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。     

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。     

分孔径红外偏振成像仪光学系统设计

为了在复杂及伪装的红外背景中识别出小温差目标,本文提出了一种基于分孔径的偏振成像系统结构,并对分孔径偏振成像系统所采用的分孔径成像系统及中继成像系统进行了设计研究。首先,根据Stokes矢量介绍了系统的工作理论和光学结构;其次,在现有探测器的结构参数要求下,计算出了光学系统的偏心量等参数,选择硅、锗作为透镜材料。在此基础上,确定了分孔径成像系统结构和中继成像系统结构。接着使用离轴偏心多重结构设计方法对初始结构进行了优化,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法;最后,完成了分孔径成像系统和中继成像系统的整体系统匹配。设计结果表明,整体系统的调制传递函数在探测器奈奎斯特频率为17 lp/mm处大于0.6,能够满足系统的设计要求。本文设计的结构可以对探测目标实现实时偏振成像,且具有结构紧凑的优点。     

多角度偏振成像仪偏振探测性能与检测

多角度偏振成像仪用于获取全球大气气溶胶和云性质参数,能探测大气多角度偏振信息。偏振探测是仪器的重要特性,大视场光学仪器起偏效应显著,应予以定标校正。在轨运行前通过实验室、外场对偏振探测性能进行全面检测。在轨运行时,设计基于自然目标偏振特性的在轨检测方法,进行数据校正后,再对大范围海洋耀光和水云偏振虹进行分析,通过偏差分布图像可在复杂多云的数据环境中直观显示仪器状态,实现了全视场偏振探测性能的快速评测,验证了地面应用系统数据处理的有效性。在轨偏振探测性能与实验室、外场检测的性能一致,探测精度满足优于0.02的设计指标。检测数据为气溶胶和云反演应用提供重要依据,各阶段检测方法为广角偏振遥感仪器检测提供参考。     

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.     

多角度偏振成像仪偏振通道响应非一致性测量方法

GF-5卫星多角度偏振成像仪(DPC)同一波段三个偏振通道(0°、60°及120°)必须进行响应非一致性校正,才能达到偏振探测的精度要求。将范围为-50°～50°的DPC宽视场划分为15×15个分视场,使用高精度的二维转动平台调整各分视场的位置以对准积分球参考光源进行成像。设计基于时间稳定性的分视场图像数据的拼接算法,得到全视场的拼接图像,并应用对数增强方法检测拼接图像中坏像元的位置与数量。采用拼接图像计算DPC同一波段三偏振通道的相对透过率、低频相对透过率及高频相对透过率,为DPC偏振通道响应非一致性校正提供了校正系数。结果表明,DPC偏振通道的响应非一致性测量不确定度优于0.67%。所提方法为校正DPC偏振通道间的响应非一致性、提高偏振信息的解析精度提供了高精度的手段。     

多角度偏振成像仪鬼像校正方法

根据多角度偏振成像仪光学系统特点,分析了仪器的鬼像分布特性,结合光学设计软件CodeV与ZEMAX确定了产生严重鬼像的光学工作面,并对实验测得的鬼像图像进行了标记.在此基础上,利用鬼像畸变与视场的关系,采用多项式拟合的方法得到仪器全视场鬼像位置和形变,并通过实测图像确定了原像和鬼像图像之间的能量衰减比,建立了仪器全视场的鬼像校正模型.最后分别对未饱和及过饱和图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的鬼像杂光.     

多角度偏振成像仪杂散光校正方法研究

多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式的偏振成像传感器,杂散光是影响其辐射偏振测量精度的重要因素之一。为了避免杂散光影响高精度定量参数的反演,需要在实验室对其进行专门的分析、测量和校正。根据多角度偏振成像仪的光学系统特点,将影响仪器的杂光分为局部杂光和全局杂光,重点分析了这两种杂光的成因和表现特性,并以此为基础构建了仪器的杂散光模型,提出了通过分区域照明获取杂光系数矩阵并对待校图像进行分块校正的方法。在未饱和及过饱和两种情况下,通过分矩形区域、分视场二维转动扫描成像的方式,建立了目标区辐射量和其他非目标区杂光量的关系,最终获得11×11区域的杂散光系数矩阵。最后根据实测得到的杂散光系数矩阵对图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的杂散光。     

多角度偏振成像仪探测器非均匀性校正研究

像面非均匀性与镜头、探测器组件、空间杂散光、温漂等多种因素相关,单一方法无法有效区分误差源,需逐一校正,针对偏振成像仪通过积分时间调整的在轨工作模式,研究基于多参量校正补偿的探测器非均匀性校正方法.通过探测器综合测试设备,获取温度、暗电流、曝光时间、光谱响应率等敏感因素数据,经过暗电流、帧转移效应、温度补偿和环境参量的校正,对探测器非均匀性进行多点法校正,消除了像面低频不均衡响应差异和邻域高频差异.实验表明,95%满阱单帧数据像元响应不一致性由1.141%降至0.513%,校正后数据噪声表现为散粒噪声,校正后有良好的动态范围调节能力和线性度,基于多参量的非均匀性校正方法为仪器的定标校正和在轨快速计算提供了数据支撑,为后续偏振遥感仪器提供有效参考.     

