多角度偏振成像仪系统级偏振定标方法研究

系统级偏振定标是多角度偏振成像仪(Directional polarization camera, DPC)研制过程中的关键环节,对于提高大气气溶胶和云相态等定量化探测应用具有重要意义。结合矩阵光学和辐射度学理论,建立了多角度偏振成像仪偏振响应定标模型,对关键影响参量进行定标。采用大口径积分球参考光源和分视场测量方法,消除了光楔平板对DPC三检偏通道视场非一致性的影响,实现了高频和低频相对透过率的高精度测量。采用傅里叶级数的分析方法,建立全视场起偏度的测量模型,消除参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现光学系统偏振特性的准确测量。采用可调偏振度光源和大口径积分球辐射源,开展了偏振定标精度的比对验证实验和精度分析。测试结果表明,全视场偏振定标精度优于0.5\%,自然光状态下的偏振定标精度优于0.05\%,验证了宽视场偏振遥感器偏振辐射响应定标模型的合理性,说明该系统级偏振定标方法可满足宽视场光学偏振遥感器的高精度偏振观测科学应用要求。     

星载多角度偏振成像仪检测方法

为实现星载多角度偏振成像仪在环境模拟测试、装星测试等场合的检测要求,设计了一种具有多角度、多光谱和偏振性能的测试光源。依据多角度偏振成像仪的工作原理及测试需求,开展了检校光源的设计, 完成的光源方案由29个多波段LED平行光管米字型排布构成。通过光学建模,分析了平行光管口径、发散角及安装视场,并在辐亮度计算基础上,完成了LED选型及驱动设计,以及匀光扩散片、衰减片、偏振片及退偏器等组件设计,实现了满足仪器多波段不同动态范围要求的均匀光斑照明及标准偏振度源输出。最终检测结果表明,光源满足多视场点、多光谱、偏振特性测试要求,稳定性优于99.2%,偏振度优于1%,重复安装精度优于1个像元；满足载荷辐射5%、偏振2%、几何1像元的性能检测需求,以及通道切换功能监视等要求。     

超连续谱激光-单色仪在偏振遥感器定标中的影响因素分析

偏振遥感器的相对光谱响应度和带内光谱响应非一致性是遥感器实验室定标的基本参数。文中利用新型的超连续谱激光作为单色仪的前置照明光源,搭建了一套基于超连续谱激光-单色仪的细分光谱扫描定标装置,可用于偏振遥感器的相对光谱响应度定标。实验中以490 、670、910 nm三个偏振通道作为例,分别在单色仪直接输出光和单色光导入积分球两种状态下,得到通道式偏振遥感器的相对光谱响应度结果,并对两种状态下定标光源的偏振特性进行了测量。实验结果表明,单色仪直接输出光模式下,光源存在明显的偏振度和偏振方位角变化,三个偏振通道的带内光谱响应非一致性分别为0.91%、4.25%和1.06%;而在单色光导入积分球后,光源的偏振度明显降低,此时带内光谱响应非一致性结果分别为0.15%、0.47%和0.57%,说明消偏后的光源能有效适用偏振遥感器的光谱响应度定标,基于超连续谱激光-单色仪的系统级定标装置在偏振遥感器的定标中具有广泛应用前景。     

多角度偏振成像仪相对光谱响应定标方法

相对光谱响应是检测和评估多角度偏振成像仪性能的基本参数之一。采用基于激光泵浦氙灯光源的单色仪、消偏器、参考探测器和45°分束镜, 搭建了一套多角度偏振成像仪相对光谱响应测量装置。采用分束镜同步测量的方法,降低光源的非稳定性影响;针对测试过程繁琐和测试时间长的问题, 在基于现有不同开发平台开发的单色仪和数据采集系统的基础上,采用ActiveX控件与动态链接库技术,研制了一套相对光谱响应自动测试系统,降低时间 非稳定性影响,提高测量精度和效率。采用多角度偏振成像仪490 nm和865 nm偏振通道作为应用案例,开展了相对光谱响应的整机测试实验。实验结果 表明多角度偏振成像仪中心波长测量极差值与带宽均值的比值精度在0.11%以内,满足响应非一致性优于0.6%的定标要求。     

