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。     

多角度偏振探测仪的相对辐射校正方法研究

相对辐射校正是实现多角度偏振探测仪全视场高精度辐射定标的关键技术之一。提出了一种高精度自动化的相对辐射校正方法,采用15×15个分视场扫描测量的方式,通过高精度大型二维转台和大口径积分球参考光源实现全视场的辐射响应测量;模拟在轨工作模式,规范了数据采集流程,编写数据采集软件实现了辐射响应图像数据获取;设计数据图像拼接算法和相关的数据处理方法,完成了相对辐射校正的数据处理和精度分析。数据比对分析和精度分析结果表明相对辐射校正精度在0.5%~0.8%之内。     

多角度偏振成像仪杂散光仿真分析

杂散光仿真分析是保证多角度偏振成像仪获取高精度偏振辐射数据的关键手段之一。根据仪器光学系统的自身特点,分析了杂散光的主要来源。针对采用点源透过率法难以适用于大视场光学系统杂散光分析的问题,介绍了基于黑斑法原理进行杂散光仿真分析的方法。借助杂散光分析软件LightTools,建立仪器的三维几何模型及光学属性,采用选定视场点反向光线追迹的方法仿真分析得到光机系统的视场外和视场内杂散光系数。分析结果表明,杂散光主要来源于成像视场范围内,且中心视场受到的杂散光影响最大,杂散光系数为3.27%,达到了设计指标要求。此外,采用近轴光线和实际光线正向追迹,模拟得到局部杂光和全局杂光的能量分布,为后期的图像杂散光校正研究提供了理论依据与指导。     

GF-5卫星多角度偏振成像仪在轨偏振定标

2018年5月,我国成功发射了高分5号卫星,其上搭载了多角度偏振成像仪。卫星载荷受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响,各种辐射特性发生变化,从而导致整个载荷辐射性能与在轨前的实验室定标结果之间存在一定偏差。基于海洋耀光对高分5号卫星多角度偏振成像仪的偏振测量定标的方法,并利用在轨测试期间数据,对载荷进行了初步的偏振辐射定标测试。测试结果表明, 3个偏振波段(490, 670, 865 nm)线偏振度测量值与理论值有很好的一致性,平均偏差分别约为$-$0.03、 $-$0.04、$-$0.01,载荷发射前后偏振测量状态未发生明显改变。基于自然目标的在轨替代定标方法,还可用于多角度偏振成像仪偏振辐射性能随时间变化情况的长期监测。     

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。     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。     

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。     

近红外偏振探测器的定标及非均匀性校正

首先介绍了偏振探测器的结构,建立了探测器的信号响应模型,并基于该响应模型制定了相应的参数定标方案,实现了对入射辐射偏振态的高精度计算和对偏振图像的非均匀性校正。实验数据表明,校正后计算得到的线偏振度是真实值的97.8%~101.5%,满足了偏振探测的精度要求;强度图像和线偏振度图像相对于未校正图像的非均匀性分别降低了93.64%和93.67%,有效提高了图像质量。     

航空偏振相机的光学偏振特性实验研究

利用大孔径积分球辐射光源系统对航空偏振相机的偏振特性进行了实验研究,以各偏振工作波段中0°放置的偏振通道为基准,选取航空偏振相机中心视场64×64像素点计算并校正了各偏振通道中偏振片／滤光片的强度透过率差异;并进一步测量了航空偏振相机光学系统自身的起偏度,通过最小二乘法多项式拟合,给出了各偏振工作波段的偏振度随视场角的...     

星载偏振扫描仪的星上偏振定标方法

为保障偏振扫描仪长期在轨的偏振测量精度,研究了偏振扫描仪的星上偏振定标原理与方法。首先,针对分孔径和分振幅的技术特点,结合实际的误差来源,理论推导了系统探测矩阵;其次,根据仪器参数,利用已知偏振态的线偏振光和非偏振光,推导了星上偏振定标方程;然后,设计了用于星上偏振定标的线偏振定标器和非偏振定标器;最后,提出了利用已知偏振度的太阳漫射板辐射定标数据来校正偏振扫描仪的低偏振度测量精度和稳定性。所提出的星上偏振定标方法具有高精度、高频次、高效率等特点,可满足长期在轨偏振测量精度为0.005的应用需求。     

