1 引言

气溶胶通过吸收和反射太阳辐射对全球气候和环境产生的影响受到越来越多的关注^[1-2]。近年来,基于气溶胶高精度偏振探测载荷的发展现状及气溶胶反演的应用需求,国内外学者在气溶胶辐射特性参数的测量和仪器开发等方面开展了诸多研究工作^[3-4]。比较典型的有法国的POLDER-3^[5-6]、3MI^[7],美国的APS^[8-9]、HARP^[10]和MAIA^[11]等。国内具有代表性的偏振探测仪器有中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的多角度偏振成像(DPC)^[12] 和中国科学院上海技术物理研究所研制的多角度偏振探测仪(MAI)^[13]。以上仪器的共同特点是可以对大气进行偏振探测,从而获取目标的偏振数据。

偏振是电磁波的重要属性,可表征光波振动方向相对于传播方向的不对称性。利用偏振探测技术不仅可以获取目标的辐射度信息,还可以得到目标的偏振特性,将偏振信息和辐射度信息联合应用比单独利用一种辐射强度信息进行大气参数反演的精度要高很多,因此,偏振探测技术在大气参数探测领域具有比传统强度探测技术更重要的应用前景,已成为大气气溶胶研究不可或缺的有效手段^[14-15]。

偏振扫描仪(POSP)是由中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的一种高精度偏振探测仪,将其搭载于卫星进行对地观测,可获取地表和大气多角度、多光谱和偏振辐射数据信息。本文通过对POSP开展地面实验和航空校飞实验,分别获取天空和地表的辐亮度和偏振度数据,在实验过程中同时配置了1台三分束同时偏振相机进行天空和地表辐亮度和偏振度数据的获取,并对2台偏振仪器的实验数据进行比对分析,初步验证POSP偏振探测实验数据的有效性。

2 POSP偏振探测原理

POSP的光学测量原理如图1所示,整个系统由正交反射镜组、前置望远棱镜、渥拉斯顿棱镜、分色聚焦组件以及红外探测器等组件组成。通过旋转正交反射镜组引入目标信号,实现多角度观测,目标信号依次经前置望远镜系统准直、渥拉斯顿棱镜偏振分束以及分色聚焦透镜分光后,聚焦在双元探测器上。该系统的探测谱段覆盖了380~2250 nm,共有9个光谱通道,根据所用探测器的类型将9个光谱通道分为2组:第一组为380,410,443,490,670,865 nm的可见/近红外(VNIR)波段;第二组为1380,1610,2250 nm的短波红外波段(SWIR)。其中380,410,443,490,670,865 nm的VNIR选用Si探测器,1380 nm及1610 nm的SWIR选用G12181型InGaAs探测器,2250 nm的SWIR选用G12183型InGaAs探测器。所有探测器在装机前均进行可靠性实验,并以可靠性实验前后探测器的相对光谱响应率变化作为探测器性能优选的依据,所用探测器的相对光谱响应率在可靠性实验前后变化均在2%以内,可以满足航天载荷应用需求。

图 1. POSP的光学测量原理图

Fig. 1. Optical measurement schematic of POSP

下载图片 查看所有图片

POSP的偏振测量原理是用于测量斯托克斯矢量的Pickering方法,其中渥拉斯顿棱镜作为系统的偏振解析器,一组用来解析0°和90°偏振分量,另一组相对于第一组方位互成45°安装,用来解析45°和135°偏振分量。目标信号被解析成振动方向分别为0°、45°、90°和135°的4个线偏振光,并被分色聚焦透镜聚焦在2个双元探测器上,这样每个偏振波段分别采用4个相对偏振方向(0°、45°、90°和135°)对同一目标进行扫描,从而得到4个偏振方向对应的DN值(S₀、S₄₅、S₉₀和S₁₃₅),通过定标测量矩阵,即可解析出目标的偏振辐射测量信息(I,Q,U)。POSP偏振测量矩阵^[16]可表示为

Q/IU/I=-1cos(2ε1-2ε2)cos2ε2-sin2ε1sin2ε2cos2ε1×S0-K1S90S0+K1S90·α1-(cos2ε1·qinst+sin2ε1·uinst)S45-K2S135S45+K2S135·α2-(cos2ε2·uinst-sin2ε2·qinst),(1)

