星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。     

同平台双偏振仪器地理定位及校正方法

在同一平台利用两种或以上不同偏振载荷进行联合观测,通过融合反演实现优势互补,可获取更高精度和质量的数据产品。若要实现两偏振载荷的联合探测和交叉定标系数传递,两者的视场匹配是需要解决的关键问题之一,为此搭建了基于高精度偏振扫描仪和同时偏振相机的航空验证系统,并开展了飞行验证实验。根据双偏振仪器观测几何和空间响应特性,通过坐标变换分别建立了观测像元与地理空间位置的对应模型,通过全球数字高程模型和仪器偏心校正对定位结果进行修正,分析了影响地理定位精度的误差源,建立了基于蒙特卡洛法的误差统计模型并完成了仿真计算。将该方法应用于机载同时偏振相机和高精度偏振扫描仪地理定位,分析了视场匹配后两仪器辐亮度和偏振度测量结果的一致性。结果表明采用该方法完成地理空间位置匹配后,双偏振仪器获取的偏振度偏差小于2%,辐亮度偏差小于5%,证明了该地理定位及校正方法的可行性与有效性,为后续星载偏振交火探测地理定位的处理提供了有效途径。     

星载多角度偏振成像仪偏振辐射测量的理论误差分析

星载多角度偏振成像仪可以获取目标的多角度偏振辐射信息,探测精度是重要的技术指标。为研究仪器的测量精度及相关的误差因素,以Stokes-Mueller为数学描述方法,分析仪器的原理和光路结构特点,从理论上推导了仪器的偏振辐射测量模型,并通过实验初步验证了镜头Mueller模型的正确性。在考虑目标光各种偏振态的情况下,分析了非理想光学器件重要参数对目标光偏振度测量结果的影响,得到了偏振度测量误差与通道相对透射率、空间高频相对透射率/响应率、线偏振片振透轴方位角、镜头线性双向衰减这四种参数偏差之间的关系。按照仪器探测精度要求,结合各参数偏差对应误差最敏感的目标光偏振态,从理论上提出了各重要参数的误差容限。该研究为整个仪器的研制、定标及后期数据处理提供了理论依据。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

航空偏振辐射计偏振精度验证及带外响应分析

为满足航空平台图像大气校正的应用需求,在可见近红外至短波红外波段,同时获取大气多谱段偏振辐射信息,研制了一种用于航空轻量化的偏振探测仪器,航空偏振辐射计。首先,对仪器进行系统描述与光学组件简介,并给出仪器的主要技术参数,其次为保证仪器数据的可用性与参数反演精度,仪器装调之后,在实验室进行绝对辐射定标及偏振测量精度验证。研究结果表明：航空偏振辐射计的绝对辐射定标不确定度优于2.51%,各偏振波段对0.2线偏振度目标的偏振测量精度优于0.16%。同时对490 nm波段偏振精度不理想的情况进行分析,并使用单色仪系统验证其受带外响应影响,通过对比实验验证,针对490 nm波段的偏振通道,去除带外响应影响后,其偏振精度从2.29%提升至0.06%。     

星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析

星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

基于光谱调制的线偏振测量技术研究及精度验证

基于光谱调制的线偏振测量技术通过光谱调制模块可将入射光的偏振信息调制到光谱维。光谱调制模块由消色差1/4波片、多级波片和偏振分束器组成,能够在单次测量中获取目标的线偏振及光谱信息。将调制模块和光栅光谱仪相结合,设计了双通道偏振测量系统。推导了系统偏振测量模型,分析了光谱仪光谱展宽对调制光谱的影响,并采用分周期最小二乘曲线拟合方法实现了对偏振信息的解调。此外,搭建了测试装置来验证测量系统的性能。首先,利用完全线偏光对多级波片的延迟量和系统的偏振效率进行了标定。然后,利用可调偏振度光源验证了系统的偏振测量精度。实验结果表明,可调偏振度光源输出的理论线偏振度值与测量值间的最大绝对偏差为1.11%,线偏振方位角的最大偏差为0.7°,即所提系统具有较高的偏振测量精度。     

利用Σ-Δ型模数转换器解决光辐射定标中弱信号测量的设计难题

随着光学遥感仪器的迅速发展,要求光谱辐射定标技术具有前所未有的高精度和长期测量的稳定性。基于探测器的新一代辐射定标技术可以满足这一需求。多波段绝对辐亮度标准探测器是辐射定标技术中的核心仪器,这种光学遥感仪器在野外、机载和星载高精度辐射定标中具有广阔的应用前景。在多波段绝对辐亮度标准探测器的设计中,需要实现对低电平微弱信号的高精度测量,这种测量通常需要采用可编程增益放大器对信号进行放大,但它不仅会引入测量误差,而且还会增加系统的复杂性。通过采用一种低噪声高精度Δ Σ型模数转换器(ADC),解决了多波段绝对辐亮度标准探测器中弱信号高精度测量的设计难题,为光辐射精确计量领域中经常面临的低电平弱信号的高精度检测提供了一种有效的途径。     

空间调制干涉光谱成像仪的室外定标技术研究

空间调制干涉光谱成像仪通过干涉仪分光,在探测器上得到干涉条纹,经过软件复原后最终得到目标的光谱信息。发射前的室外辐射定标中的定标光源为太阳,可以有效地弥补实验室辐射定标时定标光源(太阳模拟器)短波波段辐亮度低,导致干涉光谱成像仪短波输出信噪比低、光谱复原精度低的缺点,通过室外辐射定标模拟遥感光谱仪探测地物目标的太阳反射光谱特性,可以得到地物目标的准确光谱信息,并与实验室定标的结果进行相互验证。经过理论研究和计算,使用了两种定标方法-大气漫射板测量法和标准传递辐亮度法进行室外定标,在大理的室外定标结果表明,大气漫射板测量法的定标不确定度为6.3%,标准传递辐亮度法的定标不确定度为6.0%。     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的最佳角度分析

