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.     

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。     

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。     

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。     

一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法

提出了一种采用基于视场补偿型Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪对二维目标偏振信息进行空间遥感探测的新原理和新方法.在新型偏振干涉成像光谱仪光学系统不变的情况下,通过旋转偏振干涉仪分别测出了三个不同角度下像面上各像点的光强值,反演出了二维面目标的斯托克斯矢量,并给出了各像点偏振度和偏振方向的理论表达式.采用计算机模拟实验对该探测原理和方法进行了验证,所得结果与理论完全符合.从理论和实践上扩展了干涉成像光谱仪的探测功能,与目前国内外所研究的成像光谱仪相比,该成像光谱仪既能同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息,又提供了一种获得目标偏振信息的手段和方法.     

多角度偏振辐射计系统设计与实现

多角度和偏振遥感可解决传统遥感所不能解决的大气探测和目标识别等方面的问题。为实现气溶胶偏振信息的多角度探测,提出了一种新型的多角度偏振辐射计。该辐射计可以在多个角度上测量大气的偏振光谱信息,为大气光学和微物理特性的高精度反演提供重要的实测数据源。作为航天载荷的原理样机,多角度偏振辐射计的光机系统由多路并行望远光学模块组成,可在110°视场范围内,以0.5°间隔实现偏振信息的多角度探测;采集控制与数据传输系统由双控制核心和高速接口组成,大大提高了系统的并行处理能力和数据传输速度,可在高速运动的平台上实现多路偏振光谱信息的同步采集与实时传输,避免了由平台移动和信号的异步采集引入的误差。航飞试验结果表明,多角度偏振辐射计可实现气溶胶偏振信息的高精度探测。     

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。     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量     

海洋遥感偏振特性分布与偏振误差补偿方法

为了提高海洋水色卫星遥感的定量参数反演精度,确定入瞳处的偏振信号对传感器响应的影响逐渐受到重视。以Aqua-MODIS为例,分析了海洋卫星传感器大视场范围内的偏振特性分布,发现无论是大气程辐射还是考虑海表贡献的入瞳光,视场内偏振特性的变化与观测几何的变化密切相关。相比海表的偏振贡献而言,大气是偏振光的主要来源。在此基础上,研究了遥感器在不同偏振灵敏度条件下对入瞳处的偏振信号的响应以及由此引起的系统误差,发现只有当偏振灵敏度不超过2%时可以满足反演离水辐射产品的需要。提出了补偿大气偏振测量误差的方案,能够较好地提高卫星数据的利用率和遥感器的辐射测量精度。     

自然光照下反射光的偏振特性研究

在自然光照条件下,用CCD相机获取树叶表面反射光的偏振信息,经过分析和计算,得到反映树叶表面信息的偏振度图像偏振度图像.在实验室条件下,对不同种类的树叶以及不同颜色的同种树叶样品进行了研究,结果表明PDI探测相对于传统的光度探测有一定的优越性,可以在军事目标识别和遥感探测领域发挥重要作用.     

遥感遥测中偏振信息的研究进展

偏振是光的固有特性之一。地球表面和大气中的任何目标物在与光相互作用的过程中,由于目标物的表面结构、内部结构以及光入射的角度不同,都会产生其自身性质决定的特征偏振。而偏振遥感探测就是以目标物辐射能量的偏振特征作为探测信息,可以在复杂的背景中提取目标的七维信息并很好地分辨目标物上低反射区域和目标轮廓,解决了传统遥感所不能解决的大气探测和伪装识别方面的问题,具有良好的应用前景。文章介绍了偏振遥感遥测的机理,详细阐述了偏振探测的理论模拟、偏振遥感探测仪以及偏振遥感探测技术在大气探测、地球资源探测、海洋表面与水下探测、生物医学、天文探测、军事等领域应用的国内外研究概况、水平和发展趋势,归纳了目前存在的问题,并指出目前国内外偏振探测技术的研究方向,以期为后续的同类研究提供参考。     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