高精度星上定标漫射板双向反射分布函数绝对测量系统研究

星上定标漫射板双向反射分布函数（BRDF）的测量不确定度直接影响着星上绝对辐射定标的精度。现有的BRDF测量装置难以在功能和测量精度等方面满足星上定标漫射板BRDF测量的要求,在这样的背景下,建立了BRDF绝对测量系统。该测量系统以高亮度、高均匀性积分球辐射源为照明光源、高精度串联式六轴机器人和中空分度盘为BRDF转角主体、宽光谱大动态范围辐射计为光电信号探测单元,通过几何、电子等相关物理量的高精度溯源及标校,实现了星上定标漫射板BRDF小于1%的测量不确定度。     

基于双Wollaston棱镜的偏振测量系统的精度分析

为了研究航天偏振辐射计的偏振测量精度,从偏振参量的反演过程出发,结合偏振辐射定标的方法,得出Wollaston棱镜安装角度误差和因加工工艺等造成的光束非正交的角度误差对偏振测量有一定的影响。结果表明,在角度误差一定的前提下,偏振度测量误差随入射光偏振态的变化而变化;当Wollaston棱镜角度误差都控制在0.1°内,偏振度测量精度满足航天偏振辐射计的指标要求。     

基于空间光调制器的光谱可调光源定标

基于空间光调制器的光谱可调光源是一种新型的定标光源,旨在实现定标光源与观测场景光谱匹配的定标新模式,进一步提高光谱定标和辐射定标精度。针对空间光调制器非光敏的特点以及这种新型光源特殊的工作模式,采用“激光光源+光谱仪”进行了光谱预定标和光谱精细定标,采用“标准灯-参考板+光谱仪”进行了辐射定标,实现了对该光源系统470~945 nm范围的光谱及辐射定标。不确定度分析结果表明,波长定标的不确定度优于0.2 nm,辐射定标的不确定度优于3.1%（k=1）。     

红外标准辐亮度计的研制及定标

黑体参考光源辐亮度精度是决定红外遥感器绝对辐射定标精度的关键因素。为了提高黑体辐亮度测量精度,设计了一种直接测量黑体辐亮度的红外标准辐亮度计。描述了整个系统的光机设计方案和工作原理,利用高精度水浴黑体对辐亮度计进行定标。实验结果表明:辐亮度计的1 h非稳定性优于0.03%;测量黑体辐亮度不确定度达0.22%,相当于308 K时辐亮度温度不确定度73 mK。该标准辐亮度计具有系统级测量、高精度溯源等优点,可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的溯源。     

基于加权最小二乘法的红外辐射定标

随着红外物理与红外技术的深入发展,目标的辐射特性测量受到了广泛的重视,红外探测器的辐射定标直接决定了辐射特性测量精度,为此文中建立了辐射定标系统,对3～5μm的红外焦平面阵列相机进行了绝对辐射定标实验。文中给出了辐射定标的数学模型,制定了定标的流程并进行了相应的辐射定标实验;针对红外标准源和环境波动性的影响,提出了加权最小二乘法的辐射定标优化方法;通过外场辐射特性测量实验表明,该方法的反演误差优于4%,提高了辐射定标的精度,结果满足实际工程的需要。     

偏振相机的光学定标方案研究

偏振相机内部的多个光学表面会改变入射光束的偏振状态,并且改变的程度与入射光束的偏振态、视场角和方位角等因素有关。通过研究偏振光束与光学成像器件的相互作用,推导了考虑光学系统偏振效应的通用辐射模型,并基于辐射模型简要描述了目标偏振信息的反演方法及模型参数分离定标研究,给出了偏振相机的光学定标方案,确立了偏振相机输出与入射光束Stokes参量（I,Q,U）的定量关系,消除仪器自身的偏振效应,准确反演目标的偏振信息,为偏振遥感图像的定量化应用研究奠定基础。     

基于激光光源的太阳辐射计视场角测量方法

视场角（FOV）是太阳辐射计的基础参数,也是太阳辐射计传递定标方法和室内积分球光源对比定标方法的关键参数,获取高精度的FOV是提高此类定标方法精度的重要手段。基于矩阵扫描测量方法,针对CE318型太阳辐射计,研制了激光光源测量FOV系统,并将测量结果与传递定标法进行了对比验证。结果表明：基于激光光源的矩阵扫描测量效果最好,不确定度为0.4%~1.1%;而基于太阳光源矩阵扫描测量受太阳运动的影响,因此有一定的发散角,导致测量结果比激光光源测量结果小约1.3%~1.4%。此外,在太阳辐射计历史定标系数较多时,激光光源测量结果与传递定标法计算的FOV结果一致性较好,说明传递定标法在历史数据多时也可以得到较精确的FOV结果。