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星载多角度偏振成像仪偏振辐射测量的理论误差分析

更新时间：2019-12-25 11:02:55 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：偏振辐射测量 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

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。


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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．５ １５５８１５６５  
ｐｐ  
第
卷
３７  
ꢀ
期
５
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｍａ ２０１７  
ｙ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１７  
ꢀꢀꢀ  
５
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
星载多角度偏振成像仪偏振辐射测量的理论误差分析  
， ，  
１ ２ ３  
，
１ ３  
，
１ ３  
津
，
１ ３  
袁银麟  
，
１ ３  
裘桢炜  
，
１ ３  
双
ꢀ
４
，
叶擎昊 孟炳寰  
＊
，
，
洪
，
，
，
李
钱鸿鹄  
ꢀ
，
中国科学院安徽光学精密机械研究所 安徽 合肥  
１．  
２３００３１  
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀ  
，
中国科学技术大学 安徽 合肥  
２．  
２３００２６  
ꢀ
，
中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室 安徽 合肥  
３．  
２３００３１  
ꢀ
，
上海卫星工程研究所 上海  
４．  
２００２４０  
ꢀ
， 。  
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  
ꢀ
摘
要
ꢀ
，
以
，
为数学描述方法 分析仪器的原理和光路结构特  
ＳｔｏｋｅｓＭｕｅｌｌｅｒ  
究仪器的测量精度及相关的误差因素  
－
， ，  
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  
。
模型的正确性 在考虑  
点
Ｍｕｅｌｌｅｒ  
， ，  
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  
。
；
； ；  
矩阵 偏振辐射测量 偏振精度  
关键词 偏振遥感  
ꢀ
ＳｔｏｋｅｓＭｕｅｌｌｅｒ  
－
：
：
Ａ
： ／ （ ）  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０５１５５８０８  
ｊ
ꢀꢀꢀ － －  
－
中图分类号  
文献标识码  
ＴＰ７３  
ꢀꢀ  
［
］
４
，
１
内陈立刚开展了对航空版  
的实验室定标研究  
一定  
ＤＰＣ  
，
程度上完成了包括偏振方面的实验室定标工作 但对全视场  
引
言
ꢀ
。
系统性的建模及理论误差分析方面较为不足  
、
偏振遥感信息包含大量与传统遥感中光谱 强度信息相  
（
）
斯托克斯 米勒矩阵 为数学描述  
－
本文以  
ꢀꢀ  
ＳｔｏｋｅｓＭｕｅｌｌｅｒ  
－
， 、  
独立的内容 可以提高气 溶 胶 云 等 大 气 成 分 遥 感 的 精 度  
，
，
工具 分析  
，
的原理和光路结构特点 从理论上推导了仪  
ＤＰＣ  
［
］
１６  
。
－
已成为大气光学遥感发展的一个新方向  
这种目标探测  
，
器的偏振辐射测量模型 并通过实验验证了模型的正确性  
。
，
手段和技术已 成 为 国 内 外 近 年 来 研 究 的 一 个 热 点 法 国 的  
，
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  
［，  
］
７
，
２
，
ＲＳＰ ＡＰＳ  
美国的  
和 等偏 振 遥 感 仪 器  
ＭＳＰＩ  
，
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  
ＰＯＬＤＥＲ  
。 ，  
已经取得了一定的成功 国内 中国科学院安徽光学精密机  
