国产卫星多角度偏振传感器的光谱特征云检测方法研究

在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特 性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷(高分五号DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算 法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在 陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观 压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型 区域的检测结果与MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号02 星上的多角度偏振传感器云检测提 供方法基础。     

利用多角度偏振信息计算海水密度研究初探

提出一种利用多角度偏振信息计算海水密度的方法,从多角度遥感与偏振光遥感的角度,找出海水的偏振特性与海水密度之间的函数关系,利用海水偏振特性与海水折射率特性对海水密度进行计算,扩展现有遥感应用的领域,同时为海洋基本参数反演开拓新思路.     

水云多角度偏振辐射特性研究

由球形水滴组成并分布在大气底层的水云,对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响,其影响程度取决于水云本身的微物理特性和光学特性.在对近红外通道0.865μm波长处水云光学特性研究的基础上,采用矢量辐射传输方程模拟分析了大气层顶归一化辐射强度和归一化偏振辐射强度对水云微物理特征、光学特征和地表反照率的敏感性.模拟结果表明,光谱的多角度偏振遥感信息能够更有效地体现出水云微物理特征和光学特征,可以利用多角度偏振遥感信息反演各种云参数.为利用多角度偏振遥感数据反演水云各种微物理量提供了理论基础.     

航空/航天偏振遥感陆地上空气溶胶研究进展

POLDER是第一个可以获取全球气溶胶偏振信息的遥感仪器.自POLDER以来,人类在气溶胶偏振遥感探测方面取得重大进展,发展了POLDER和Aerosol Polarimetry Sensor(APS)两个重要的气溶胶偏振探测系列的传感器,分别代表了欧洲与美国在偏振探测气溶胶方面的成就。并在这些传感器的基础上研究了气溶胶反演的方法,取得了众多成果。在研究POLDER系列和APS系列的发展进程基础上,分析和总结了气溶胶探测仪器与偏振反演算法的发展状况。另外,对中国偏振气溶胶探测的发展,特别是针对安徽光机所研制的多角度偏振成像仪(Directional Polarimetric Camera,DPC)和多角度偏振辐射计(Atmosphere Multi-angle Polarization Radiometer,AMPR)进行了介绍,指出中国气溶胶偏振探测发展的特点。     

卫星大气多角度偏振遥感系统方案研究

偏振遥感作为一项新技术将在大气探测中发挥作用。通过偏振测量,不仅得到了辐射度测量值,而且能够得到大气偏振态参数。基于多角度偏振信息,能够提高大气特性参数反演精度,并为精确大气校正服务。讨论了偏振遥感探测方式及其研究进展情况,从大气偏振信息特点考虑,提出了一种卫星大气偏振信息获取方式,简要给出了卫星大气遥感的多角度偏振遥感系统总体方案,旨在积极推进多角度偏振遥感技术在卫星大气遥感中的应用．     

卫星大气多角度偏振遥感系统方案研究

偏振遥感作为一项新技术将在大气探测中发挥作用。通过偏振测量,不仅得到了辐射度测量值,而且能够得到大气偏振态参数。基于多角度偏振信息,能够提高大气特性参数反演精度,并为精确大气校正服务。讨论了偏振遥感探测方式及其研究进展情况,从大气偏振信息特点考虑,提出了一种卫星大气偏振信息获取方式,简要给出了卫星大气遥感的多角度偏振遥感系统总体方案,旨在积极推进多角度偏振遥感技术在卫星大气遥感中的应用。     

三因素及其交互作用对植物叶片多角度偏振高光谱特征的影响

在反射、散射和透射电磁辐射的过程中,植物叶片表面将产生与它们自身性质有关的偏振特征,完全可以作为遥感信息中有价值的信息来源.多角度对地观测能获得更为详细可靠的地面目标三维空间结构参数,使定量遥感成为可能.对植物叶片的多角度偏振高光谱探测成为定量遥感中的一种新手段.在分析植被叶片的多角度偏振高光谱特征基础之上,设计了一个3因素2水平的正交试验.通过对实验数据的方差分析发现,偏振角、入射天顶角、叶绿素以及三个因素之间的交互作用都可以对植物叶片的偏振反射产生影响,偏振角和入射天顶角对植物叶片的影响特别显著,二者的交互作用也有显著的影响.因此在今后的研究中,既要考虑单因素本身对植被叶片的偏振反射的影响,还要考虑到交互作用所起到的影响.     

