地球反射偏振測(cè)量儀POLDER

1、地球反射偏振測(cè)量儀POLDER姓名：朱苗苗 學(xué)號(hào)：SA13217009 專業(yè)：光學(xué)一、偏振遙感及POLDER背景介紹1.1 偏振遙感航空遙感又稱機(jī)載遙感，是指利用各種飛機(jī)、飛艇、氣球等作為傳感器運(yùn)載工具在空中進(jìn)行的遙感技術(shù)，是由航空攝影偵察發(fā)展而來的一種多功能綜合性探測(cè)技術(shù)。具有技術(shù)成熟，地面分辨率高，機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是探測(cè)和研究地球資源和環(huán)境的一種不可取代的手段。偏振遙感是研究反演大氣氣溶膠及云特性獨(dú)特而有效的手段。地球表面和大氣中的任何目標(biāo)，在反射，散射，透射以及發(fā)射電磁輻射的過程中，會(huì)產(chǎn)生由它們自身性質(zhì)和光學(xué)基本定律決定的特征偏振，不同的物體或同一物體的不同狀態(tài)產(chǎn)生不同的偏振狀態(tài)，且與波

2、長有密切關(guān)系，即偏振特征中蘊(yùn)含著目標(biāo)的多種信息，能為遙感提供新的信息。在可見與近紅外波段，大氣由于折射率的非均勻性產(chǎn)生散射，大氣散射輻射具有顯著的偏振特性，大氣偏振特性及變化載有大氣氣溶膠和云本身的光學(xué)，微物理特性信息，因此測(cè)量大氣散射輻射偏振特性參數(shù)，可以達(dá)到反演大氣特性的目的，為研究全球氣候變遷，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等有重要意義。同非偏振探測(cè)相比，偏振測(cè)量增加了目標(biāo)的偏振信息，如偏振度，偏振角及偏振橢率等，將信息維數(shù)擴(kuò)大，多角度偏振信息更能提供氣溶膠折射率，單次散射反照率，氣溶膠顆粒形狀和大小等研究大氣所必須的特征信息，此外由于偏振量是輻射分量經(jīng)過計(jì)算后的比值，因此保證測(cè)量時(shí)刻輻射量的相對(duì)精度，就

3、可以獲得較高的偏振解析精度。另外，偏振信息及變化具有角度敏感性，多角度信息將有助于目標(biāo)狀態(tài)特征的反演。偏振遙感的這些獨(dú)到之處，使其成為光學(xué)遙感技術(shù)的有效補(bǔ)充。1.2 POLDER背景介紹20 世紀(jì)80 年代以來，美國，法國等國家相繼開展了對(duì)地偏振觀測(cè)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，1984 年起，美國NASA 六次在Discovery 號(hào)航天飛機(jī)上使用偏振雙相機(jī)系統(tǒng)，通過在一對(duì)瞄準(zhǔn)且同步的相機(jī)前加一對(duì)透過軸互相垂直的偏振濾光片，通過調(diào)整濾光片組，使一個(gè)膠片光強(qiáng)最大另一個(gè)最小，測(cè)得斯托克斯矢量的S0 和S1，且精度只有20%左右。20 世紀(jì)80 年代后期，法國開始研制地球反射偏振測(cè)量儀POLDER（pola

4、rization and directionality of the earths reflectance），POLDER是目前仍在使用的星載偏振計(jì)，其主要任務(wù)是以不同視角測(cè)量地球大氣對(duì)太陽輻射的光譜雙向反射比和偏振度，探測(cè)云和大氣氣溶膠以及陸地表面和海洋狀況。二、POLDER儀器結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 儀器結(jié)構(gòu)POLDER的光學(xué)原理如圖1.1 所示。儀器通過大視場(chǎng)鏡頭加面陣CCD 實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)。第一塊透鏡材料是石英，起保護(hù)和抗空間輻照作用；第二塊透鏡是非球面鏡，起校正畸變和光瞳像差作用；第三四塊透鏡構(gòu)成遠(yuǎn)焦系統(tǒng)；其余三個(gè)雙膠合透鏡校正前面透鏡的剩余像差以滿足像質(zhì)要求，最終焦平面上畸變低于12