、 ／  
量误差与通 道 相 对 透 射 率 空 间 高 频 相 对 透 射 率 响 应 率  
、
（
械所设计并研制了星载多角度偏振成像仪  
、
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  
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｏｌａｒｉ  
ꢀｐ －  
［］  
８
） ，  
它是一种超广角画幅式低畸变成像  
，
，
之间的关系 同时找出了各种参数有偏差时对应误差最敏感  
ｍｅｔｒｉｃｃａｍｅｒａ ＤＰＣ  
ꢀ
，
的航天遥感偏振传感器 可以获取大气气溶胶及云的多角度  
。 ，  
的目标光偏振态 按照仪器探测精度要求 以误差平均分配  
。
偏振辐射成像信息 偏振测量精度是衡量一台偏振探测器性  
， ，  
的方式 结合误差最敏感的目标光偏振态 从理论上给出了  
， ，  
能的重要技术指标 在大气偏振特性研究中 偏振测量精度  
。 、  
各重要参数的误差容限 该研究对于整个仪器的研制 定标  
［］  
９
。
对气溶胶参数的反演具有非常重要的意义  
。
及后期数据处理具有重要的理论意义  
仪器偏振系统误差是影响其偏振辐射测量精度的主要因  
［
］
０
，
１
、 、  
主要包括 元 器 件 的 制 造 误 差 装 调 误 差 视 场 效 应  
素
原理  
１ ＤＰＣ  
ꢀ
。 ，  
为提高探测精度 目前通常采用的方案是对偏振成像测  
等
：
光学系统主要由三部分构成 广角像方远心成像物  
。
量系统进行精确定标 对大视场的偏振成像仪进行偏振定标  
ＤＰＣ  
ꢀꢀ  
［
］
１１３  
－
１
，
方面的研究很少 国外仅有  
，
国
、
、
滤光片－偏振片组 合 转 轮 面 阵  
，
探 测 器 如 图  
等
的少数文 献  
镜
所
１
Ｇｏｌｏｕｂ  
ＣＣＤ  
：
，
：
修订日期  
２０１６０６１８  
收稿日期  
２０１６０２２４  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
），  
中国科学院天文联合基金项目  
（
）
资助  
Ｕ１３３１１１１  
基金项目 国家自然科学基金项目  
４１４０５０３７  
：
，
，
年生 中国科学技术大学博士研究生  
：
ｅｍａｉｌ ｈｏｎｈｕ ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ꢀꢀ  
作者简介 钱鸿鹄  
１９８９  
－
ｇ ＠  
：
ｅｍａｉｌ ｂｈｍｅｎ ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎ  
－
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
ｇ＠  
第
期
光谱学与光谱分析  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
５
１５５９  
。
，
探测阵列上有效像元数  
示
为
中
沿轨和穿轨方向视场均为  
１００°  
，
个测量通道 设置了 个波段 其  
Ｉ
Ｑ
Ｕ
Ｉ
Ｉ
＋
ｏｌ  
ｐ
＝
＝
＝
ｎ
ｐ
烌
。
转轮共有  
５１２×５１２  
，
（）  
１
１５  
８
Ｉ ｃｏｓ２  
ｏｌ  
ｐ
χ
烍
（
个波段是偏振 每个偏振波段有 个通道  
３
），  
５
，
个非偏振  
３
Ｉ ｓｉｎ２  
ｏｌ  
ｐ
χ烎  
。
另外 个本底通道用来测量暗电流 每个偏振测量波段  
１
，
分
（） ，  
中
１
，
，
为非偏辐射强度  
Ｉｏｌ  
式
为辐射光的总强度  
为偏  
ｐ
Ｉ
Ｉ
ｎ
ｐ
（ ，  
，
）
的检偏测量 反演  
０° ６０° １２０°  
，
别进行三个相对偏振方向  
，
χ
（
ａｎｌｅｏｆｌｉｎｅａｒ ｏｌａｒｉｚａ  
ｇ ꢀꢀ  
ꢀｐ  
振辐射强度  
为偏振辐射的偏振角  
－
。
解析获得遥感偏振信息  
， ）， ／  
ｔｉｏｎ ＡｏＬＰ Ｉｏｌ Ｉ  
ｐ
（
表示线偏振度  
ｄｅｒｅｅｏｆｌｉｎｅａｒ ｏｌａｒｉｚａ  
ｇ
ꢀ ꢀ ꢀｐ  
－
， ）。  
ｔｉｏｎ ＤｏＬＰ ＤＰＣ  
仪器本身对辐射光偏振 态 的 改 变 可 由 一  
［ ］  
１７  
。
描述  
个
的 矩阵  
３×３ Ｍｕｅｌｌｅｒ  
图
光学结构布局  
１ ＤＰＣ  
ꢀ
Ｆｉ．１ Ｏｔｉｃａｌｌａｏｕｔｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｃａｍｅｒａ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｐ
