多线阵分焦平面型偏振遥感探测系统的标定

为满足偏振遥感系统对探测精度的要求,采用多线阵分焦平面型偏振探测系统分析了消光比对偏振探测精度的影响,并构建了偏振辐射传递模型。介绍了分焦平面型偏振仪器的结构,结合国内外微型偏振片的加工技术,采用多线阵微型偏振片替代微偏振片马赛克阵列的探测方法分析了金属线栅微偏振片消光比对偏振探测的影响,推导了光学系统及非理想偏振片的偏振传递矩阵,根据偏振辐射传递理论构建了偏振探测系统的校正模型。基于校正模型制定了相应的参数标定方案,为实验室偏振辐射标定提供了理论基础。模拟及实验结果表明,在受限于设备稳定性的情况下,系统探测精度可达到0.5%,满足偏振探测精度要求。     

一种光谱偏振成像系统设计及应用

为了获取目标和背景的偏振信息,提高地面目标识别的准确度,提出一种光谱偏振成像探测系统。该系统采用旋转偏振片的方式对入射光的偏振状态进行调制,通过旋转滤光片进行光谱选择,从而实现光谱偏振成像探测。通过对该系统偏振度的探测精度进行实验测试,结果表明,所设计的光谱偏振成像探测系统达到4%的探测精度。利用该系统对地物背景中的迷彩伪装板进行了探测实验,分析所得的偏振度图像发现,目标在背景中较为明显,与草地及土壤背景区域偏振度的差值分别达到0.292和0.283。     

微偏振片阵列型长波红外成像系统定标方法

为了提升微偏振片阵列型长波红外成像系统精度,在误差分析的基础上,针对入射光偏振信息计算问题,提出了一种偏振定标方法.通过确定像元级响应值与入射光功率的关系,引入广义光学透过率,不依赖大规模方程组运算,实现了消光比、偏振方向的计算,获取了微偏振片穆勒矩阵内各元素值.用固定盲元干扰下的超级像元内偏振信息计算法完成入射光偏振信息计算.实验结果表明,该定标方法可有效降低误差干扰,提高微偏振片阵列型长波红外成像系统探测精度.     

空间调制干涉光谱成像仪偏振度测试

在计算分析的基础上,采用极值搜索法,利用太阳模拟器（波长范围：250 mm~2 500 mm）,准直镜（焦距：120 mm）和偏振片（消光比：1/500）对空间调制干涉光谱成像仪的偏振特性进行测试.结果表明：偏振片的消光比以及准直镜自身的偏振度是影响空间调制干涉光谱成像仪偏振度测量过程中不确定度的主要因素.     

全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析

全偏振成像能够获取目标更为丰富的信息,在目标探测、大气特性研究和医学诊断等领域具有广阔的应用前景.为了实现大视场天空区域全偏振信息的快速获取,设计了一套全偏振大气偏振模式成像系统;针对因系统传输矩阵"性态"的不同使得求解的目标Stokes矢量存在误差的问题,通过分析传输矩阵的特性并建立目标函数,将传输矩阵的优化转化为目标函数在多组条件下的求解,确定了最优系统传输矩阵;并对系统的四分之一波片的延迟量、偏振片的消光比以及传输矩阵进行标定.通过开展优化前后偏振信息的对比实验,结果表明:优化后偏振角误差较优化前降低了10%以上;偏振度和线偏振度中最大偏振度带的误差和中性区域的误差较优化前也有不同程度的下降.在此基础上开展了外场全偏振信息测量实验,结果表明系统满足设计要求,能够有效地获取天空全偏振信息.     

