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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．３７Ｎｏ．５１５５８１５６５

ｐｐ

第

卷

３７

ꢀ

期

５

光

谱

学

与

光

谱

分

析

ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

－

，

Ｍａ２０１７

ｙ

年

月

ＳｅｃｔｒｏｓｃｏａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ 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

，，

１２３

，

１３

，

１３

津

，

１３

袁银麟

，

１３

裘桢炜

，

１３

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

：／（）

ＤＯＩ１０．３９６４．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

，

ＲＳＰＡＰＳ

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

ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｌａｒｉ

ꢀ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

ｍｅｔｒｉｃｃａｍｅｒａＤＰＣ

ꢀ

，

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

１ＤＰＣ

ꢀ

。，

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

：

ｅｍａｉｌｈｏｎｈｕｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ

ꢀꢀ

作者简介钱鸿鹄

１９８９

－

ｇ＠

：

ｅｍａｉｌｂｈｍｅｎａｉｏｆｍ．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

＋

ｏｌ

ｐ

＝

ｎ

ｐ

烌

。

转轮共有

５１２×５１２

，

（）

１

１５

８

Ｉｃｏｓ２

ｏｌ

ｐ

烍

（

个波段是偏振每个偏振波段有个通道

３

），

５

，

个非偏振

３

Ｉｓｉｎ２

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

Ｉ_ｏ_ｌ

式

为辐射光的总强度

为偏

ｐ

Ｉ

ｎ

ｐ

（，

，

）

的检偏测量反演

０° ６０° １２０°

，

别进行三个相对偏振方向

，

（

ａｎｌｅｏｆｌｉｎｅａｒｏｌａｒｉｚａ

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

，），／

ｔｉｏｎＡｏＬＰＩ_ｏ_ｌＩ

ｐ

（

表示线偏振度

ｄｅｒｅｅｏｆｌｉｎｅａｒｏｌａｒｉｚａ

ｇ

ꢀ ꢀ ꢀｐ

－

，）。

ｔｉｏｎＤｏＬＰＤＰＣ

仪器本身对辐射光偏振态的改变可由一

［］

１７

。

描述

个

的矩阵

３×３Ｍｕｅｌｌｅｒ

图

光学结构布局

１ＤＰＣ

ꢀ

Ｆｉ．１Ｏｔｉｃａｌｌａｏｕｔｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｃａｍｅｒａ

ꢀ ꢀ ꢀ

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．３Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｓａｎｄｔｈｅｏｌａｒｉｚｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ

ꢀ

，）

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

；（，）

ｆｏｒｔｈｅｉｍａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅＸＹｆｏｒｔｈｅｌｏｃａｌ

ꢀ

。

ꢀ ꢀ

ｇｇ

身偏振效应的主要来源

ꢀ

ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｌｉｎｋｅｄｔｏａｓｉｎｌｅｉｘｅｌ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀꢀ ꢀ

ｇｐ

（

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

１

和

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

Ｍ_Ｌ_ｅ

１

０

２

^２熿

τ ＋τ

２

燄

１

ꢀ

０

（）

２

图

光学系统特点

２

ꢀ

Ｍ_Ｌ_ｅ

＝

ｎｓ

２

Ｆｉ．２Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍ

ꢀ ꢀ ꢀ

ｙ

ꢀ

ｇ

ｐ

００

ꢀ ꢀ

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

偏振辐射测量模型

达

２

ꢀ

２

τ －τ

１

２

（）

３

ε＝

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

１２

ꢀꢀ

，

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

ＣＣＤＳｔｏｋｅｓ

（）

的光强

Ｉ

ＣＣＤ

Ｉ

参量定义

２．１Ｓｔｏｋｅｓ

ꢀ

Ｔ

［，，，］

Ｓ＝ＩＱＵＶ

为式

４

在遥感探测中通常假定

矢量

Ｓｔｏｋｅｓ

［

］

６

，

１

［

］

Ｍ

，，

ＩＱＵ

的圆偏振分量

所以使用

三个分量即可表

Ｉ

ＣＣＤ

１００

ꢀ ꢀ

Ｓ

× ＝

＝

ＤＰＣｎ

ｐ

Ｖ＝０

。

示光束线偏振信息其中

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