| 光源发散角对DPC偏振定标的影响分析及验证 |  [PDF全文] |
收稿日期: 2017-03-06
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
近年来，偏振遥感作为遥感应用中一个新的研究领域备受关注，星载多角度偏振成像仪(DPC)是进行偏振遥感探测的重要仪器之一，其全视场角为±50°，可获取大气中的气溶胶及云的粒子谱分布和散射角信息(Cooper 等，1996；杨伟锋 等，2015；黄红莲 等，2014)。DPC采用的是分时测量，即采用运动部件或者调制的方式按照时序依次获取不同偏振方向3幅偏振图像，来解析被探测目标的偏振特性。在轨工作时，DPC转轮转动、卫星的运动、DPC探测器曝光时刻和曝光时间，这3者之间有一定的时间配合关系，为保证用同一像元进行测量，连续3检偏通道采用光楔进行运动补偿，实现3检偏通道对同一目标准同时偏振测量。
偏振光学遥感器的目标物理参数反演质量依赖于偏振定标的精度(顾行发 等，2011)。偏振定标需要较为复杂的定标系统，一般难以在飞行平台上实现，在轨定标如果没有星上定标器，根据相机参数的物理意义，需要选择合适的自然场景例如戈壁、沙漠，太阳耀光等场景做替代定标，其“标准光源”需要经过复杂的辐射传输计算才能得到，增加了偏振信息后，在轨偏振定标的计算过程更复杂(顾行发 等，2011)。进行在轨定标时实验条件有限，在轨定标不可控因素较多，如气溶胶物理化学特性的多变及其时空分布的多变增加了气溶胶研究的难度，测量精度不够高。而实验室定标的定标光源状态比较稳定，影响定标精度因素可控，能够完备和定量化的表述目标偏振态，定标精度较高，更有效地提高偏振光学遥感器的应用能力和偏振测量精度，对在轨定标具有较大的参考作用。
实验室偏振定标通常借助于可调偏振度参考光源(顾行发 等，2013)。法国POLDER (Deschamps 等，1992；Goloub 等，1994)仪器在发射前开展了关于偏振参数的实验室定标，通过一个可以调节偏振度和偏振方向的标准偏振光源装置来实现。中国科学院安徽光学精密机械研究所开展了多角度、多光谱偏振遥感相机的实验室定标工作(陈立刚，2008；Chen 等，2012)，研制了基于2片平板玻璃起偏的可调偏振度光源(VPOLS)，实现对机载偏振遥感相机的实验室定标。为满足星载偏振光学遥感器的实验室定标要求，研制了一种基于4片平板玻璃起偏的高精度大动态范围可调偏振度参考光源(VPOLS-II)(康晴 等，2015)，输出的是发散角<0.125°的准直光束。
DPC发射前同样开展了关于偏振参数的实验室定标，实验室模拟载荷在轨飞行定标，尽可能地接近实际情况地反映DPC在轨探测精度是否达到要求。实验室模拟星载遥感器在轨飞行的实际情况主要包括遥感器与探测目标的运动模拟方式和地面探测目标的模拟方式的选择。模拟运动的方式主要通过各类转台来实现，根据卫星的运动特点来选择模拟方式。对于星载遥感器主要通过模拟地面目标进行实验室性能测试。“地面景物模拟器”本质上是特殊设计的广角平行光管，主要适用于视场角小的仪器测试。根据DPC大视场角的特点，地面曲率对其成像有一定的影响，所以地面目标的模拟需要特定的光源。DPC前期实验室定标采用的定标光源是VPOLS-II，在进行全视场偏振定标时，出现VPOLS-II发散角与DPC视场不匹配现象，VPOLS-II平行光入射时能充满视场但不能充满孔径，不能满足DPC全视场范围内的定标。因此需要根据DPC的结构特点以及像元配准采用能适用于DPC实验室偏振定标的可调偏振度参考光源。
本文首先比较了DPC在轨探测与实验室偏振定标的状态差异；然后，分析了瞬时视场以及光楔补偿对偏振定标的影响；最后，根据偏振定标对定标光源发散角的要求，分别采用平行光和可调光谱积分球作为偏振定标光源，测量了不同视场角、不同入射角度情况下DPC的线偏振度观测值，验证偏振定标光源的发散角会对DPC的偏振定标精度产生显著影响。
2、DPC实验室定标对定标光源发散角的要求 (2.1) DPC在轨运行探测原理和实验室偏振测量原理DPC主要由CCD面阵探测器、装有偏振片和滤光片的转轮和宽视场镜头3部分组成。仪器工作时转轮旋转，探测器按照时序依次获取3个不同偏振方向的图像，即采用分时偏振探测的方法。为保证用同一像元进行测量，连续3检偏通道采用光楔进行运动补偿，实现3检偏通道对同一目标准同时偏振测量，进而实现图像间的配准。理想情况下，经图像配准后，3幅图像中相同位置像元探测的目标完全重合，像移为0。DPC在轨运行状态3检偏通道探测原理如图1(a)。实验室对偏振参数(偏振态、偏振角等)模拟应尽可能满足外场复杂环境要素，模拟DPC在轨工作状态(包括卫星的运动和姿态调整、DPC与地面探测目标的空间位置关系等)。目前，DPC进行实验室定标时，DPC和偏振定标光源均处于静止状态，与DPC在轨实际运行状态不一致，导致偏振定标光源在3个偏振方向上探测器的成像像素位置不完全一致，影响偏振定标结果。DPC每一个偏振通道的通光孔中分别先后将偏振片和滤光片安装在一个转轮上，称为偏振片/滤光片转轮，且每一个偏振波段对应的3个偏振片的主透射轴间隔为60°。DPC进行实验室偏振定标时，光源位置不变，通过旋转DPC的偏振片/滤光片转轮切换通道，对同一波段的3个偏振通道进行实验室偏振定标，DPC实验室状态3检偏通道偏振测量原理如图1(b)。