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测,这一方法将偏振测量与干涉成像光谱技术相结合,一方面能提供辐射测量所不能提供的物体偏振信息,另一方面又可获取目标的空间图像和光谱,具有比辐射测量更高的准确度.在简要分析了利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的理论基础上,深入研究了偏振检测的方法,分析比较了目前常用的偏振探测角度（45°,60°）对偏振度探测的影响.进一步计算推导出偏振测量的最优探测角度,将之与以往常用的探测角度进行了分析比较,证明了此最佳探测角度可以有效地减小偏振误差、提高偏振探测的精度.这将极大地提高偏振干涉成像光谱仪的应用范围,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供重要的理论依据. 关键词： 偏振检测 偏振干涉成像光谱仪 探测角 Savart偏光镜     

大气同步校正仪的滤光片筛选方法与精度验证实验研究

为保证大气同步校正仪的偏振测量精度,在研制的过程中需要对滤光片进行检测和筛选。设计了校正仪的偏振测量模型和滤光片的筛选条件,分析了影响校正仪的偏振度测量精度的主要因素。以490nm通道为例,采用滤光片的光谱透射率和典型目标的光谱辐亮度数据,分析了偏振通道间的相对透射率和带外响应相对于总响应的比值随目标光谱辐亮度形状的变化情况,并对滤光片进行了筛选,对校正仪进行了偏振度测量精度的验证。结果表明,在大气目标偏振度0~0.4范围内、在偏振通道间的相对透射率的相对变化和带外响应的相对变化对偏振度产生的变化均不大于0.4%且二者合成不确定度应小于0.5%的筛选条件下,可保证校正仪的偏振度测量精度。选用最佳效果筛选滤光片的校正仪的测量不确定度明显小于未经筛选滤光片的校正仪的测量不确定度,证明了筛选方法的有效性。     

星载偏振扫描仪星上偏振定标器

为了满足偏振扫描仪的偏振测量精度要求,提出一种利用偏振扫描仪星上偏振定标器精确测量标准偏振态数值的方法。首先介绍了偏振扫描仪的技术特点、测量原理和偏振定标模型;其次结合仪器特性,将地球反照光+线偏振定标器/非偏振定标器作为在轨偏振定标的偏振态标准源;然后分别设计了专用的线偏振定标器和非偏振定标器;最后利用马吕斯定律确定线偏振定标器的偏振态数值,将星下点数据筛选出线偏振度小于0.4的下垫面反射光作为非偏振定标器的有效光源,以获得符合要求的非偏振光。所设计的定标器符合全光路、全孔径、端到端的要求,可保障长期在轨偏振测量精度为0.005。     

超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

多光谱分孔径同时探测系统偏振定标方法

介绍了多光谱分孔径同时探测系统的偏振定标方法。根据探测系统的特点,分析引起探测系统偏振效应的主要因素,包括偏振片消光比、装配误差导致的检偏器透过轴角度偏差和绝对光谱响应度;推导带有偏振片消光比、角度偏差和绝对光谱响应度的系统探测矩阵;设计具体实验,并求解系统探测矩阵中的未知定标数据;利用偏振度可调的光源对偏振定标方法及定标数据进行验证。结果表明,使用490,670,870,1610nm波段,在输入偏振光的偏振度为20%时,测得偏振度的偏差分别为0.74%,0.01%,0.80%,0.59%,满足探测系统对实际偏振测量精度指标的要求。所提出的偏振定标方法有效可行,为该探测系统的实际应用提供了基础。     

天空背景辐射亮度测量与研究

天空背景辐射亮度在空间目标探测与识别中有着重要作用,为了对其进行研究,介绍了天空背景辐射参数测量系统,与法国CIMEL公司研制的CE318太阳辐射计进行对比实验,取得了较好的一致性。利用天空背景辐射参数测量系统,在空间某目标过境时段,对其运行轨道上的天空背景辐射亮度参数进行了测量,通过对数据分析与研究,初步得出了该空间目标过境时段轨道上的天空背景辐射亮度参数变化特征,为应用研究提供了重要信息。     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

大动态范围可调线性偏振度参考光源检测与不确定度分析EI北大核心CSCD

介绍了一种新型高精度大动态范围可调线性偏振度参考光源（VPOLS-II）,在0.46～2μm波段内线性偏振度调节范围达到0～0.72。VPOLS-II采用四片平板玻璃起偏的工作原理,辐射光源经过积分球和扩束器准直系统形成具有较高均匀性和平行度的入射光,再经过偏振态调节器输出不同线性偏振度的偏振光。将光谱偏振分析仪实验测量结果与理论计算值进行了比对,分析了VPOLS-II输出线性偏振度不确定度的影响因素。结果表明,线性偏振度范围0～0.72内,VPOLS-II的线性偏振度与理论预测值的差异小于6×10^-3。在线性偏振度范围0.01～0.09和0.09～0.72内,线性偏振度的不确定度分别为8.8%～0.936%和0.936%～0.184%。这种新型参考光源可用于偏振光学遥感器的实验室偏振定标和系统级性能检测。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。