上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
应力检测对光学元件的制造和使用意义重大。基于应力双折射原理，提出了一种利用偏振相机测量应力分布的方法。根据Stokes矩阵和Mueller矩阵推导出应力值及应力方向计算公式，并对影响系统测量精度的主要误差进行了理论分析。为验证方法的可行性，搭建了一台测量应力分布的装置。使用该装置测量一块633 nm的四分之一波片，测得其误差为0.86 nm。进一步测量，得出一块车灯透镜的全场应力相位延迟量与应力方向图，利用所测相位延迟量计算出透镜中心区域的应力双折射值为9.21 nm/mm、主应力差为2.45 MPa；利用符号规则调整了透镜的应力方向，结果符合应力连续性原则。该方法测量应力分布时无需旋动光学元件，可实现应力延迟量及应力方向的实时测量。
应力测量 应力双折射 偏振相机 Stokes矩阵 stress measurement stress birefringence polarized camera Stokes matrix
1 中国科学院遥感与数字地球研究所, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 Finnish Meteorological Institute, Helsinki 00101, Finland
3 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息, 尤其在气溶胶遥感监测领域, 具有很大优势, 所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。 作为定量化程度很高的光学载荷, 在轨定标一直受到很大的重视。 因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点, 使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。 多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂, 需要进行辐射定标的相机参数有多个。 辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数, 使用的自然景物类型多, 导致多种定标方法组合、 并行发展。 2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗, 也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星, 在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天, 有必要梳理替代定标的研究进展情况。 文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数, 梳理了相机的辐射传递模型。 划分了绝对辐射强度、 相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。 针对特定的待定标系数, 介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。 形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。 并汇总了定标结果检验的一般方法。 新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标, 将继承原有研究基础, 使用特殊自然景物开展定标。 在后续的同类遥感相机在轨定标工作中, 也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、 借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。 我国、 欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划, 面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机, 结合作者研究基础, 对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。 偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测, 对我国当前关注的大气环境问题非常重要。 卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。 系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。
偏振相机 多角度遥感 在轨定标 替代定标 Polarized camera Multi-angle remote sensing In-flight calibration Vicarious calibration
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 通用光学定标与表征技术重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230026
为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾，以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例，结合多角度偏振成像仪在轨成像特点，理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型，以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型，该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明，该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声，提高图像质量，而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后，分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响，分析结果表明，拖尾校正前后，灰度方差由202.69×106下降至2.32×106，平均梯度由5.08×10-1下降至2.26×10-1.