偏振眼镜立体显示的立体串扰度及其影响因素

偏振眼镜立体显示是使用偏振片来分离左右眼图像的,偏振片的参数决定了偏振眼镜立体显示的性能好坏。提出了偏振眼镜立体显示的立体串扰度概念,推导了立体串扰度与偏振片旋转角度和偏振片偏振度的关系式。结果表明,立体串扰度随偏振片旋转角的变大而增大,随偏振片偏振度的增大而减小。因此为偏振眼镜立体显示的性能改善提供了依据。     

影响伪装目标偏振检测的偏振方向研究

基于Stokes矢量和Mueller矩阵,推导了任意偏振方向的线偏振度表达式。在入射面内改变探测角和偏振方向,通过实验室和野外偏振检测实验验证了推导结果,并以目标与背景偏振度对比为主要指标研究了影响伪装目标偏振检测的偏振方向因素。研究结果表明:探测角在镜面反射方向附近,不同偏振方向的偏振度对比波动较小;虽然野外环境的结果波动稍大,但当以偏振片最大透光轴方向垂直于入射面为参考方向时,偏振方向间隔60°和45°的偏振度对比较间隔30°稳定;计算表明偏振图对比度明显高于强度图对比度,间隔60°的偏振度对比较高,间隔45°的次之,间隔30°的偏振度对比较差,偏振检测效果不佳。     

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。     

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。     

基于傅里叶变换的强度调制型光谱偏振分析仪

为了获得更高精度的目标光谱偏振特性,结合现有的标准探测器技术与偏振探测技术原理,研制了一种光谱偏振分析仪。采用连续等角度间隔旋转检偏器对目标信号进行强度调制,通过傅里叶级数算法能够显著降低检偏器定位误差引起的偏振度测量不确定度。利用优化设计的测量主光路和大动态范围线性优良的标准陷阱探测器,保证了偏振度测量精度。利用可更换窄带滤光片实现了光谱偏振度测量。经实验验证,在0.1~0.99偏振度的范围内,光谱偏振分析仪的测量不确定度为0.15%。     

太阳辐射计直射通道实验室定标方法研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递标准,将可调谐激光导入积分球,通过功率稳定、退相干等措施,形成均匀、稳定、无偏的辐照度场。利用替代定标技术,对太阳辐射计CE318的870nm直射通道的三个偏振通道(P1、P2和P3)和无偏通道(UP)的绝对光谱辐照度响应度进行了光谱扫描定标,获得这四个通道的光谱辐照度响应度,并预测了大气层顶太阳辐照度的信号值。最后,对定标过程的不确定度进行评价,三个偏振通道和无偏通道的定标不确定度分别达到了1.83%、1.98%、1.73%和1.2%,与Langley定标法定标精度相当。     

多方向偏振片及1/4波片对全偏振检测的影响研究

理论上推导了光线通过任意方向偏振片和任意方向1/4波片的出射光强与全Stokes参量关系的表达式,利用自然背景下的人造目标为对象开展全偏振检测实验,并以目标与背景偏振度对比为主要指标,研究了多方向情况下上述两种偏振器件影响全偏振检测的因素。研究表明下述三种情况方程组秩小于4导致全偏振检测无效:固定1/4波片方向而改变偏振片方向;固定偏振片方向改变1/4波片方向,且四组角度中两器件平行及垂直的关系同时出现;偏振片与1/4波片有三组角度相同,第四组角度关系为平行或垂直。实验表明,固定偏振片方向改变1/4波片方向,探测结果与固定偏振片方向的取值有关;采用偏振片与1/4波片三组方向相同,第四组夹角45°的全偏振检测方式,偏振度对比较高。     

基于超连续激光-单色仪的绝对辐亮度响应度定标

利用基于超连续激光和单色仪(SCM)的细分光谱扫描定标装置,对传感器的绝对光谱辐亮度响应度进行定标。利用两种绝对功率响应度溯源于低温绝对辐射计的辐亮度探测器(Trap-A和Trap-B),分别以通用的部件级定标方式和基于该定标装置的系统级定标方式(以Trap-A作为参考),确定了Trap-B的绝对光谱辐亮度响应度,两种方式下的定标不确定度分别优于0.46%和1.8%。两种定标结果具有较好的一致性,在450～900 nm波段范围内,相对差异小于0.9%。研究结果表明:基于SCM的细分光谱扫描定标装置适用于传感器的绝对光谱辐射定标,在遥感器的绝对光谱辐射定标方面具有重要的应用价值。     

