精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。 传统的剖面法、 水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw), 后处理过程比较复杂, 不确定性较大。 天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单, 能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。 但目前为止, 国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统, 因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。 作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上, 介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况, 详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。 通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。 该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能, 其变异系数均小于5%, 将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比, 表现出良好的一致性, 证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。 连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。 论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、 数据质量控制、 数据高频获取、 浮标姿态记录、 多要素联合观测、 长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。 综上所述, 基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测, 以及水体光学特性的快速变化动态跟踪, 有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率; 基于该系统, 在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集, 有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。

基于矢量辐射传输方程的基本理论,考虑不同性质云层和不同海雾浓度的影响,将现有简化的两层大气结构细化为三层进行处理,采用倍加累加方法仿真天空光经过多层大气环境的散射过程,基于Rayleigh散射和Mie散射算法分别对每层粒子分布特性进行描述,建立适用于不同典型海洋环境下天空光的偏振分布模式。在太阳子午线位置处,研究海面观测高度角与下行辐射偏振特性的变化关系,研究结果表明,天空光偏振度随观测高度角呈规律性变化,随着云层和海雾粒子的增大及光学厚度的增加,偏振度逐渐增大。本研究为复杂海洋环境下垂直探测时天气环境及观测位置的选择提供了理论参考。

复杂海洋环境是空间光电探测的典型应用场景, 可见至长波红外波段海表反照率参数是海洋大气传输与背景辐射特性研究的重要内容。鉴于目前中国海域海表反照率数据缺乏的现状, 在多源卫星长时间观测海洋环境特性参数数据的统计分析基础上, 通过考虑海水叶绿素含量、气溶胶光学厚度、海表面风速和太阳入射角度等参数的复合影响, 建立了海表反照率的快速参数化应用模式, 获得了中国南海、东海、黄海和渤海等典型海域0.4~14 μm海表反照率谱线, 掌握了海表反照率的时空分布特征, 为海空光电工程应用提供基础数据支撑。

天空光偏振模型能够仿真天空光偏振态的分布规律,是研究天空光偏振态分布与大气特性参数之间的定量关系的重要工具.首先, 基于倍加累加法的辐射传输模型和T矩阵法计算粒子散射特性, 建立了适用于多种天气条件下的天空光偏振模型, 可覆盖可见光波段到近红外波段; 其次, 在比较实验中, 所建立模型的仿真结果与Hovenier等人的计算结果有95%的全天空光仿真点的相对误差小于5%; 最后, 利用基于液晶相位可变延迟器(liquid crystal variable retarders, LCVR)的全偏振成像探测系统进行全天空光探测实验, 结果表明, 所建模型的仿真精度优于传统模型, 并且在80%的区域内与实际观测结果保持一致.由此可以得出结论, 所建立的天空光偏振模型能够比较准确模拟多种天气下的全天空范围内天空光偏振态分布规律, 为不同天气条件下偏振遥感探测和偏振导航等技术提供有力的理论依据.

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。 偏振信息是遥感数据空间、 辐射、 光谱信息之外的又一重要信息。 对于光学遥感数据来说, 偏振信息是对光谱信息的又一种补充。 偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力, 其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射, 从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。 太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用, 使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。 目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体, 要么面向室内人造光源条件下的模拟水体, 鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。 本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜, 实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。 利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱, 定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性, 以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。 当观测方位角为135°、 观测天顶角为53°时, 采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好, 推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。 相比于传统的非偏振水面光谱测量方法, 水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小, 能够更精确的提取离水辐射。

在雾、霾等天气条件下, 大气粒子的散射作用使环境的能见度偏低, 视觉系统采集到的图像严重降质。基于暗通道先验的图像复原方法因其去雾效果自然、约束条件少, 且易于实现等优点而受到广泛关注。但是, 该方法的去雾效果受尺度(暗通道的求解半径)影响很大, 对于不同场景的图像, 不存在一个普遍适用的最优尺度。针对该问题, 文中提出一种尺度自适应方法, 根据图像的颜色和边缘特征自适应地调节暗通道的尺度范围, 得到像素级的暗通道求解尺度, 兼顾大尺度求解色彩失真小和小尺度求解"光晕"失真小等优点。此外, 针对暗通道去雾方法会使天空光估计点落到前景区域的问题, 提出了一种改进的天空光估计方法, 可使估计点鲁棒地落到与其物理意义相符的背景区域。对多种雾化场景图像的处理结果表明: 文中方法适应性强、去雾效果自然, 且对比度提升显著。

为了获得较高的天空偏振光导航精度,研究了天空光偏振模式的模型。设计了天空光偏振模式自动探测装置, 用于获取大量的天空光偏振模式信息并构建天空光偏振模式模型。该装置克服了传统天空偏振光分布模式探测仪器操作繁琐, 效率低的缺点, 利用计算机控制角度旋转和相机拍照协同工作, 能够简单快捷地实现一键采集一组天空偏振图像。测试显示, 该装置能够准确地在预期位置完成偏振图像的采集工作。获得的图像偏振模式明显, 对于光强度的探测精度优于0.237 5(3σ)灰度值(8 bits), 平均每个测量点耗时3.02 s, 采集效率较传统偏振模式探测仪器大为提高, 能够实现天空光偏振模式的有效探测。

基于天空光偏振特征的天文导航方式是最近发展起来的一种自动天文导航方式，其定位能力直接决定了它的发展应用价值.针对舰船偏振光天文导航方式，从天空光偏振角的探测模型和单天体天文定位的船位误差模型出发，建立了偏振光天文导航的误差模型.利用该模型，仿真计算分析了偏振光天文导航的定位能力.分析表明：当太阳位于探测装置的正横方向且天顶角较大时，探测到的天空光偏振角对太阳方向的变化最敏感，最有利于偏振光天文导航；当偏振角的测角准确度达到角分水平时，偏振光天文导航方式的自动定位准确度可达海里级，可用于辅助惯性导航.

本文研究了利用天空光光谱反演大气成分的方法中,参考光谱对测量结果的影响。分析了中午的天顶光光谱、实时采集的天顶光光谱对信号的影响,提出了针对空间任意方向的大气污染(尤其局部的突发性污染),实时采集的低污染区天空光光谱是具体研究污染最合适的参考光谱。其结果为将该方法应用于监测大气环境提供了依据。