偏振光谱仪偏振探测精度分析

用于野外地物偏振光谱测量的偏振光谱仪,其偏振探测精度直接影响到地物偏振光谱信息获取的准确性,进而影响到目标偏振特性的解译水平。设计了适用于光栅光谱仪的偏振测量组件,将两种型号的光栅光谱仪改装成偏振光谱仪。基于可调偏振度光源验证偏振光谱仪的偏振光谱测量精度,首先分析了偏振光谱仪的偏振敏感性,然后给出了偏振光谱仪对可调偏振度光源输出不同偏振度谱的实验测量结果。实验结果表明:在460~920 nm波长范围之间,偏振光谱仪具有一定的偏振敏感性,加装退偏器之后,偏振光谱仪对输出光的测量偏振度与可调偏振度光源输入的标准偏振度具有很好的一致性,实测值与理论值的绝对误差均在2%以内,从而验证了两种型号的偏振光谱仪偏振测量组件设计的可行性,能够满足实验测量的要求。     

通道式偏振遥感器偏振解析方向测量误差分析及验证

通道式遥感器的偏振测量核心部件通常是相似的,即不同偏振解析方向的检偏器组合进行探测。同一系统中不同偏振解析方向之间的相对角度误差成为影响偏振遥感探测精度的重要因素之一。文中对该相对角度误差的影响以及提高测量精度的方法进行了研究。首先,分析了相对角度误差对偏振测量精度的影响;其次,对测量过程中存在的误差源进行了仿真分析及实验对比分析,根据该设计具体的实验参数和实验方法,验证仿真结果的正确性;最后,通过通道式遥感器偏振实测结果验证其测量的可靠性。系统偏振度测量值与可调偏振度光源输出的偏振度参考值比对,最大平均偏差为0.735 3%;与CE318测量比对的最大平均偏差为0.036。实验结果满足实际使用的偏振测量精度要求,说明偏振解析方向测量方法选择合理,可以为偏振遥感器的装调和高精度定标提供参考。     

多角度偏振成像仪高精度辐射定标方法

开展高精度辐射定标方法研究,对于多角度偏振成像仪实现大气气溶胶粒子分布和微观物理特性探测反演的科学应用至关重要。采用傅里叶级数的分析方法,建立了全视场起偏度的测量模型,消除了参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现了光学系统偏振特性的准确测量。结合多角度偏振成像仪的辐射与偏振定标模型,开展了光学系统偏振特性的校正方法研究,实现偏振特性引起辐射定标不确定度由8%下降至2.2%以内。利用高精度二维转动平台和大口径积分球辐射源,采用分视场测量方法, 校正像元响应非一致性,实现相对辐射校正精度优于0.5%。采用基于标准灯漫反射板的辐亮度量值传递链路,经过各影响因素的分析评测,所有波段辐射定标精度均优于5%。     

基于Stokes向量大气紫外光谱辐射的偏振修正研究

通过在紫外(UV)大气成分探测仪中设置偏振测量通道,并采用基于Stokes向量方法对空间大气紫外光谱辐亮度探测输入值进行了偏振度修正。采用解析函数法建立了修正误差较大波段处的偏振度数学模型,将240~380nm工作波段范围的偏振度修正误差最大值由6.6%减小至1.6%。最大限度降低了由于大气散射偏振对探测大气入射光强的影响,提高了紫外大气测量精度,为航天遥感仪器大气紫外测量提供了理论和实验基础。     

通道式偏振遥感器偏振定标方法研究

通道式偏振遥感器可获取目标光谱辐亮度、偏振度和偏振方位角等多维度信息,是目前最常用的偏振遥感探测的主要仪器类型之一。介绍了通道式偏振遥感器偏振定标的原理,根据矩阵光学理论和辐射度学理论,构建新的Stokes矩阵,从光谱维建立完善的偏振定标模型,分析了需要定标反演的参数,并给出了相应的定标方法,可为类似的通道式偏振遥感器的偏振定标工作提供参考。     

偏振三维成像仪的相对偏振方向定标方法

在介绍偏振三维成像机理、四孔径偏振三维成像仪组成的基础上,开展四孔径相对偏振方向对偏振三维成像精度影响分析,确定四孔径相对偏振方向精度要求。制定了四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标方法和四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向定标方法,搭建了定标装置,在实验室内开展了相对偏振方向定标。四孔径镜头偏振片相对偏振方向定标误差为±0.5o,四孔径偏振三维成像仪相对偏振方向误差为±1o,从而可保证偏振三维反演的法向量误差为-5.47%~5.80%,为偏振三维成像仪高质量成像提供保障。     