偏振相机 太阳耀斑 漏光拖尾 遗留拖尾 饱和 测量精度 Polarization camera Sun glint Light leakage smear Legacy smear Saturation Measurement accuracy
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
帧转移面阵CCD相机对高亮目标成像时产生的帧转移模糊效应是影响偏振测量精度的关键因素,开展帧转移模糊效应的测量和校正方法研究对提高星载偏振相机高精度定量化应用水平具有重要意义。以GF-5卫星多角度偏振成像仪(DPC)为例,介绍了帧转移模糊效应的产生机理及特点,提出了将帧转移模糊效应分为与光照条件无关的响应差异型帧转移模糊效应和与光照条件有关的拖影型帧转移模糊效应。结合DPC在轨成像时帧转移模糊效应的特点,分别提出了基于矩阵与暗行法的拖影型帧转移模糊效应校正模型和基于暗电流通道的响应差异型帧转移模糊效应校正模型。最后利用积分球验证了响应差异型和拖影型两种类型帧转移模糊效应的最优校正顺序及校正方法的可行性,同时采用太阳光对DPC在轨运行时的帧转移模糊效应校正精度进行验证。实验结果表明,所提方法将DPC帧转移模糊效应对高反射云及太阳耀斑等高亮目标的偏振测量精度的影响由7.28%降至0.43%,满足DPC偏振测量精度优于2%的定标要求。
遥感与传感器 偏振相机 帧转移 模糊效应 校正精度 光学学报
2019, 39(12): 1228005
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130000
金属纳米线栅是像素刻划偏振相机的核心器件,线栅上刻划了与光电探测器像元一一对应的微偏振片阵列,该阵列具有较大的非均匀性,对成像质量有较大影响。基于此,根据纳米线栅的结构与偏振传输理论,建立纳米线栅像素级矢量传输矩阵的测量数学模型,并结合矩阵最小二乘法,推导出多次测量以拟合最优传输矩阵的方法,为偏振相机像素级非均匀性矫正提供了核心的矫正参数。然后,兼顾纳米线栅刻划方式,提出了高空间分辨率的矫正算法。通过矫正后,偏振相机非均匀性由原来的2.00%降低至0.26%。外景成像实验中,目标偏振度图像的信息熵由5.34提升至15.15。结果表明,所提算法可以有效矫正纳米线栅的非均匀性,提升了偏振图像质量。
成像系统 偏振相机 偏振成像 偏振非均匀性 矢量传输测距测量 纳米线栅 光学学报
2017, 37(11): 1111002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130039
2 中国科学院大学，北京 100049
针对像素级偏振相机中偏振片单元由于刻划精度和透过率的差异导致偏振片阵列的非均匀性，提出了一种带有角度约束的最小二乘超像素校正方法。建立了带有角度约束的校正优化算法的数学模型，加入了超像素的标量增益和暗补偿参数。最后，搭建了以微偏振片为核心的积分球标定系统，进行了仿真实验和成像实验。结果表明：与最小二乘法相比，本文算法在有效地校正偏振度和非均匀性的同时也校正了超像素内振幅的非均匀性，重建角度的准确度提高了10%。经过插值处理后，边缘表现更为明显，有效减少了插值过程中所产生的噪声，提升了成像质量。
像素级偏振相机 偏振成像 超像素 角度约束 非均匀性校正 凸优化 pixelated polarization camera polarization imaging super-pixel angle constraint non-uniformity calibration convex optimization 光学 精密工程
2017, 25(12): 3179
滨州学院光电信息工程研究中心, 山东 滨州 256600
大视场偏振 CCD相机内部的多个光学表面会改变入射光的偏振状态, 并且改变的程度与入射光的偏振态、视场角和方位角等有关, 影响了仪器偏振测量精度, 从而制约了偏振成像遥感数据的定量化应用水平。为解决这一问题, 从考虑偏振效应的大视场偏振相机响应输出模型出发, 研究模型参数的标定方法, 通过设计试验获取了模型参数标定数据。将经过标定的大视场偏振 CCD相机测试值和可调偏振度光源预设偏振度值进行对比, 结果显示偏振相机在 0°、15°、25°视场角下的偏振度测量平均误差不大于 1.18%, 远小于光学镜头自身的起偏度。消除偏振遥感仪器自身的偏振敏感性影响, 为将来我国自主星载偏振遥感图像的定量化应用奠定基础。
偏振遥感 偏振相机 偏振定标 polarization remote sensing polarization camera polarimetric calibration
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学物理学院, 安徽 合肥 230022
采用基于逐次散射法的矢量辐射传输模型，通过求解矢量辐射传输方程，分析了影响海面上空气溶胶光学参数反演的主要因素。根据海洋大气气溶胶模型，通过构建多参数的反射率和偏振反射率查找表，给出了用于海上气溶胶光学参数反演的查找表迭代查找法。利用自主研制的多角度航空偏振相机在渤海湾上空航拍的偏振辐射数据，反演获得了该海域550 nm波段的气溶胶光学厚度和ngstrm波长指数，其均值分别为0.441和1.15。通过与布置在京津塘周边的多个地基CE318太阳辐射计同步观测数据进行的对比校验发现，两者间具有很好的一致性，说明反演方法针对海天背景的实际问题的考虑和处理过程切实可行。
大气光学 气溶胶光学厚度 多角度偏振相机 偏振反射率 Angstrom指数