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| 图 1 DPC在轨运行和实验室偏振测量原理图 Figure 1 Detection principle diagram of DPC polarization measurement |
对一个理想光学成像系统来说，光线在面阵CCD上的成像可由图2(a)简单表示。成像位置到中心的距离可以表示为
| ${{y}} = f \cdot \tan \theta $ | (1) |
式中，f为光学系统的焦距，θ为入射光的视场角。
对式(1)微分，则有
| $\Delta \theta = \frac{{{{\cos }^2}\theta }}{f}\Delta y = \frac{{1 + \cos 2\theta }}{{2f}}\Delta y$ | (2) |
考虑到平行光管每次照亮DPC的像元数要适中，一般3×3个像元大小为最佳(邹勇平 等，2006)。DPC的CCD像元大小为22.5 μm×22.5 μm，光学系统焦距为4.833 mm，则单个像元对应的视场角曲线如图2(b)。
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| 图 2 DPC单个像元与视场角的关系 Figure 2 The relationship between a single pixel and the field of view of DPC |
由图2(a)可知，DPC成像位置到中心的距离与入射光的视场角θ和光学系统的焦距f相关，即与入射光的视场角θ的正切函数和焦距f均成正比关系。图2(b)中，在DPC 0°—50°视场角范围内，随着DPC视场角的增大，单个像元对应的定标光源视场角逐渐减小。DPC中心视场处单个像元对应的定标光源视场角最大，约为0.14°，DPC最边缘视场50°处单个像元对应的视场角最小，约为0.058°；视场角为19°处单个像元对应的视场角约为0.125°(VPOLS-II发散角为0.125°)。由此可知，在DPC视场角0°—±19°和±19°—±50°内单个像元对应入射光的视场角范围分别为0.14°—0.125°和0.125°—0.058°，因此若要满足DPC全视场范围内的定标要求，定标光源的发散角不应小于0.14°。
(2.3) DPC补偿光楔与定标光源发散角的关系为保证随着卫星飞行，DPC同一光谱波段的3检偏通道(P1、P2和P3)的同一像元探测同一目标，P1、P2和P3检偏通道通过光楔设计有–1、0和1的像元偏移，以及非偏通道设计有–1和0像元偏移，称为光楔补偿像元配准精度。本文以DPC490 nm偏振通道为例，分析DPC补偿光楔与偏振定标光源发散角之间的关系，490 nm偏振通道的偏振配准精度如表1。
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表 1 DPC490 nm光楔补偿像元配准精度 Table 1 DPC pixel registration accurate precision of optical wedge compensation in 490 nm |
图3为DPC的检偏通道偏移±1个像元时，视场角的变化情况，OM为DPC光学系统焦距，MN为偏振定标光源与DPC成像系统之间的测试距离，为2000 mm。当DPC的检偏通道像元处于中心位置(图3中O)时，像元视场角为θ0，对应的视场区域为L0(图3中AB)；通道有+1个像元偏移(图3中O+)时，像元视场角为θ0+，对应的视场区域为L0+(图3中BC)；通道有–1个像元偏移(图3中O–)时，像元视场角为θ0–，对应的视场区域为L0–(图3中AD)。
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| 图 3 DPC的检偏通道偏移±1个像元时，视场角的变化情况 Figure 3 The change situation of field of angle when DPC partial channels offset ±1 pixel |