多角度偏振成像仪在轨图像配准及性能评估

高精度的图像配准是保证多角度偏振成像仪在轨数据有效性的关键.介绍了多角度偏振成像仪基于光楔的偏振图像配准方法和基于地球参考网格的多角度、多光谱图像配准方法 .系统地分析了影响多角度偏振成像仪多角度、多光谱图像配准性能的误差,并提出通过相对几何定标提高多角度、多光谱图像配准性能.对比误差校正前后多角度偏振成像仪的多角度、多光谱图像配准性能,证明所提方法有效地提高了多角度、多光谱图像配准精度.多角度偏振成像仪在轨多角度、多光谱和偏振图像配准精度分别优于0.26 pixel、0.14 pixel和0.1 pixel.     

大相对孔径紫外成像仪光学系统设计

为解决目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度差、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题,设计了一款高分辨率的大孔径消色差紫外光学系统。首先,根据电晕放电检测的应用需求,提出了紫外光学系统的总体设计。然后利用熔石英及氟化钙两种材料的不同色散特性,根据改进的双胶合透镜结构设计了一款大孔径的消色差紫外光学系统,并对该系统进行了公差分析。设计的紫外光学系统在全视场全探测范围内点列图均方根直径0.08 mm,分辨率为20 lp/mm,满足电力行业中对电晕探测的需求。     

水下仿生偏振成像光学系统设计

在水的光学特性影响下,为了对水下目标进行实时探测,通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理,仿照其独特的复眼结构,充分利用分振幅和基于孔径分割技术,设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合,用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计,系统焦距为35 mm,F数为4,工作波长为可见光波段486 nm~656 nm,半视场角为±2.5°。设计结果表明:MTF>0.7(@60 lp/mm), 系统弥散斑 < 9 μm, 畸变小于0.5%,可满足成像要求。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

空间大气遥感高光谱成像仪光学系统设计

多模式高光谱成像仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据多模式空间大气遥感的研究目标,采用扫描系统、离轴抛物面望远系统和双光谱仪级联色散光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个瞬时视场1.8°×0.045°、相对孔径1/2、工作波段250~500nm的星载天底-临边多模式高光谱成像仪光学系统,分成250~330nm和320~500nm两个波段同时探测,利用光学设计软件ZEMAX-EE中进行了光线追迹和优化设计,色散方向不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于9.5μm,在250~330nm波段,光谱分辨率为0.17nm,在320~500nm波段,光谱分辨率为0.37nm,均满足小于等于0.6nm的指标要求,高光谱成像仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.9以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

多波段全天空气辉成像仪光学系统设计

为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本,提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统,货架级的窄带滤光片置于一次像面处,使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明:系统F数为2.8,波段范围427.8～865nm,色焦移小于0.048mm,系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上,满足使用要求,且滤光片公差容限非常宽松,面形公差PV≤λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05,货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案,该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片,达到了简化系统降低成本的目的.     

多角度耦合分幅相机光学系统设计

为实现高速相机的分幅功能,本文提出一种采用多角度耦合分幅方式的高速相机光学系统。该系统分幅结构采用多组相同的光学系统,在平行于物面的圆周上均匀分布,分别从不同角度拍摄同一物面,在保证各组系统的物方视场相同的情况下,每组光学系统的光轴与物平面的夹角均相同,通过优化设计得到全视场的最佳成像。根据需求,使用光学设计软件设计了多角度耦合四分幅成像中长焦光学系统并绘制三维立体仿真模型,分析了每组像面像质、照度以及畸变等相关参数,调制传递函数MTF在频率为50 lp/mm处不低于0.5,F数为2,畸变小于0.4%,相较于常用的棱镜和反射棱锥分光方式,无需额外分光结构,像面照度提高4倍以上。结果表明成像质量理想,分幅相机系统各像面所成像一致性高。     

基于相对响应校正的多角度偏振成像仪几何定标精度提升方法

高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多角度偏振成像仪的实验室几何定标实验证明了所提方法的提升效果。提升效果在大视场区域中更为显著,最大几何定标精度约为0.1 pixel。最终,基于所提质心定位精度提升方法在实验室中获得了高精度的多角度偏振成像仪几何模型参数,模型拟合残差优于0.1 pixel。     

多角度偏振成像仪遥感图像太阳耀斑区的拖尾校正方法

为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾,以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例,结合多角度偏振成像仪在轨成像特点,理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型,以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型,该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明,该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声,提高图像质量,而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后,分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响,分析结果表明,拖尾校正前后,灰度方差由202.69×10^6下降至2.32×10^6,平均梯度由5.08×10^-1下降至2.26×10^-1.     

近红外偏振干涉光谱仪的光学系统设计

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源,用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器,设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800~1 700nm,理论光谱分辨率优于8cm-1,通光口径Φ10.4mm.质量评价表明,全视场点列图均方根半径值约为1.7μm,垂轴色差小于0.2μm,全视场范围内几何包围圆Φ14μm之内能量达到100%.     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。