式中:I、Q和U为POSP测得的目标偏振分量信息;α₁,α₂为实验室标定的仪器消光系数;ε₁,ε₂为2块渥拉斯顿棱镜的绝对方位角偏差;K₁为0°和90°偏振方向测量通道扣除本底后的信号之比; K₂为45°和135°偏振方向测量通道扣除本底后的信号之比;q_inst,u_inst为仪器自身残余偏振定标系数,可以通过仪器自身定标器数据解算;S₀,S₄₅,S₉₀及S₁₃₅为POSP同一波段4个偏振探测通道经过扣除本底后的响应DN值。则目标信号的辐亮度和偏振度分别为

L=Ak·I+Bk,(2)P=Q2+U2I,(3)

式中:A^k,B^k为k波段的绝对辐射定标系数,通过实验室辐射定标获取;L为目标信号的辐亮度值;P为目标信号的偏振度值。

3 偏振探测实验

参与偏振探测实验的POSP为工程样机改造产品,其瞬时视场为0.6°,扫描视场为-38°~38°,电机扫描一圈的时间为862 ms,采样间隔为1.43 ms,波段设置与星载产品保持一致。三分束同时偏振相机为FluxData公司的FD-1665P,视场为10°×7.6°,其曝光时间和增益可调。该偏振相机主要由镜头、分光棱镜、线偏振片和CCD组成,目标信号通过镜头进入分光棱镜,经分光棱镜分成3束振幅相同的光,然后经过0°、45°和90°方向的线偏振片检偏后被3个CCD探测器接收,达到同时偏振成像的目的。波段设置为565,670,763,865,910 nm,并通过滤光片转轮实现波段切换。其中670 nm和865 nm为POSP和三分束同时偏振相机共有的光谱波段,可以作为偏振探测实验数据对比的依据。偏振相机3个通道采用的是APIR29-020型号的偏振片,该偏振片的光谱消光比如图2所示。从图2可以看出,偏振片消光比在865 nm波段明显起伏上扬,这导致偏振相机在该波段无法准确解析偏振信息,所以在与POSP实验数据比对过程中,仅对2台偏振仪器在670 nm波段的实验数据进行比对分析。

图 2. 偏振片光谱消光比

Fig. 2. Spectral extinction ratio of polarizer

下载图片 查看所有图片

3.1 地面实验

POSP偏振探测地面实验通过对天空进行扫描,获取天空辐亮度和偏振度,并与同时获取天空辐亮度和偏振度的三分束同时偏振相机数据进行比对。基本实验条件如下:

a)实验时间为2018年11月28日,14:00—16:00;b) 天气状态为晴朗无云;c) 环境温度为20 ℃,湿度为42%。

POSP采用在轨正常工作模式获取天空偏振辐射数据。在正常采集过程中,通过不断调整POSP安装基板的方位,使POSP在太阳主平面内扫描并获取数据,三分束同时偏振相机和POSP安装在同一基板上,实验现场如图3所示。

图 3. POSP地面实验现场图

Fig. 3. Diagram of on-ground test site of POSP

下载图片 查看所有图片

地面实验结束后,选取POSP和三分束同时偏振相机同时采集的天空偏振辐射数据进行处理。POSP数据需要经过本底扣除校正、不同偏振方向通道间增益校正、仪器消光系数校正等过程,POSP各校正系数均在仪器偏振辐射定标过程中得到^[17],进而根据POSP偏振测量矩阵得到I、Q、U及P。同样,也需对三分束同时偏振相机采集的数据进行本底扣除校正、3个偏振通道非一致性校正和系统穆勒矩阵校正等过程,三分束同时偏振相机各校正系数均在实验室偏振辐射定标过程中得到,利用三分束同时偏振相机获取的天空偏振辐射数据,可求得I、Q、U满足

IQU=[M0M1M2]-1·I0I45I90,(4)

式中:[M₀M₁M₂]为系统穆勒矩阵;I₀、I₄₅和I₉₀为不同偏振通道扣除本底及通道非一致性校正后的响应值。

根据以上分析,可以计算出POSP和三分束同时偏振相机获取的天空辐亮度和偏振度,结果分别如图4和图5所示,其中图5为三分束同时偏振相机在670 nm波段的数据结果。