由图3可知，当DPC的检偏通道像元偏移时，像元瞬时视场角不同，不同像元对应的观测区域也不同。经计算，像元瞬时视场角θ0、θ0+和θ0–均为0.4°，在2000 mm的测试距离下，像元对应的观测区域尺度L0、L0+和L0–均为9.311 mm，因此定标光源必须具有一定的视场角范围才能保证至少充满DPC的成像系统的瞬时视场，并且在该视场角范围内具有良好的面均匀性。
3、偏振测量精度验证实验偏振测量精度是指经过遥感器自身偏振效应的校正后，对一定偏振度范围内的目标观测不确定度，即其偏振度观测值相对于偏振度理论参考值的偏离程度，主要利用可调偏振度光源(康晴 等，2015)作为偏振定标光源进行精度验证。为了验证偏振定标光源的发散角会影响DPC的偏振定标精度，以490 nm通道为例，分别采用平行光和可调光谱积分球作为偏振定标光源，对DPC进行实验室状态下不同视场角、不同入射角度情况下的偏振度测量，将偏振度测量值与可调偏振度光源输出的偏振度理论值进行对比，进行偏振定标精度的验证。
(3.1) VPOLS-II不同视场内偏振度验证以准直光源入射DPC，模拟地面某一点(或小区域)目标，此处假设地面某一点(或小区域)发出且到达DPC入瞳的光为平行光；精确控制准直光源的入射角度，以2维转台角位移模拟地物目标相对于DPC的空间位置运动；运用图像处理软件，获得光源的像点在探测器面阵上的像元数值，验证实验室内静态下DPC对同一目标不同视场角的偏振度。以490 nm通道为例进行不同视场内偏振测量精度的验证，验证了沿轨方向25个视场点的偏振测量精度。实验采用可调偏振度光源(VPOLS-II)作为入射光源，VPOLS-II中采用平行光管输出准直光束，发散角为±0.125°。对于DPC，平行光管在中心视场可以照亮的像元数约3.5×3.5个，边缘视场照亮的像元数约10×10个。
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| 图 4 采用VPOLS-II对DPC不同视场内偏振度测试图 Figure 4 DOLP test diagram of DPC at different field of view by using VPOLS-II |
如图4所示，实验时调节VPOLS-II扩束准直光源，DPC开机，调整大型2维电控旋转台角度，根据扩束准直光源响应寻找其中心视场对应的像元位置；调节VPOLS-II的玻璃板角度为58.58°，沿光轴旋转偏振盒，使其发出60%偏振度的偏振光束。DPC测试角度范围为沿轨方向的–48°—+48°，其中在±0°—±40°范围内的测试间隔为5°，±42°—±48°范围内的测试间隔为2°，这是因为边缘视场的畸变较大，共25个视场测试点。DPC的25个视场点中心列的数值曲线如图5。
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| 图 5 490 nm 3个偏振方向中心列的数值 Figure 5 The center column values of three polarization direction in 490 nm |
由图5可知，VOPLS-II发散角为±0.125°，在完全对准条件下，可保证照明14.61°视场以外的像元。从检测情况来看，VOPLS仅能充满±30°和±48°范围内各像元的视场。图5中5°视场出现的超过6000以上的异常情况，应作为异常值而予以剔除。
DPC偏振测量精度处理过程中，视场区域选择10×8，各视场点各偏振通道测量均采集了3帧数据，在0.60偏振度条件下，490 nm偏振测量精度检测结果如图6。
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| 图 6 偏振度为0.6条件下DPC 490 nm偏振测量精度检测结果 Figure 6 Testing results of polarization measurement accuracy of DPC under the condition of 0.6 polarization degree in 490 nm |
由图6可知，校正前DPC的偏振度受光学系统的影响，使测量结果偏大，且边缘视场偏离较大(沿轨负方向–46°处线偏振度约为0.5694，沿轨正方向48°处线偏振度约为0.5477)；经过校正后的线偏振度测量值相对来说比较平缓，更接近参考偏振度值，视场角为–10°处的线偏振度测量值与参考偏振度的差异值最大，最大差异值为0.00281，这是因为入射光为平行光时，由于其发散角小，发散角没有充满仪器的孔径导致。其中，在沿轨正方向5°—10°视场范围内，线偏振度测量值出现异常值而予以剔除。因此，在±15°—±48°范围内，VOPLS-II可满足DPC的偏振测量精度要求，在0°—±15°不能满足DPC的测量要求，需要选用发散角更大的参考光源进行定标。