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%。     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

太阳辐射计先进定标方法研究

利用自行研制的光谱辐亮度响应度定标系统对CIMEL CE318的天空散射通道进行绝对定标,对于无偏675,870和1020 nm和三个偏振870 nm通道合成标准不确定度优于1%。对于同一台太阳辐射计,定标系数与NASA的相对偏差在±1.4%以内,说明了定标结果的可靠性。     

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。     

分光型偏振成像探测系统校正研究

在分析系统响应非均匀性和非一致性的基础上,根据系统响应的线性特性,采用`两点校正法和基于辐射定标的方法对分光型偏振成像探测系统进行了校正,利用偏振测量装置测量了系统校正前后的精度,并开展了成像探测试验。结果表明,该方法有效地提高了系统解析偏振信息的精度,丰富了偏振图像的细节信息。     

暗场共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有无创、无标记、高空间分辨等优点,被广泛应用在物理化学、材料科学、矿物学等领域。但自发布里渊散射强度弱,在探测系统消光比不足的情况下,布里渊信号光谱容易与弹性背景光发生交叠甚至是被湮没,因而无法实现对布里渊频移的精确测量。尤其在生物医学等前沿领域,浑浊介质粘弹性探测需求的日益增加对布里渊光谱探测系统的抗弹性背景光性能提出了更高的要求,解决共焦布里渊光谱探测系统消光比不足这一问题刻不容缓。为了提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比,本文构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统,将暗场照明应用于共焦布里渊探测中,利用光阑实现了中心遮挡的环形照明、中心通光的圆形收集的光路配置。照明光路与收集光路非交叉的特殊配置,保证了激发光强的同时避免了系统对镜面反射光的收集,因而使得弹性背景光被削弱,布里渊信号光谱显露,提高了系统的消光比。实验表明：相较于传统明场照明配置,暗场共焦布里渊探测系统的抗弹性背景光性能提升,消光比提高了20 dB;0.001%浓度的脂肪乳溶液在暗场配置下背景光得到明显压制,布里渊信号光谱显露,实现了对浑浊介质的布里渊频移数据的精确测量;选取蒸馏水、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅玻璃三个标准样品验证暗场配置下的非严格背向散射角,理论分析与实验相吻合,保证了后续轴向声速、纵向弹性模量等参数的计算结果的准确有效。暗场共焦布里渊光谱探测系统综合暗场照明与共焦探测的优点,既拥有共焦探测的高空间分辨率,又借助暗场光路配置提升了系统的抗弹性背景光性能,实现了高消光比、高空间分辨的布里渊光谱探测,为生物医学、材料科学等前沿领域实现对物质机械性能的实时无损探测提供了新的思路。     

偏振二向反射分布函数测量误差分析

针对遥感偏振探测过程中获取的偏振信息与目标真实偏振信息存在差异的问题,探讨了遥感偏振成像系统的3类系统误差源对偏振二向反射分布函数、偏振度和偏振相角测量精度的影响,建立了遥感偏振探测误差分析模型。分析了起偏器角度定位误差对斯托克斯参量测量的影响,通过数值模拟研究了起偏器角度定位对偏振探测精度的影响;依据遥感偏振探测的地物空间间隔和成像CCD分辨率分析了空间视场重合误差对偏振二向分布函数分量的影响;分析了成像系统的光子噪声等固有系统误差对偏振探测结果的影响;根据误差的传递原则对3类误差源导致的测量误差进行了合成,进一步推导出线偏振度和偏振相角总误差模型。实验分析表明,该遥感偏振探测误差模型能真实反映偏振探测系统误差源对偏振二向反射分布函数测量精度的影响。