ｙ
遥感图像的 每 个 像 素 代 表 对 应 地 物 目 标 的 不 同 观 测 角  
ꢀꢀ  
， ，  
卫星在轨运行时 轨道上不同位置可以获取同一地物目  
度
图 仪器坐标系中的局部坐标系和检偏器振透方向  
３
ꢀ
，
标的不同观测角度遥感数据 从而实现了多角度的观测  
。
超
；（  
Ｆｉ．３ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｓａｎｄｔｈｅ ｏｌａｒｉｚｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  
ꢀ
， ）  
Ｙ
０
Ｘ
０
，
广角成像物镜是此多角度观测数据的实现方式 这是仪器自  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｇ
［
］
４１５  
－
１
；（ ， ）  
ｆｏｒｔｈｅｉｍａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅ Ｘ Ｙ ｆｏｒｔｈｅｌｏｃａｌ  
ꢀ
。
ꢀ ꢀ  
ꢀ ꢀ  
ｇ ｇ  
身偏振效应的主要来源  
ꢀ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｌｉｎｋｅｄｔｏａｓｉｎｌｅ ｉｘｅｌ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀꢀ ꢀ  
ｇ ｐ  
（
片 透 镜 个 介 质 面  
２０  
），  
的光 学 镜 头 共 有  
对 于  
ＤＰＣ  
ꢀꢀ  
１２  
， ，  
偏振通道 镜头之后是滤光片 线偏振片 最后端是接  
＋
ＤＰＣ  
镜头的  
２．２  
ꢀ
矩阵  
Ｍｕｅｌｌｅｒ  
， 。  
探测器阵列 如图 所示  
２
收光强的  
ＣＣＤ  
， （  
某一像元对应的入射光束 分解为相互正交的 光 子  
Ｐ
）
午方向 和  
（
），  
。
展 示 了 其 中 一 个 子 午 面  
光
弧 矢 方 向  
图
Ｓ
２
，
分别表示 光和 光的镜头振幅透射率 其只随  
Ｓ
设
τ
１
和
τ
２
Ｐ
（ ） 。  
视场角 入射角 的改变而变化 在平行和垂直子午面的方向  
， 。  
如图 所示 单像元  
３
建立在像面投影的局部坐标系  
ＯＸＹ  
－
，
光束在镜头不同孔径处 每根光线与各光学表面的入射角及  
（
其入射面方位角均不同 有一定对称性  
），  
会导致这束光汇聚  
［
］
８２２  
－
１
。
成像时发生退偏 设此退偏效应是个可忽略的小量  
单像元对应 的 镜 头 微 元 在 此 局 部 坐 标 系 下 的  
，
则
矩 阵  
Ｍｕｅｌｌｅｒ  
［ ］  
２３  
ｎｓ可表示为  
ＭＬｅ  
１
０
ε
２
２熿  
τ ＋τ  
２
燄
１
１
ꢀ
０
（）  
２
图
光学系统特点  
ε
２
ꢀ
ＭＬｅ  
＝
ｎｓ  
２
２
Ｆｉ．２ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｐ
０ ０  
ꢀ ꢀ  
燀
１
－ε  
槡
燅
［ ］  
２２  
（） ，  
中
２
， （）  
表达式为以式 表  
３
式
是镜头的线性双向衰减  
ε
偏振辐射测量模型  
达
２
ꢀ
２
２
τ －τ  
１
２
（）  
３
ε＝  
２
２
、
仪器偏振辐射测量建模的目标是给出一个虚构的 完备  
τ ＋τ  
１ ２  
ꢀꢀ  
，
的偏振效应情况下 对于  
在忽略滤光片和  
非
ＤＰＣ  
ＣＣＤ  
，
的仪器物理描述 从而得到在每一个光谱通道中探测阵列上  
ꢀꢀ  
，
偏振通道 仪器的  
。
矩阵  
Ｍｕｅｌｌｅｒ  
矩阵就只有镜头的  
Ｍｕｅｌｌｅｒ  
。
每一个像素单元对入射偏振光的响应特性  
，
只响应  
矢量中的总光强 参量 照射到 上  
ＣＣＤ  
ＣＣＤ Ｓｔｏｋｅｓ  
（）  
的光强  
Ｉ
ＣＣＤ  
Ｉ
参量定义  
２．１ Ｓｔｏｋｅｓ  
ꢀ
Ｔ
［， ， ， ］  
Ｓ＝ Ｉ Ｑ Ｕ Ｖ  
为式  
４
在遥感探测中通常假定  
矢量  
Ｓｔｏｋｅｓ  
［
］
６
，
１
［
］
Ｍ
×
， ，  
Ｉ Ｑ Ｕ  
的圆偏振分量  
所以使用  
三个分量即可表  
Ｉ
ＣＣＤ  
１ ０ ０  
ꢀ ꢀ  
Ｓ
× ＝  
＝
ＤＰＣｎ  
ｐ
Ｖ＝０  
。
示光束线偏振信息 其中  

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