5、um。偏振片和濾光片安裝在探測(cè)器與最后透鏡之間的旋轉(zhuǎn)輪上，實(shí)現(xiàn)偏振解析和光譜分離。輪上共有16 個(gè)通道，包含6 個(gè)非偏測(cè)量通道和3×3 個(gè)偏振測(cè)量通道（每個(gè)偏振波段有0°60°120°三個(gè)偏振檢測(cè)方向）以及一個(gè)暗電流測(cè)量通道，通過偏振片/濾光片輪的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分時(shí)測(cè)量。為解決分時(shí)測(cè)量衛(wèi)星平臺(tái)移動(dòng)帶來的視場(chǎng)變化，每個(gè)偏振波段的三個(gè)偏振方向裝有不同的光楔進(jìn)行象元配準(zhǔn)補(bǔ)償，以保證CCD 每個(gè)象元的觀測(cè)目標(biāo)相同。受探測(cè)器的限制，PLODER 沒有大于1um 的紅外通道。2.2 POLDER工作原理（1） POLDER工作模式POLDER 工作在797km 高空，有待

6、機(jī)和成像兩種工作模式，曝光時(shí)間分為長短兩個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)低動(dòng)態(tài)范圍和大動(dòng)態(tài)范圍目標(biāo)的觀測(cè)。（2）POLDER多角度實(shí)現(xiàn)方式POLDER是廣角相機(jī)重疊多角度觀測(cè)典型代表，通過112°大視場(chǎng)鏡頭加面陣CCD，對(duì)同一偏振波段，在解決了平臺(tái)飛行產(chǎn)生的象元對(duì)準(zhǔn)問題后，通過幾輪曝光，使地面同一目標(biāo)以不同角度入射成像在CCD 的不同象元上，不同視場(chǎng)和感光象元都是經(jīng)定標(biāo)校正有已知的探測(cè)矩陣。單個(gè)軌道期間最多能夠在16 個(gè)不同的視角下觀測(cè)同一目標(biāo)。把多次通過時(shí)序觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來，便可獲得雙向反射分布函數(shù)fBRDF 和雙向偏振分布函數(shù)fpBRDF 比較完整的取樣。（3）POLDER的偏振探測(cè)方式POLDE

7、R 的偏振檢測(cè)原理主要是根據(jù)測(cè)量斯托克斯矢量的Fessenkov 方法，因此POLDER 只能探測(cè)線偏振，不能探測(cè)圓偏振。在偏振探測(cè)方式上采用的是分時(shí)測(cè)量。同一象元的視場(chǎng)統(tǒng)一由在光路中插入光楔實(shí)現(xiàn)，其多角度由鏡頭的大視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。像POLDER 這樣通過大視場(chǎng)鏡頭獲取偏振多角度信息的方式，一般使用在單光學(xué)系統(tǒng)加面陣探測(cè)的系統(tǒng)上，這也決定了其偏振探測(cè)方式上基本為時(shí)序測(cè)量。PLODER 采用分時(shí)探測(cè)方式有利有弊。優(yōu)點(diǎn)是可以采用一套光學(xué)系統(tǒng)對(duì)斯托克斯矢量進(jìn)行探測(cè)，而且由于采用了面陣CCD探測(cè)，獲得多角度信息的同時(shí)還可以獲得目標(biāo)的幾何信息，CCD 象元之間也可以進(jìn)行自定標(biāo)，對(duì)星上定標(biāo)的依賴程度降低，所以不需要設(shè)計(jì)星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)。但同時(shí)帶來的缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是探測(cè)波段受到限制；二是對(duì)探測(cè)迅速多變的大氣目標(biāo)來說，曝光時(shí)間內(nèi)目標(biāo)偏振信息的變化會(huì)引入假偏振信息，限制了其偏振解析精度。2.3 POLDER儀器參數(shù)偏振分析器采用的是線偏振片，光譜信息分離由濾光片完成，儀器參數(shù)如表1.1。三、POLDER國內(nèi)相關(guān)研究中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所成功研制了多種機(jī)載多波段偏振CCD相機(jī)系統(tǒng)。其中一種為采用三路平行光學(xué)