多角度偏振辐射计的光机设计

介绍了多角度偏振辐射计的光机系统组成及其工作原理。根据仪器的工作原理,进行了光学系统的设计,从保证偏振测量精度和满足光学设计要求出发,重点解决了集束系统光轴平行性、视场对准的一致性问题,给出了多角度偏振辐射计的光机设计结果。     

多角度偏振探测技术

介绍了偏振遥感技术的用途以及国内外发展情况。详细论述了国内第一台空间多角度偏振探测仪器——天宫二号多角度偏振探测仪的技术方案、偏振定标试验、航空飞行试验和在轨飞行试验,并给出了评价结论。     

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。     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

航空多角度偏振观测京津唐地区大气气溶胶

航空大气多角度偏振辐射计（AMPR）可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区（工业发达、人口集中）的气溶胶进行观测,经过数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。     

太阳耀光的偏振分析

在水质遥感中,消除水表的太阳耀光是从遥感数据中获取水体信息的关键步骤.通过计算在不同风速和不同太阳天顶角的条件下太阳耀光的偏振度和反射率,分析了利用平行偏振片消除太阳耀光的效果.计算结果表明,当传感器以较小的天顶角对水面进行观测时,偏振片对太阳耀光的过滤作用有限.但是当太阳天顶角较大,传感器在太阳的镜面反射方向附近对水面进行观测时,平行偏振片可以显著地消除水表的太阳耀光.尤其当风速较大时,太阳耀光散布范围大,难以完全回避,此时平行偏振片可以有效地削弱耀光,凸现离水辐射信号,有望提高水体信息提取的精度.     

基于粒子偏振特性的雾霾区分算法研究

雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125$^\circ\sim150^\circ$范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth's reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。     

Interband calibration over clouds for POLDER space sensor

The Polarization and Directionality of the Earth's Reflectance (POLDER) spatial polarimeter was onboard the Advanced Earth Observation Satellite (ADEOS) satellite that flew from August 1996 to June 30, 1997. POLDER measured both multidirectional reflectance and polarization in visible and near-infrared spectral bands with a very wide field of view. An accurate absolute radiometric calibration is essential for the scientific exploitation of radiance measurements of the Earth. POLDER inflight radiometric calibration has been performed at the Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), French National Space Studies Center, from measurements taken only on well-characterized targets. This paper presents the results of the POLDER in-flight radiometric interband calibration over clouds for channels 443 and 490 nm. The method is based on the comparison of measurements to simulations. Selected measurements correspond to observations over oceans for high, thick convective cumulonimbus and for low, thick stratocumulus. Simulations are calculated using the discrete ordinate computing method. An error budget considers the sensitivity of this calibration method to cloud microphysics, to cloud top altitude, and to aerosols and gaseous loading. Calibration results are discussed for different simulated cloud models     

大气气溶胶航空多角度偏振观测实验及数据分析

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据;使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。     

A comparison of cloud droplet radii measured from space

Cloud droplet effective radius (CDR) can be estimated from the spectral signature of cloud reflectance. The technique has been applied to measurements of the Advanced Very High Resolution Radiometer instrument and more recently to the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Another technique relies on the directional signature of the polarized reflectance and has been applied to observations from Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances (POLDER) onboard Advanced Earth Observation Satellite (ADEOS). Although the latter technique requires very specific conditions, we argue that, when applicable, it is very accurate. A large fraction of successful POLDER estimates are derived from measurements over stratocumulus cloud fields. During portions of 2003, POLDER and MODIS acquired near coincident observations. The data can then be used for an evaluation of the two CDR products. The two datasets are highly correlated over the oceans albeit with a MODIS high bias of about 2 /spl mu/m. The correlation breaks down when POLDER retrieves small droplets (less than 7 /spl mu/m), which occurs over most land surfaces as well as polluted oceanic areas. We discuss the possible causes for biases and errors. Although differences in the two CDR estimates are expected because of the differences in the spatial scale and vertical weighting function, we did not find a fully satisfactory explanation for the bias and lack of correlation over land surfaces. It seems, however, that the spatial variability as seen by MODIS is larger than that deduced from POLDER measurements, in particular over land surfaces.     

海洋B星水色仪辐射基准异常分析及修复算法研究

水色遥感产品的三要素为:叶绿素、悬浮物质和黄色物质.水色水温扫描仪(简称水色仪)作为海洋一号卫星的主载荷之一,设置了8个可见近红外探测通道,主要目的是获取全球的海色三要素分布产品,为全球海洋初级生产力分布研究提供数据.2007年发射的HY-1B星水色仪,作为零辐射基准的冷空位置在入轨初期即存在光污染,导致近红外探测通道...     

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。