从图4中可以看出,POSP在670 nm和865 nm通道获取的天空偏振度和辐亮度的趋势具有较好的一致性;从图4和图5可以看出,2台偏振仪器在670 nm通道获取的天空偏振度和辐亮度的趋势具有较好的一致性,且天空辐亮度和偏振度缓慢变化,表明大气状态相对均匀稳定。通过对2台偏振仪器获取的天空偏振度和辐亮度趋势进行对比,可以初步定性验证POSP地面实验数据的有效性。

图 4. POSP地面实验数据处理结果。(a)天空辐亮度;(b)偏振度

Fig. 4. Data processing results of on-ground test of POSP. (a) Radiation luminance; (b) degree of polarization

下载图片 查看所有图片

图 5. 三分束同时偏振相机地面实验数据处理结果。(a)天空偏振度; (b)天空辐亮度

Fig. 5. Data processing results of on-ground test of three-beam simultaneous polarization camera. (a) Degree of polarization of the sky; (b) radiation luminance of the sky

下载图片 查看所有图片

3.2 航空校飞实验

航空校飞实验通过把POSP和三分束同时偏振相机搭载在同一飞机上进行对地观测,实验地点设在山海关地区,飞行区域在北纬38.92°~41.12°、东经119°~121°之间,航空校飞路线上串联了内陆、沿海及海洋等不同典型地表。航空校飞实验分别于2019年3月4日、3月9日、3月11日、3月18日和3月19日共获取了5个架次近20 h的飞行数据,每个架次重复实验航线飞行2次,天气状况覆盖多云、晴天和轻度雾霾,航高根据不同天气状况分别设置为3,4,5 km。

航空校飞平台主要包括POSP、三分束同时偏振相机、定姿定位POS系统以及其他辅助设备。其中,POSP采用在轨正常工作模式进行地表偏振辐射数据获取;三分束同时偏振相机通过滤光片转轮切换,可实现不同光谱波段的分时探测;定姿定位POS系统用来获取POSP和三分束同时偏振相机的高精度姿态角度、定位坐标及航高航速等信息,用于后续辅助数据处理;其他辅助设备主要用于实验数据的获取和存储等。

航空校飞实验结束后,首先通过平台姿态数据匹配,选取飞行平台稳定飞行时的数据,然后通过POSP和三分束同时偏振相机地面实验数据处理方法,分别计算了2台偏振仪器获取的地表辐亮度和偏振度,选取在2019年3月11日POSP和三分束同时偏振相机获取的海陆交界地表数据进行计算,结果如图6和图7所示,其中图7为三分束同时偏振相机在670 nm波段的数据结果。

从图6中可以看出,POSP在670 nm和865 nm通道获取的地表偏振度和辐亮度的趋势具有较好的一致性,但在观测角为-15°~-5°的范围内,POSP在670 nm波段偏振度波动较大,且与865 nm波段存在较大的偏差,其原因是POSP的670 nm波段受到航飞过程中飞机的电磁干扰。在后续数据应用过程中,需要对POSP的670 nm波段数据进行去噪处理,以提高探测数据的质量。从图6和图7中可以看出,2台偏振仪器在670 nm通道获取的地表偏振度和辐亮度趋势具有较好的一致性,且海洋具有较低的反射率和较高的偏振度的特性,而陆地具有较高的反射率和较低的偏振度的特性。通过对2台偏振仪器获取的地表偏振度和辐亮度趋势进行对比,可以初步定性验证POSP航空校飞实验数据的有效性。

图 6. POSP航空校飞实验数据处理结果。(a)天空辐亮度;(b)偏振度

Fig. 6. Data processing results of in-flight test of POSP. (a) Radiation luminance; (b) degree of polarization

下载图片 查看所有图片

图 7. 三分束同时偏振相机航空校飞实验数据处理结果。(a)地表偏振度;(b)地表辐亮度

Fig. 7. Data processing results of in-flight test of three-beam simultaneous polarization camera. (a) Degree of polarization of the earth's surface; (b) radiation luminance of the earth's surface

