通道型偏振光谱遥感仪器强度调制模块误差分析与修正研究

发布时间：2020-10-25 04:04

　　 随着人们在自然环境变化、太空资源探索、军事目标发现等领域的应用需求显著增加,对遥感仪器的探测能力提出了越来越高的要求,新型的偏振光谱遥感技术——偏振光谱强度调制技术(Polarimetric Spectral Intensity Modulation,PSIM)得到了研究人员的广泛关注。相较于传统的光谱信息获取技术,PSIM技术获得的偏振信息能提供更加丰富的目标信息,在云与大气气溶胶探测、天文观测、地球环境监测、地质资源勘探等领域具有广阔的应用前景。PSIM技术是偏振光谱测量领域的先进技术,最早由日本学者Oka和美国学者Iannarilli等人于20世纪90年代末提出,其可在紫外(UV)至长波红外(LWIR)波段范围内,对遥感目标的全部偏振光谱信息实现快照式同时获取,在偏振光谱遥感领域具有广阔的应用前景。由于实际应用需求对目标偏振信息的测量精度要求较高(如在大气遥感探测领域,要求线偏振度测量精度达到0.5%),偏振光谱强度模块作为PSIM技术的核心部件,其偏振参数误差将直接影响通道型偏振光谱遥感仪器的测量精度与稳定性,限制PSIM技术的工程化应用和相应遥感数据的定量化应用。然而,目前关于如何分析与修正偏振光谱强度调制模块关键参数误差的影响,缺乏系统性的研究,相关工作有待进一步开展。针对偏振光谱强度调制模块的误差分析与修正问题,本论文完成的主要研究工作如下:在深入研究偏振光谱强度调制技术理论后,通过分析PSIM技术的完整测量过程,总结出影响偏振光谱强度调制模块测量精度与稳定性的两大因素:偏振光谱强度调制模块中多级波片的方位角误差和相位延迟量误差,并利用数值仿真验证了理论分析结果的准确性。为了保证偏振光谱强度调制模块的测量精度与稳定性,针对偏振光谱强度调制模块的加工装调和航天应用全过程,分析总结多级波片偏振误差的来源和特性,提出了如下偏振误差修正方案:(1)在偏振光谱强度调制模块的实验室装调阶段,多级波片的偏振误差主要是由相应元件的装调误差和加工公差等导致的静态系统误差,为修正该类误差的影响,提出多级波片偏振误差实验室标定与修正技术。在考虑多级波片偏振误差影响的情况下,建立了改进的偏振光谱强度调制模型,并基于此模型提出了改进的多级波片偏振误差标定技术,该技术充分利用传统参考光标定方法得到的复数结果,运用之前一直被忽略的幅值信息准确标定方位角误差,同时方位角误差标定结果可用于相位延迟量标定结果的校正,该技术具有更高的标定效率,更加适用于多级波片偏振误差的实验室标定。此外基于改进的偏振光谱强度调制模型和多级波片偏振误差标定结果,提出一种多级波片偏振误差修正技术,实现对多级波片方位角误差和相位延迟量误差的算法补偿。运用该修正技术后,在偏振光谱强度调制模块的装调过程中,无需对多级波片进行精密调整,可在保证偏振光谱强度调制模块测量精度的同时,有效降低其装调难度,节约仪器研制成本。(2)在通道型偏振光谱遥感仪器长期在轨运行过程中,多级波片的方位角误差和相位延迟量误差主要是由机械结构振动、元件应力释放等综合因素导致的缓慢变化的系统误差,为修正该类误差的影响,提出多级波片偏振误差在轨周期性标定技术。考虑到在轨运行仪器提供的标定条件精度有限,在分析实验室标定技术在轨应用局限性的基础上,通过推导不同偏振相角的参考光标定结果解析表达式,提出一种简便、易行的多级波片偏振误差在轨周期标定技术。在参考实验室标定技术得到的多级波片偏振误差结果的基础上,该技术只需要借助其他任意的辐射源(如反射的太阳光),利用一片辅助偏振片相对旋转45°后产生的两束线偏振光,即可完成多级波片方位角误差和相位延迟量的标定。该技术具有简便、易行的突出优势,适用于通道型偏振光谱遥感仪器在轨运行过程中的周期性校正,可有效保障遥感仪器满足长时间的高精度、高稳定性的测量技术指标要求。(3)在通道型偏振光谱遥感仪器在轨测量过程中,多级波片相位延迟量参数易受环境温度变化影响,产生相对较小的相位延迟量随机误差,为降低环境温度波动对偏振光谱强度调制模块测量精度与稳定性的影响,提出多级波片实时相位延迟量自适应校准技术。通过分析多级波片偏振误差对偏振光谱强度调制模型的作用形式,运用实部、虚部分离的思想,充分利用实验室标定结果(在轨标定结果亦适用),提出一种多级波片相位延迟量在轨自适应校准技术。该技术仅利用待测目标光即可完成多级波片实时相位延迟量自适应校准,有效降低环境温度波动对偏振光谱强度调制模块测量精度与稳定性的影响。运用该技术进行相位延迟量自适应校准的过程,可免疫多级波片方位角误差的影响,在保证偏振光谱强度调制技术优势的同时,实现通道型偏振光谱遥感仪器的动态标定和自适应校正,有效保证该类型仪器的测量精度与稳定性,对偏振光谱遥感数据的精确获取具有重要意义。本文提出的偏振光谱强度调制模块关键参数(方位角和相位延迟量)误差影响模型、多级波片的偏振误差标定及修正技术对完善PSIM技术的理论基础和建立通道型偏振光谱遥感仪器的误差分析及补偿体系具有重要意义,有助于推动同类型仪器的工程化应用及其偏振光谱遥感数据的定量化应用。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

长的应用需求，目前已有学者开展了初步的探索研究工作，在目标探测、植被指数反演等应用中尝试将光谱信息与偏振信息相结合，利用多维信息进行联合反演，有效提高目标的探测精度、显著提高目标的识别准确度[28-38]。桂林航天工业学院联合北京大学、中国科学院遥感与数字地球研究所等国内外多家单位，开展了偏振光谱信息在水面目标、积雪和植被指数探测中的应用研究。针对传统的光学遥感中，水的强烈镜面反射和角度选择性使探测器饱和或反射率过低而难以提取有效信息；雪的强反射性和表面敏感性使传感器难以对目标进行直接探测；植被指数监测方法在不同反射强度下，其精度和有效性难以保证等难题，提出利用地物遥感偏振信息实现高信息-背景反差比滤波，通过将水面反射的太阳耀光从探测器获得的强度信息中有效剥离，大大提高水面目标、积雪和植被指数的遥感探测识别能力，解决一般光学遥感中水体、积雪的不可测量问题，突破植被强光反射条件下无法精细监测的瓶颈。

阳耀光从探测器获得的强度信息中有效剥离，大大提高水面目标数的遥感探测识别能力，解决一般光学遥感中水体、积雪的不可植被强光反射条件下无法精细监测的瓶颈。目标的强度图像与偏振度图像效果对比，左：不同波长的反射强度图像不同波长的偏振度图像Comparison of images of the target on the water. Left: Intensity images inwavelength; Right: Degree of polarization images in vatious wavelength

图 1.4 实验过程中的样本图Figure 1.4 Images of samples used in experiments.A B图 1.5 不同植被样本在 670nm 的反射分布对比omparison of distribution of reflection indensity at 670nm of different vsamples.
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本文编号：2855434