空间目标材料偏振光学特性研究

基于二向反射模型,对碳纤维、渗碳膜、F46和OSR四种典型的空间目标样本的偏振光谱数据进行测量;通过测算样本Stokes参量获取样品多角度下的线偏振度与偏振角信息,并对其进行统计.结果表明,样本线偏振度和线偏振角的均值、方差之间存在较大差异,对比分析样本均值和方差之间的关系能有效提高目标的探测和识别性能,可以解决传统光谱技术上产生的"同物异谱"和"同谱异物"问题;所获取的偏振特性可为偏振遥感提供更多的光学信息.     

偏振遥感的侦察原理及应用

偏振遥感是一种新的遥感探测方法,它以目标辐射能量的偏振特征作为探测信息,能够很好的分辨目标上低反射区域和目标轮廓,在复杂的背景中提取目标的三维信息。介绍了偏振遥感的基本原理和国内外应用情况,分析了偏振遥感的特点和在识别人工目标方面的优势。     

偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

偏振探测作为一种新型遥感技术,是对传统光谱遥感探测的有益补充,为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量,分析土壤湿度与偏振光谱的相关性,同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下,偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性,尤其在500～700 nm波段,湿度与偏振度呈正比关系;低湿度的情况下,偏振光谱与土壤湿度相关性不明显;此外,不同观测角对偏振光谱也有影响,如入射角固定为50°,观测角在20°～60°区间测量时,偏振度随观测角增大而增大,且观测角愈大,偏振度随湿度的变化愈显著。     

基于野外测量研究植被冠层偏振光谱反射特性

植被冠层反射太阳光会产生部分偏振光,这为偏振遥感探测提供了信息源。利用地基平台开展野外偏振测量是非常重要的研究,它不仅能获取植被冠层本质的偏振反射特性,而且还可以与机载或者星载平台数据进行匹配;虽然研究者们已经通过机载或者星载偏振探测器获取了大量植被冠层的偏振反射信息,但是关于地面植被冠层偏振反射分布特性的研究却很少。因此,为了详细研究植被冠层的偏振反射特性,基于野外多角度高光谱偏振测量与偏振反射物理机制,分析了植被冠层偏振光谱特性及其偏振反射分布特性;随后,反演了两种偏振模型的参数,将测量值与模拟值进行对比分析。研究结果发现,植被冠层的偏振反射具有明显的各项异性特征,而且与波长之间存在微弱的关系;同时,偏振模型可以很好地模拟植被冠层的偏振反射信息,可以作为研究植被冠层的理论依据。该研究测量的偏振反射信息与模型计算值之间呈现良好的吻合性,既描述了植被冠层偏振反射分布特性,又证明模型的有效性和测量结果的准确性。对植被冠层偏振特性的详细研究,不仅有助于完整地解释植被冠层与电磁波之间的辐射响应特征,而且对于偏振遥感对地观测以及地表偏振信息对大气偏振信息的研究也具有重要科学价值。     

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。     

差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染

传统热红外遥感探测水面溢油污染时需要大面积洁净水域与污染水域进行辐射对比,并且通过红外影像无法鉴别溢油种类。为了能够及时了解某一水域的溢油污染程度以及溢油的种类,文章提出了差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染。该方法通过获取分析目标在水平和垂直两个偏振方向的偏振强度差谱对目标实现探测,具有很好的时效性。文章分析了差分偏振FTIR光谱探测的辐射传输模型,并在室外对水面0号柴油油膜和SF96油膜进行了差分偏振FTIR光谱探测实验。实验结果表明该方法不需要大面积洁净水域进行辐射对比即可直接对水面溢油污染物进行探测,并且通过分析差分偏振FTIR光谱中的光谱特征可以识别水面溢油的种类。该方法弥补了传统热红外遥感探测水面溢油污染的局限性。