地球反射偏振测量仪POLDER

地球反射偏振测量仪POLDER

姓名：朱苗苗 学号：SA13217009 专业：光学

一、偏振遥感及POLDER背景介绍 1.1 偏振遥感

航空遥感又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术，是由航空摄影侦察发展而来的一种多功能综合性探测技术。具有技术成熟，地面分辨率高，机动灵活等优点，是探测和研究地球资源和环境的一种不可取代的手段。 偏振遥感是研究反演大气气溶胶及云特性独特而有效的手段。地球表面和大气中的任何目标，在反射，散射，透射以及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的特征偏振，不同的物体或同一物体的不同状态产生不同的偏振状态，且与波长有密切关系，即偏振特征中蕴含着目标的多种信息，能为遥感提供新的信息。在可见与近红外波段，大气由于折射率的非均匀性产生散射，大气散射辐射具有显著的偏振特性，大气偏振特性及变化载有大气气溶胶和云本身的光学，微物理特性信息，因此测量大气散射辐射偏振特性参数，可以达到反演大气特性的目的，为研究全球气候变迁，大气环境监测等有重要意义。

同非偏振探测相比，偏振测量增加了目标的偏振信息，如偏振度，偏振角及偏振椭率等，将信息维数扩大，多角度偏振信息更能提供气溶胶折射率，单次散射反照率，气溶胶颗粒形状和大小等研究大气所必须的特征信息，此外由于偏振量是辐射分量经过计算后的比值，因此保证测量时刻辐射量的相对精度，就可以获得较高的偏振解析精度。另外，偏振信息及变化具有角度敏感性，多角度信息将有助于目标状态特征的反演。偏振遥感的这些独到之处，使其成为光学遥感技术的有效补充。

1.2 POLDER背景介绍

20 世纪80 年代以来，美国，法国等国家相继开展了对地偏振观测及应用基础研究工作，1984 年起，美国NASA 六次在Discovery 号航天飞机上使用偏振双相机系统，通过在一对瞄准且同步的相机前加一对透过轴互相垂直的偏振滤光片，通过调整滤光片组，使一个胶片光强最大另一个最小，测得斯托克斯矢量的S0 和S1，且精度只有20%左右。 20 世纪80 年代后期，法国开始研制地球反射偏振测量仪POLDER（polarization and directionality of the earth’s reflectance），POLDER是目前仍在使用的星载偏振计，其主要任务是以不同视角测量地球大气对太阳辐射的光谱双向反射比和偏振度，探测云和大气气溶胶以及陆地表面和海洋状况。

二、POLDER仪器结构及工作原理 2.1 仪器结构

POLDER的光学原理如图1.1 所示。

仪器通过大视场镜头加面阵CCD 实现多角度观测。第一块透镜材料是石英，起保护和抗空间辐照作用；第二块透镜是非球面镜，起校正畸变和光瞳像差作用；第三四块透镜构成远焦系统；其余三个双胶合透镜校正前面透镜的剩余像差以满足像质要求，最终焦平面上畸变低于12um。

偏振片和滤光片安装在探测器与最后透镜之间的旋转轮上，实现偏振解析和光谱分离。轮上共有16 个通道，包含6 个非偏测量通道和3×3 个偏振测量通道（每个偏振波段有0°60°120°三个偏振检测方向）以及一个暗电流测量通道，通过偏振片/滤光片轮的旋转实现分时测量。

为解决分时测量卫星平台移动带来的视场变化，每个偏振波段的三个偏振方向装有不同的光楔进行象元配准补偿，以保证CCD 每个象元的观测目标相同。受探测器的限制，PLODER 没有大于1um 的红外通道。

2.2 POLDER工作原理

（1） POLDER工作模式

POLDER 工作在797km 高空，有待机和成像两种工作模式，曝光时间分为长短两个值，分别对应低动态范围和大动态范围目标的观测。

（2）POLDER多角度实现方式

POLDER是广角相机重叠多角度观测典型代表，通过112°大视场镜头加面阵CCD，对同一偏振波段，在解决了平台飞行产生的象元对准问题后，通过几轮曝光，使地面同一目标以不同角度入射成像在CCD 的不同象元上，不同视场和感光象元都是经定标校正有已知的探测矩阵。单个轨道期间．最多能够在16 个不同的视角下观测同一目标。把多次通过时序观测结果结合起来，便可获得双向反射分布函数fBRDF 和双向偏振分布函数fpBRDF 比较完整的取样。

（3）POLDER的偏振探测方式

POLDER 的偏振检测原理主要是根据测量斯托克斯矢量的Fessenkov 方法，因此POLDER 只能探测线偏振，不能探测圆偏振。

在偏振探测方式上采用的是分时测量。同一象元的视场统一由在光路中插入光楔实现，其多角度由镜头的大视场实现。像POLDER 这样通过大视场镜头获取偏振多角度信息的方式，一般使用在单光学系统加面阵探测的系统上，这也决定了其偏振探测方式上基本为时序测量。 PLODER 采用分时探测方式有利有弊。优点是可以采用一套光学系统对斯托克斯矢量进行探测，而且由于采用了面阵CCD探测，获得多角度信息的同时还可以获得目标的几何信息，CCD 象元之间也可以进行自定标，对星上定标的依赖程度降低，所以不需要设计星上定标机构。但同时带来的缺点主要有两点，一是探测波段受到限制；二是对探测迅速多变的大气目标来说，曝光时间内目标偏振信息的变化会引入假偏振信息，限制了其偏振解析精度。

2.3 POLDER仪器参数

偏振分析器采用的是线偏振片，光谱信息分离由滤光片完成，仪器参数如表1.1。

三、POLDER国内相关研究

中科院安徽光学精密机械研究所成功研制了多种机载多波段偏振CCD相机系统。其中一种为采用三路平行光学系统的设计思路，满足同一目标同一波段偏振信息同时获取，总视场3 度。

还有一种为单路光学系统加偏振片滤光片轮和面阵CCD 的结构设计，总视场80 度。光路图如图1.7，原理上与POLDER相同，通过偏振片和滤光片轮的旋转调制实现多波段偏振探测。

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