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。     

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。     

偏振遥感器带内相对光谱响应度定标方法研究

带内相对光谱响应度是检测和评估偏振遥感器带内响应非一致性的基本参数。采用基于激光抽运氙灯光源的单色仪、消偏器、参考探测器和45°分束镜,搭建了一套偏振遥感器相对光谱响应度测量装置。该装置采用消偏器消除单色仪输出的偏振特性,通过光谱偏振分析仪(SPOLA)进行消偏精度的测量和验证。采用分束镜同步测量的方法来降低光源的非稳定性影响,提高测量精度和效率。采用成像区域大气校正仪490nm和870nm偏振通道作为应用案例,开展了带内相对光谱响应度的整机测试实验。实验结果表明,大气校正仪中心波长测量极差值与带宽均值的比值精度在0.25%以内,满足带内响应非一致性小于0.6%的定标要求。     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

基于日盲型滤光片辐射计的232～400 nm波段辐射标准传递研究

传统滤光片辐射计在测量紫外(UV)波段时带外泄漏影响严重。将日盲型光电管作为UV滤光片辐射计的探测单元,采用搭建的比对测量装置对日盲型UV滤光片辐射计各通道进行系统级相对光谱辐射功率响应度测量,再利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的光谱辐射照度标准灯对UV滤光片辐射计进行绝对光谱辐射照度响应度定标。采用单色仪系统完成UV滤光片辐射计与溯源至美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准探测器的对比,两者结果最大相差2.09%,验证了辐射标准传递的准确性。最后,通过立体角构建,将232～400 nm辐射标准传递到了大口径大动态范围UV积分球辐射源中。     

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。     

星载偏振扫描仪发射前定标及地面验证实验

高精度偏振扫描仪(POSP)采用分孔径和分振幅的同时偏振测量技术,可获取目标的高精度多光谱偏振辐射信息,其测量精度是影响载荷在轨应用的关键指标之一.仪器研制完成后,实验室条件下完成偏振和辐射定标以及测量精度的评估.为检验实验室定标结果,开展自然目标探测下的地面验证实验,使用POSP在晴朗天气沿太阳主平面对天空进行扫描,...     

光栅色散型成像光谱仪的偏振校正方法研究

光栅色散型成像光谱仪工作在可见近红外波段,主要用于海洋水色遥感。仪器采用推扫式成像,共设置15个光谱通道,穿轨方向由1024个像元组成,总视场宽度为14.2°。成像仪的各光谱通道对入射光的偏振状态敏感,为了提高大气顶入瞳辐射的测量精度,需要了解仪器的偏振响应特性,包括偏振灵敏度和相位角。发射前搭建了偏振测试系统,测量仪器的偏振灵敏度和相位角,它们是光谱通道和视场像元的函数。其中980nm波段的偏振灵敏度最高,平均值约为4.69%,443nm波段的偏振灵敏度最低,平均值约为1.81%。随着视场的变化,灵敏度呈现中间低,两边高的变化规律。提出成像仪偏振响应校正方法,利用偏振状态已知的入射光进行实验验证,结果表明该方法可将成像光谱仪偏振响应引入的辐射测量不确定度降低1%~6%。     

基于航空多角度偏振辐射计遥感数据评估陆地表面偏振反射模型

运用新研制的大气多角度偏振辐射计(AMPR)获得航空遥感数据并结合实验室测量数据对常用的三种地表偏振模型进行评估,分析地表偏振反射率的波段响应和角度响应特征。实验发现偏振反射率对波段变化的响应很小,该结论得到85%以上飞行数据的气溶胶反演结果支持。实验室数据中,波长变化1nm的黄棕壤和红沙土的偏振反射率改变量仅分别为2.43×10-6和1.47×10-6。在角度响应特征上,三种模型都与实验数据符合得很好,高植被覆盖率时三种模型与实际测量数据的偏差较小。分别对三种模型的航空数据进行拟合,Nadal和Bréon(NB)开发的地表偏振反射率模型与飞行数据符合得最好,拟合偏差约是其他两个模型的一半,NB模型能够更精确地描述地表偏振反射的特性。     

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。     

基于离轴三反的同时全偏振成像仪的偏振定标方法

同时全偏振成像仪是一种基于大口径离轴三反系统的高空间分辨率偏振遥感器,它采用棱镜分振幅的同时偏振测量方法。由于仪器偏振器件多,特性复杂,导致仪器的测量矩阵偏离理想值。为保证仪器的偏振测量精度,需要进行有效的偏振定标。提出了一种利用标准线偏振光源与圆偏振光源对一种分振幅型同时偏振成像仪进行定标的方法。线偏振定标源定标仪器测量矩阵的前三列,利用最小二乘拟合傅里叶系数获得定标系数;圆偏振定标源定标仪器测量矩阵的第4列,采用将光源旋转90°测量两次求平均的方法消除光源圆偏振态的非理想性。最后通过实验验证了同时全偏振成像仪的偏振测量精度,结果表明:定标后偏振测量精度优于1%(P≤0.3)。     

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.     

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...     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

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。     

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。     

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。     

多角度偏振遥感相机DPC在轨偏振定标

为了做好卫星数据应用的技术储备,多角度偏振遥感相机DPC航空预研版已经研制成功并完成了航空飞行实验. DPC相机用于获取地气系统反射的偏振、多角度的太阳辐射信息,其地气物理参数反演依赖于定标的精度. 偏振相机的辐射定标包括强度和偏振两个方面. 本文研究偏振遥感相机的偏振参数的在轨定标原理与方法. 基于偏振遥感相机的设计原理,以相机的偏振辐射模型为基础,探索偏振定标的原理和方法. 使用DPC航空遥感实验数据,初步实现了在轨偏振定标并对定标结果进行了分析. 为将来我国自主星载偏振遥感数据处理和在轨偏振定标提供 关键词： 偏振定标 遥感 在轨定标 DPC     

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。