为了将偏振光谱强度调制(Polarization spectral intensity modulation, PSIM)技术应用于室外目标 的偏振遥感测量,在PSIM偏振光谱仪实验室搭台实验基础上,开展了PSIM实验样机一体化集成设计。 首先,将由格兰泰勒棱镜和两块高阶石英晶体延迟器构成的调制器按照原理要求集成安装成一个组件, 再将该组件安装到光栅光谱仪的光学头部,完成PSIM偏振光谱仪系统的硬件一体化设计。利用交互式数据 语言(Interactive data language, IDL)程序设计语言编写程序,将文件读写、数据处理及结果显示等功能 集成在统一的用户界面中,实现了PSIM偏振光谱仪系统数据处理算法软件的一体化设计。最后,通过测量 解析水平和垂直线偏振光的全Stokes矢量元素谱定性验证了实验样机的测量能力；利用偏振定标系统完成 了集成实验样机的偏振定标。实验数据处理结果表明：实验样机能够实现待测光全Stokes矢量元素谱的同步获取; 偏振定标盒输出光的全谱段偏振度值,实验样机的测量结果与理论输出结果间的最大误差约为0.003。实现了集成实验样机的设计目标。

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量（例如地表反射率、地表辐亮度等）对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性，场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式，测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明，敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关，490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内，前向散射区偏振度大于后向散射区，并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性，均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。

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。

大气气溶胶是引起全球气候变化和空气质量问题的重要因素之一, 利用卫星遥感监测全球大气气溶胶具有重要意义。利用大气气溶胶的多角度偏振光谱信息联合反演, 可有效去除地表反射的影响, 获得精确的遥感结果, 因此亟需研究具备多角度偏振光谱信息获取能力的一体化光学仪器。所设计的多角度偏振成像光谱仪光学系统, 前置望远物镜采用多镜头视场拼接方式, 实现地面目标沿轨方向±60°内多角度探测, 分光系统共用一个Offner分光装架。像质评价结果显示, 在探测器奈奎斯特频率处中心波段的MTF达到0.8, 点列图均位于艾里斑范围内, 各项指标均满足设计要求。光学系统整体结构紧凑、无运动部件, 可实现目标多角度偏振光谱图像的信息获取。

研究了基于四分之一波片-复合双折射光楔-偏振片空间调制结构的定标方法, 并给出了相应的光谱、辐射定标方程。基于结构的偏振调制原理, 提出了线性最小二乘偏振定标方法。仿真分析表明, 该定标方法对于调制结构偏振调制系数的定标精度要比传统的四点法更高, 最小二乘定标法得到的调制系数与真实调制系数间的偏差波动在整个调制周期内约为2×10-4, 且呈随机分布。

基于四分之一波片-复合双折射光楔-偏振片的空间偏振调制结构, 提出了四光束校正方法, 对四分之一波片延迟量误差进行校正, 从而达到提高线偏振测量精度的目的; 利用计算机仿真手段, 研究了待测目标圆偏振参量变化时, 线偏振参量测量结果的变化情况以及相应的测量精度水平。仿真结果表明: 当待测目标的线偏振度、圆偏振度分别在0.1~0.2、0~0.2随机波动时, 延迟校正后的斯托克斯参量Qi、Ui以及线偏振度的测量精度优于10-3, Ui以及线偏振度的测量精度比延迟校正前提高了约14倍。

偏振光谱强度调制(PSIM)是一种先进的偏振光谱测量技术,测量数据处理是PSIM偏振光谱仪 解析待测光偏振光谱信息的关键环节。从PSIM技术的调制、解调机理出发,结合相关数字信号处 理理论,给出了从PSIM偏振光谱仪系统的测量数据中,解析待测光4个Stokes矢量元素谱的数学原理, 建立了PSIM偏振光谱仪的测量数据处理流程。搭建了PSIM偏振光谱仪实验装置,分别对平行光管直接输 出光信号及平行光管加透光轴水平方向偏振片后输出的光信号进行了测量实验。利用建立的PSIM偏振光 谱仪测量数据处理流程,对实验装置的测量数据进行了偏振光谱信息解析处理,处理结果与理论分析结 果间良好的一致性验证了PSIM偏振光谱仪系统数据处理方法的正确性。

提出了一种适用于新型偏振光谱仪调制器实验室装调的简易方法。介绍了该方法的理论依据, 基于该方法完成了调制器的实验室装调实验。为了验证该方法的有效性, 用装调完成的调制器搭建了新型偏振光谱仪实验装置, 通过测量得到了由调制器形成的载波信号, 并用该载波信号对实验装置的测量数据进行了解调处理。结果表明: 在有效测量波段内(525~700nm), 以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度＜10%;经过线偏振器起偏后, 输出光的偏振度值接近100%。与理论分析的结果一致, 验证了该方法的可行性。

提出了一种基于双光弹调制差频调制和傅里叶 -贝塞尔 (Fourier-Bessel)变换的光谱偏振测量方法, 该方法将双光弹调制器 (Dual-photoelastic-modulator, Dual-PEM)分别工作在数值略有差异的频率上, 以对光进行差频调制, 并产生载有被测偏振信息的低频 (几十~几千赫兹)调制分量, 普通阵列探测器就可以实现低频分量的探测。通过对调制信号中的低频成分进行傅里叶 -贝塞尔变换, 可得到被测光对应的 Stokes矢量中 Q(σ)和 U(σ)的光谱。该方法降低了偏振光谱测量系统的复杂度。本文介绍了其原理并推导出了偏振光谱反演公式, 并通过仿真和实验验证其可行性。