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,...     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

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。     

利用电磁左手材料调控电磁波的偏振反转

通过各向异性的电磁介质板的反射,电磁波的偏振状态可以被任意地调节,在特定的条件下甚至可以完全反转.本文在微波测量系统的基础上设计了一个测量偏振反转的实验,在特定的频率观测到了偏振反转的极大值.另外还提出了一个提高偏振反转率的方案并通过实验验证了其有效性.通过转移矩阵方法计算得到了偏振反转的理论结果并与实验结果进行了对比.     

基于偏振特性的伪装目标检测方法研究

在介绍偏振成像机理的基础上,分析了偏振信息检测和强度信息检测在物理含义中的区别。以12种伪装网作为目标,通过实验研究了目标的反射光偏振特性,比较了它们的偏振光谱信息。分析结果表明:观测角度、目标表面粗糙度、目标材料等对目标偏振特性有很大影响。实验给出了观测角度、目标表面粗糙度、材料等与目标偏振特性的关系,对伪装目标检测具有重要的指导意义。     

基于机器学习的偏振遥感云检测优化算法

偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强,极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题.针对该问题,本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法.该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究,利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据,搭建了粒子...     

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。     

横向调制偏振光测量导轨直线度

介绍了一种测量导轨直线度误差的新方法,利用偏振干涉原理调制出一束偏振角随光束横向坐标线性变化的特殊线偏振光光束,通过一个随直线度误差移动的光缝测量出光束中不同位置的偏振角,根据直线度误差与偏振角之问的线性关系,实现对直线度误差的测量.从理论上对该方法进行了论证分析,进而详细介绍了光学调制器的组成,设计了偏振角测量的光电组件,并进行了相应的实验.实验结果分析表明,该实验装置的直线度误差与偏振角之间的直线拟合相关指数R2优于0.9995,且测量直线度误差范围不低于0.5 mm,构建的测量系统经标定后测量分辨力可以达到亚微米级,测量不确定度达到1μm.该方法不仅实现方便、可靠性较高,而且可以克服测量时由于光强变化、导轨形面误差对测量结果的影响,稍加改进即可实现二维直线度误差测量,测量精度与自准直仪相当,具有一定的理论研究意义和较强的实际应用前景.     

偏振模色散补偿中的偏振主态与分束器主轴的对准

光纤通信系统的比特率超过10Gb/s或更高时,偏振模色散引起的脉冲信号展宽成为主要障碍.分离光纤线路中的两个偏振模式对于提高偏振模色散补偿的精度和速度有重要意义.讨论了光纤线路中两偏振主态与补偿器中偏振分束器主轴的对准问题,给出了偏振分束器任何一个主轴上光强的表示并推导出相应的电功率信号表示式,建立了电功率与光信号两个模式之间的延迟时间以及偏振主态与分束器主轴相对角度的变化关系.初步实验表明,可以通过偏振控制器或可转动的光纤连接器实现偏振主态与偏振分束器的对准.     

偏振分集技术及其在光纤传感器中的应用

研究了偏振分集技术消除干涉型光纤传感器中偏振衰落问题的基本原理及实现方法.理论分析表明,偏振二分集可大大缓解偏振衰落.搭建光纤传感系统对偏振二分集技术进行了实验验证,实验中单路最小可视度接近0,而偏振二分集得到的最小可视度为0.4.实验结果表明系统采用的相位载波调制解调技术实现了信号的稳定检测.     

LCVR和AOTF的光谱偏振测量新策略

现有利用液晶相位可变延迟器(LCVR)和声光可调谐滤光器(AOTF)的偏振测量方法较为繁琐,故提出了一种光谱偏振测量新策略,去除了机械运动,并且相位延迟量的选取从四组减少为两组。采用两个LCVR和一个AOTF,通过两个相同型号探测器分别测量±1级衍射光,实现光谱偏振测量。电脑控制LCVR和AOTF的驱动系统分别实现所需相位延迟量和波长选择,通过扫描射频驱动整个频段得到被测光的光谱信息。叙述了方法的具体原理,分析了AOTF的偏振模型,通过理论计算LCVR和AOTF的Muller矩阵,推导出了相应的斯托克斯(Stokes)矢量中的I,Q,U的测量公式。分析并仿真了相位延迟量微小偏差对整个系统测量误差的影响,结果显示相位延迟量在±π/100范围内相对误差<3%。实验验证了测量系统的可行性和准确性,测量误差总体<6%。为偏振测量提供了一种简单可行且精度较高的新方法,具有重要的应用价值。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