耦合型微纳光纤偏振滤光器研究

微纳光纤偏振滤光器是光纤通信和传感系统的微型基本元件之一。利用超模耦合理论研究表明,当选择合适的耦合区长度和微纳光纤直径时,两平行紧贴微纳光纤构成的耦合器件可实现起偏效应,即将非偏振的输入光变为偏振光输出;理论设计分析给出了产生这种效应的几何参量值。实验研究了两根微纳光纤平行耦合时输出光偏振度(DOP)与耦合长度的关系,验证了起偏效应并制作了基于消逝场耦合的微纳光纤偏振滤光器。实验表明当微纳光纤偏振滤光器输入非偏振光时,在1545～1560nm波段耦合输出端光的偏振度达到了90%以上,实现了光束起偏;在此波段内某些波长的输出光消光比(LPER)可达到24dB以上,而其他波长处为椭圆偏振光或者圆偏振光,实现了分色起偏。此器件与检偏器组合可制成带通(阻)波长滤波器。     

仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

针对研制仿生导航微传感器的需要,设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理,构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位角度输出实验,获得了导航传感器三个偏振方向分析器标准化输出曲线。测试结果表明这种新型传感器的设计是合理有效的。     

单片机控制的光学电流互感器偏振调制效应

带有永磁薄膜的石榴石是光学电流互感器的敏感元件。文中介绍了带有永磁薄膜的石榴石和未带膜的石榴石分别在单片机的控制下旋转,旋转的过程中同时观察和记录DOP的值,而DOP(偏振度)是光束中偏振部分的光强度和整个光强度之比。实验得出:无镀膜的石榴石对入射激光的偏振性没有影响,但带有薄膜的石榴石不仅可调制入射光的偏振特性,且调制的DOP值域范围相对于光通过无序介质等方法更大,研究结果为石榴石型光电式电流互感器的测量精度及结构改进提供了理论基础。     

船舰远程尾流散射光偏振特性的蒙特卡洛模拟

为了研究船舰尾流气泡幕散射光的偏振特性,利用偏振光传输的蒙特卡洛模型模拟了不同偏振态入射光经过船舰尾流时散射光偏振度的二维空间分布模式,分析了偏振度的径向分布与气泡半径、气泡散射系数和气泡幕厚度的关系。研究表明,尾流气泡幕散射光的偏振度的二维分布具有空间方位选择性,不同状态入射光的分布模式差异明显;随着气泡半径的增大,尾流气泡幕前向散射光偏振度二维分布的图像的空间方位选择特性减小;随着散射系数的增大,尾流气泡幕前向散射光的偏振度数值减小;随着气泡幕厚度的增加,尾流气泡幕前向散射光的偏振度数值减小。     

紫外偏振成像系统定标实验方法研究

紫外偏振成像技术在痕迹检测、宇航探测等方面有着独特的优势, 然而目前已开展的研究主要针对紫外偏振 成像技术和系统本身, 而针对紫外偏振成像系统定标方法的研究还相对缺乏。为了解决紫外偏振成像系统的定标问 题, 利用自研的紫外偏振分时成像系统研究设计了一种系统定标实验方法。通过分析紫外偏振成像系统的设计原理, 开展定标实验, 实现了紫外偏振成像系统的辐射定标和偏振定标。测试结果表明, 定标后系统均匀性误差降至 1% 以 下, 偏振度测量误差小于 2%, 满足系统定标精度要求, 验证了该定标实验方法的有效性, 对紫外偏振成像系统定标具 有指导意义。     

一种新型偏振辐射计

偏振探测技术应用于大气散射辐射偏振特性测量,由于大气散射偏振态的时空变化特性,要求测量仪器具有实时获取偏振数据的能力。针对这一需求研制了一种新型偏振辐射计,提出了利用偏振透光轴三方向光路平行探测的方案,能够实时获取目标的偏振特性参数。着重分析系统软硬件结构设计,介绍了一种以USB采集卡为核心的信号采集系统,并利用积分球光源对系统进行相对辐射定标,分析了定标数据。实验结果表明,该套系统能够满足大气偏振探测的要求。     

一种新型偏振辐射计

偏振探测技术应用于大气散射辐射偏振特性测量,由于大气散射偏振态的时空变化特性,要求测量仪器具有实时获取偏振数据的能力。针对这一需求研制了一种新型偏振辐射计,提出了利用偏振透光轴三方向光路平行探测的方案,能够实时获取目标的偏振特性参数。着重分析系统软硬件结构设计,介绍了一种以USB采集卡为核心的信号采集系统,并利用积分球光源对系统进行相对辐射定标,分析了定标数据。实验结果表明,该套系统能够满足大气偏振探测的要求。