期、大气模式、气溶胶模式、地表特征、大气光路、工作方式、季节和天气情况；
[0010]确定偏振光成像系统参数，所述偏振光成像系统参数包括：光学系统参数和探测器参数，光学系统参数包括透镜材料、透镜厚度、透镜曲率半径、透镜半直径、透镜圆锥系数和系统入瞳半径；探测器参数包括探测器响应波段、探测器量子效率、积分时间、天空背景光在探测器上产生的电子数、暗电流产生的电子数、电子读出噪声产生的电子数、卡式系统结构的遮拦比、光学系统F数、微偏振片阵列的平均透过率、光谱滤波器的透过率系数和像
斑在探测器靶面上所占像元个数；
[0011]步骤2、获取太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度
[0012]由普朗克方程可知，太阳在探测器响应波段(λ1,λ2)内的辐射能量满足公式(1)：
[0013][0014]其中c1＝3.742
×
10
‑
16
W
·
m
‑2为第一辐射常数；c2＝1.439
×
10
‑2mk为第二辐射常数；T＝5900K代表太阳黑体的绝对温度；λ表示探测器工作波段辐射波长；
[0015]太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度E
S
为：
[0016][0017]其中，M
s
为太阳辐射能在探测器响应波段内的辐射能量；A
sun
为太阳表面积；R
sun
＝6.959
×
105km为太阳半径；R
se
＝1.495
×
108km为地日平均距离；
[0018]步骤3、利用6S大气辐射传输模型确定目标偏振反射率
[0019]将太阳天顶角、太阳方位角、探测器观测角、探测器方位角、观测日期、海拔高度、探测器响应波段、探测器高度、大气能见度、大气模式、气溶胶模式以及地表特征参数作为6S大气辐射传输模型的输入量，以目标偏振反射率ρ作为6S大气辐射传输模型的输出量，通过6S软件处理得到目标偏振反射率ρ；
[0020]步骤4、根据太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度和目标偏振反射率，获取目标间接辐射的光亮度
[0021]目标作为间接辐射体向2π空间辐射，光亮度为：
[0022][0023]式中：E
S
为太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度；ρ为目标偏振反射率；
[0024]步骤5、利用Modtran4.0软件确定探测器响应波段大气平均透过率
[0025]将大气模式、大气光路、工作方式、大气能见度、探测器高度、太阳天顶角、探测器响应波段、季节和天气情况参数输入到Modtran4.0软件，通过Modtran4.0软件计算得出探测器响应波段平均大气透过率η；
[0026]步骤6、利用zemax软件确定光学系统透过率
[0027]将透镜材料、透镜厚度、透镜曲率半径、透镜半直径和透镜圆锥系数参数输入到zemax软件，通过zemax软件得到光学系统透过率η1；
[0028]步骤7、获取探测器像面中心照度
[0029]目标光信号经复杂环境，达到探测器像面中心照度为：
[0030][0031]式中：η表示探测器响应波段大气平均透过率；η1表示光学系统透过率；τ0表示微偏振片阵列的平均透过率；τ1表示光谱滤波器的透过率系数；F代表光学系统F数；L表示目标间接辐射的光亮度，L由步骤4计算获得；U
′
表示像方孔径角；
[0032]步骤8、获取光学系统入瞳处的光能量
[0033]目标反射的光信号经过入瞳处的光能量为：
[0034][0035]其中，A
obj
表示目标有效反射面积；r表示系统入瞳半径；η表示探测器响应波段大气平均透过率；ρ表示目标偏振反射率；E
s
表示太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度，θ
v
表示太阳天顶角；θ
u
表示探测器观测角；R为探测距离；
[0036]步骤9、获取目标在探测器上产生的电子数
[0037]根据步骤8得到的光学系统入瞳处的光能量，目标在探测器上产生的电子数为：
[0038][0039]其中，Φ
S
为光学系统入瞳处的光能量；h代表普朗克常数；c代表光速；κ表示像斑在探测器靶面上所占像元个数；ε表示卡式系统结构的遮拦比；η1表示光学系统透过率；τ0表示微偏振片阵列的平均透过率；τ1表示光谱滤波器的透过率系数；Q
s
表示探测器量子效率；t
s
表示积分时间；表示探测器工作波段平均波长；
[0040]步骤10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂天气下偏振光成像系统能量计算方法，其特征在于，该方法基于安装有6S软件、Modtran4.0软件、zemax软件和Matlab/VC++软件的计算机系统，具体实现步骤如下：步骤1、设定复杂天气下偏振光成像条件与环境条件、目标与探测器参数确定成像条件，所述成像条件包括：太阳天顶角、太阳方位角、探测器观测角、探测器方位角、探测距离、探测器高度和目标有效反射面积；确定环境条件，所述环境条件包括：大气能见度、海拔高度、观测日期、大气模式、气溶胶模式、地表特征、大气光路、工作方式、季节和天气情况；确定偏振光成像系统参数，所述偏振光成像系统参数包括：光学系统参数和探测器参数，光学系统参数包括透镜材料、透镜厚度、透镜曲率半径、透镜半直径、透镜圆锥系数和系统入瞳半径；探测器参数包括探测器响应波段、探测器量子效率、积分时间、天空背景光在探测器上产生的电子数、暗电流产生的电子数、电子读出噪声产生的电子数、卡式系统结构的遮拦比、光学系统F数、微偏振片阵列的平均透过率、光谱滤波器的透过率系数和像斑在探测器靶面上所占像元个数；步骤2、获取太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度由普朗克方程可知，太阳在探测器响应波段(λ1,λ2)内的辐射能量满足公式(1)：其中c1＝3.742
×
10
‑
16
W
·
m
‑2为第一辐射常数；c2＝1.439
×
10
‑2mk为第二辐射常数；T＝5900K代表太阳黑体的绝对温度；λ表示探测器工作波段辐射波长；太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度E
S
为：其中，M
s
为太阳辐射能在探测器响应波段内的辐射能量；A
sun
为太阳表面积；R
sun
＝6.959
×
105km为太阳半径；R
se
＝1.495
×
108km为地日平均距离；步骤3、利用6S大气辐射传输模型确定目标偏振反射率将太阳天顶角、太阳方位角、探测器观测角、探测器方位角、观测日期、海拔高度、探测器响应波段、探测器高度、大气能见度、大气模式、气溶胶模式以及地表特征参数作为6S大气辐射传输模型的输入量，以目标偏振反射率ρ作为6S大气辐射传输模型的输出量，通过6S软件处理得到目标偏振反射率ρ；步骤4、根据太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度和目标偏振反射率，获取目标间接辐射的光亮度目标作为间接辐射体向2π空间辐射，光亮度为：
式中：E
S
为太阳辐射能在探测器响应波段内对目标的辐照度；ρ为目标偏振反射率；步骤5、利用Modtran4.0软件确定探测器响应波段大气平均透过率将大气模式、大气光路、工作方式、大气能见度、探测器高度、太阳天顶角、探测器响应波段、季节和天气情况参数输入到Modtran4.0软件，通过Modtran4.0软件计算得出探测器响应波段平均大气透过率η；步骤6、利用zemax软件确定光学系统透...

【专利技术属性】
技术研发人员：付强，司琳琳，李英超，李征，战俊彤，刘嘉楠，张肃，姜会林，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：