叠栅条纹相位分布对对准精度的影响分析

光刻对准中,一般将硅片和掩模对准标记制作成周期接近的光栅,通过光栅标记叠加形成的叠栅条纹的相位信息,探测掩模和硅片的相对位置关系。在实际的应用中,叠栅条纹的方向不仅与对准标记的几何位置有关,而且还与CCD的位置有关。为了将叠栅条纹的光刻对准方法推向实际应用,从矩形光栅到叠栅条纹,分析了一般光栅的相位分布规律。根据叠栅条纹相位特性分析了掩模、基片和CCD的几何位置对对准精度的影响;建立了实际对准偏差与理论值的数学关系模型。研究表明,没有角位移的情况下,当位移值小于0.4pixel时,理论上最大对准误差低于0.002pixel。     

基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。     

ICF靶丸装配误差检测

针对激光惯性约束聚变装置中靶丸装配误差检测困难、要求精度高的特点,研制了一套用于微靶装配参数检测的测量系统。提出了一种基于激光与CCD的复合式测量方法,建立了二者数据融合的数学模型,通过标定空间位置关系有效地把二者的测量数据融合到同一个坐标系中,从而实现了高精度三维测量。分两种情况讨论了靶丸装配误差的检测方法。实验结果验证了这两种方法的可行性,并比较了两种方法的测量精度,其极限测量误差均不超过3 m。     

空间振幅调制光谱偏振测量技术研究

空间振幅调制光谱偏振测量技术通过由光楔、偏振片组成的调制模块,将目标的偏振信息调制到与光谱维垂直的空间维,单次测量即可同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先阐述空间振幅调制光谱偏振测量技术的基本原理,然后利用空间调制光谱偏振仿真软件进行理论仿真,并且给出了具体的实验研究方案,通过对比理论模拟图像和实验图像,验证实验的可靠性。以Q=0,U=1,V=0和Q=1,U=0,V=0作为入射偏振光进行实验,在波长范围500～600 nm采样10组数据,利用最小二乘法对实验输出的偏振光进行偏振解调。结果表明：解调后入射光的线偏振度与参考入射光的误差值分别小于2.5%和4%,偏振角误差值小于1.8%和2%,验证了实验和算法的可行性,并对两组复合光楔中心误差对偏振测量的影响作了简要分析,结果表明中心误差对偏振分量Q和V的测量影响较大。     

Influence of inherent error of fiber-optic image inverter on application北大核心CSCD

The low-level-light image intensifier is an important photoelectric detection and imaging device in the field of night vision, and it is widely used in head-mounted display, hand-held observation and night aiming. The super-second-generation inverted image low-level-light image intensifier with fiber-optic image inverter is widely used in the night aiming system. According to the requirement of practical application, the influence of turning angle error and snake-shaped distortion in the inherent error of inverted image low-level-light image intensifier on the measurement error of aiming and stroke difference in application was analyzed. The analyses show that when the image turning angle error is less than 30' and the snake distortion is less than 30 μm, it can meet the requirements of close-range aiming and measurement of stroke difference. A detection device was developed to control the error, which solved the problem and put forward the relevant quality control points for the production and manufacture of image intensifiers for this kind of application. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

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.     

基于偏振特性对石英玻璃和绿漆涂层的反演

物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关,为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演,本文首先对两种典型目标(绿漆涂层和石英玻璃)的偏振特性进行了实验测定,并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下,对目标的折射率、消光系数进行了定量反演,最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明,石英玻璃的折射率相对误差为4.944 9%,绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.558 9%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率,同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。