(3.2) 可调光谱积分球参考光源不同视场内偏振度验证根据DPC单个像元对视场角的要求，采用光谱可调积分球作为定标光源对DPC进行偏振定标。光谱可调积分球参考光源在±60°的大角度范围内角度均匀性优于99.4％，在出光口中心直径50 mm的区域内，面均匀性优于99.5%。
在进行线偏振度检测时，利用VPOLS-II的平行光寻找完DPC中心视场对应的像元位置后，关闭VPOLS-II扩束准直光源，将光谱可调积分球参考光源切入到偏振测量光路中，即调整光谱可调积分球参考光源出光口对准VPOLS-II偏振盒体入光口(图7)。打开光谱可调积分球参考光源(预热至稳定状态)，调节光谱辐亮度输出，并预热30 min；调节VPOLS-II偏振盒内部玻片堆的旋转角度输出0、0.1027、0.1529、0.3038、0.2545、0.3053和0.4064共计7种线偏振度状态；通过2维转台旋转调节DPC处于沿轨方向0°、15°、30°和45°视场。
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| 图 7 采用可调光谱积分球对DPC不同视场内线偏振度测试图 Figure 7 DOLP test diagram of DPC at different field of view by using spectrum-tunable integrating spheres |
根据偏振度测量模型，DPC在不同波段、不同视场角(载荷不同旋转角度)、不同线偏振度(玻片不同旋转角度)条件下，各线偏振度的预设值和测量值如表2。
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表 2 DPC 490 nm在不同视场角下偏振度测量结果 Table 2 Testing results of the degree of line polarization of DPC in 490 nm |
由表2可知，DPC490 nm在不同视场角、不同线偏振度条件下，各线偏振度的预设值和测量值的差异值均小于0.02，其中，在45°视场角偏振度为0.3038处线偏振度预设值和测量值差异值最大，最大偏差为0.0116。在0—15°视场角范围内，线偏振度测量值和理论预测值间的平均差异为4.4×10–3。
由以上分析可知，进行DPC实际测量效果精度验证实验时，采用的定标光源发散角会影响DPC定标精度。采用VOPLS-II平行光作为定标光源时，在±15°—±48°范围内可满足DPC的偏振测量精度要求，在0°—±15°，视场角为20°处的线偏振度测量值与参考偏振度的差异值最大，最大差异值为0.00281，不能满足DPC的测量要求；采用可调光谱积分球作为定标光源时，最大偏差为0.0116，可满足DPC全视场范围内偏振定标的精度要求。因此，平行光由于其发散角小，不能充满DPC这类大视场遥感器的接收孔径，更适用于对单个像元进行定标，在DPC前期分视场单个像元定标时，用平行光来定标各个分视场内像元；积分球光源发散角更大，面均匀性较好，能够充满遥感器孔径和视场因素，可以实现大视场范围内的定标，能够定标出各个像元之间的关系，更能接近DPC在轨定标的实际情况，采用可调光谱积分球作为偏振光源定标方案作为最终的定标结果更合理。
4、结 论偏振定标光源发散角与DPC像元对应的视场角匹配一致，对于DPC实验室偏振定标具有重要意义，如果匹配不一致将导致高于1%以上的偏振定标不确定度。为保障DPC实验室偏振定标精度，有效提高其定量化应用水平，有必要开展光源发散角对DPC偏振定标的影响分析及验证研究。
本文根据DPC在轨运行光学系统的成像原理，通过微分运算方式，建立了一种偏振定标光源的发散角与单像元视场角匹配的模型。根据模型分析给出DPC全视场范围内的偏振定标要求，即光源的发散角最大应达到0.14°。对于14.61°视场以内的像元，要求偏振定标光源的发散角应大于等于0.125°。采用郎伯型可调光谱积分球参考光源替代0.125°发散角的扩束镜平行光源进行验证，验证结果表明DPC的线偏振度测量值和理论预测值间的平均差异由1.26×10–2减小至4.4×10–3。
通过理论分析和实验研究，采用可调光谱积分球参考光源替代扩束镜平行光源方案可有效解决偏振定标光源的发散角与单像元视场角匹配一致难题，有效提高偏振定标精度。本文建立偏振定标光源的发散角与单像元视场角匹配的模型以及采用可调光谱积分球作为偏振光源方案，可为DPC实验室的高精度偏振定标提供理论支持和性能评价依据，为在轨偏振定标提供参考。
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