下载图片 查看所有图片

4 实验结果分析

POSP通过旋转电机实现目标采样,以获取目标偏振辐射信息。三分束同时偏振相机通过画幅式成像获取目标偏振辐射信息。POSP的电机扫描视场为-38°~38°,三分束同时偏振相机在POSP的扫描方向上的视场为-5°~5°。当2台偏振仪器对同一目标进行偏振辐射信息获取时,三分束同时偏振相机在POSP的扫描方向上的视场近似可以覆盖19个POSP采样点,此时可以认为三分束同时偏振相机在POSP的扫描视场方向上的区域与19个POSP采样点具有近似相同的观测几何。因此可以通过对2台偏振仪器相同观测几何的区域数据进行比对分析,来定量判定POSP偏振探测数据的有效性。数据对比结果用2台偏振仪器获取的相同观测几何区域数据的辐亮度偏差ΔL和偏振度偏差ΔP表示,即

ΔL=L-POSP-L-PCL-PC,(5)ΔP=P-POSP-P-PC,(6)

式中: L-POSP、 P-POSP分别为与三分束同时偏振相机具有相同观测几何的19个POSP采样点的辐亮度和偏振度测量结果的平均值; L-PC、 P-PC分别为三分束同时偏振相机在POSP扫描视场方向的辐亮度和偏振度测量结果的平均值。

以三分束同时偏振相机数据为参考,在对POSP数据进行比对分析过程中,偏振相机的测量误差是值得考虑的因素,在此以偏振相机偏振度测量结果的不确定度来表征偏振相机的测量误差。在实验室中,通过偏振相机对相同偏振态的光进行多次测量,以测量结果的标准偏差来衡量偏振相机偏振度的测量不确定度,最后得出偏振相机偏振度的测量不确定度为0.001。

通过以上分析,选择2台偏振仪器对同一目标获取的偏振辐射测量数据,分别计算2台偏振仪器具有的相同观测几何区域的偏振度和辐亮度,并根据(5)、(6)式计算出2台偏振仪器获取的相同观测几何区域数据的辐亮度偏差ΔL和偏振度偏差ΔP。2台偏振仪器实验数据的对比结果如表1所示。

从表1可以看出,相对于三分束同时偏振相机的天空和地表偏振辐射测量结果,POSP在地面实验和航空校飞实验获取的670 nm通道的平均偏振度偏差均在0.02以内。考虑三分束偏振相机偏振度的测量不确定度为0.001,POSP在地面实验和航空校飞实验获取的670 nm通道的平均偏振度偏差均在0.02以内;在地面实验中获取的670 nm和865 nm通道的平均辐亮度偏差在0.03以内,而在航空校飞实验中获取的670 nm和865 nm通道的平均辐亮度偏差在0.05以内。航空校飞实验中POSP与三分束同时偏振相机获取的辐亮度偏差比地面实验的辐亮度偏差大0.02左右,这可能是2台偏振仪器像元配准误差导致观测几何不一致及飞机飞行过程中的不稳定导致偏航等因素引起的。

通过对以上偏振探测实验数据进行分析,可以看出2台偏振仪器对天空和地表扫描过程获取的目标偏振度和辐亮度具有较好的一致性,说明POSP和三分束同时偏振相机在外场自然目标下偏振测量模型的正确性和偏振定标模型的准确性,初步验证了POSP偏振探测实验获取数据的有效性。

5 结论

通过对POSP的地面实验和航空校飞实验数据进行处理分析,分别解析出了天空和地表定量化的辐亮度和偏振度数值,并在偏振探测实验中配置了1台三分束同时偏振相机,以获取天空和地表偏振辐射的数据。通过对POSP和三分束同时偏振相机获取的辐亮度和偏振度数据进行比对分析得出,相对于三分束同时偏振相机获取的目标偏振度和辐亮度数据,POSP获取的与三分束同时偏振相机具有相同观测几何的天空和地表偏振度偏差在0.02以内,辐亮度偏差在0.05以内。结果表明,2台偏振仪器获得的辐亮度和偏振度数据具有较好的一致性,初步验证了POSP偏振探测实验数据的有效性。此外,实验获取的偏振辐射数据可为后期大气气溶胶参数的反演提供有效的支持,有助于POSP数据反演算法的开发与优化。