多角度偏振成像技術(shù)在高分衛(wèi)星上的應(yīng)用

田瑜基

(廈門精圖信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361008)

0 引言

偏振、干涉、衍射都是光的固有屬性，其中偏振是指相對于光的傳播方向，光的振動方向是不對稱的。太陽光穿過大氣層后照射在地球表面，地表的物體表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征以及觀測角度的不同，使得光線與物體作用后的散射光的偏振信息不同，所以通過獲得的偏振信息就可以反推出物體的特征信息。

光線與物體作用后的光波偏振態(tài)的成像技術(shù)即偏振成像技術(shù)。偏振成像包括3個環(huán)節(jié)：(1)對散射光波進行偏振態(tài)分解。(2)對散射光波進行掃描和角度編碼。(3)對圖像進行增強和融合。從可視化的偏振圖像中，獲取被測物體的特征信息。

偏振成像可以顯著提高探測距離并抑制背景噪聲，即使在惡劣的環(huán)境中也能完成圖像獲取任務(wù)，并且圖像中被測物體細節(jié)特征信息能被完整解析。偏振成像與其他成像技術(shù)相比所具備的獨特優(yōu)勢，使得其迅速被應(yīng)用在高分衛(wèi)星上。近年來，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)對衛(wèi)星偏振儀器的應(yīng)用，特別是在大氣探測方面開展了一系列研究。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

(1)20世紀70年代，美國就開始了多角度偏振遙感儀器的研發(fā)。美國為實現(xiàn)大氣云層的特性和氣溶膠大小的測量，研發(fā)了地球觀測掃描偏振計EOSP，通過影像分析可以獲取地表土壤和植物生長之間的關(guān)系，并且能夠?qū)Ｑ笈c陸地的大氣測量數(shù)據(jù)進行訂正。2011年美國研發(fā)的氣溶膠偏振儀ASP升空，偏振儀ASP可以測量氣溶膠濃度并對粒子的尺寸和化學成分進行分析，以獲取氣溶膠對地表氣候的影響。

(2)20世紀90年代，法國空間研究中心研制了偏振探測儀POLDER，偏振探測儀POLDER先后在1996年、2002年和2004年3次升空，該儀器在可見光到近紅外波段工作，通過探測太陽光在地表反射和大氣中的偏振影像，獲取云層、氣溶膠等性質(zhì)數(shù)據(jù)，為人類在地球大氣和海洋生物的相互影響探索方面做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累。

目前，歐洲正在研制的偏振探測儀3MI，是新一代多角度多譜段的短波紅外偏振探測儀。該探測儀計劃裝載在歐洲第二代氣象衛(wèi)星MetOP-SG上，用于監(jiān)測大氣氣溶膠特性、大氣化學與空氣質(zhì)量。該偏振探測儀3MI是在POLDER的基礎(chǔ)上進行了改進，在云層和氣溶膠探測方面的精度進一步加強。

(3)自20世紀90年代以來，中國科學院上海物理研究所先后承擔多個多角度偏振探測儀器的研發(fā)工作，涉及的波段從可見光至長波紅外光譜。在神舟三號上裝載了該所研制的卷云探測儀，在天宮二號上裝載了該所研制的多角度偏振探測儀。神舟三號上裝載的卷云探測儀具備全偏振探測功能，用于獲取卷云和水汽等數(shù)據(jù)，是國內(nèi)第一臺具備偏振探測功能的星載儀器。天宮二號裝載的多角度偏振探測儀，用于獲取云層數(shù)據(jù)和氣溶膠特性，是國內(nèi)第一臺多角度偏振探測儀器，填補了國內(nèi)空間多角度偏振成像技術(shù)的空白。

國內(nèi)的其他科研機構(gòu)也在同一時期開展了偏振成像儀器的研究，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制的偏振成像儀器，裝載在2016年發(fā)射的碳衛(wèi)星上；中國科學院安徽光學精密機械研究所研制的偏振成像儀器，裝載在2018年發(fā)射的高分五號衛(wèi)星上。

2 偏振成像探測原理

多角度偏振成像技術(shù)主要用于大氣云層和氣溶膠的性質(zhì)數(shù)據(jù)，使用廣角鏡頭獲取偏振輻射空間分布信息[1-3]。多角度反映目標偏振的雙向分布[4-5]，適用于大幅寬光源的偏振定標。天空光用作偏振儀器的參考光源，呈現(xiàn)規(guī)律的偏振分布[6-8]。

偏振成像儀器均是由3個部分構(gòu)成的，前端部分為光學探測部分，用于獲取光波；中間部分為信息處理部分，用于連通載荷與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)；后端部分為驅(qū)動控制部分，用于實現(xiàn)電機驅(qū)動和前端的熱控。偏振成像儀器的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 偏振成像儀器的構(gòu)成

多角度探測的實現(xiàn)以廣角重疊的方式為最佳，系統(tǒng)成本較低并且復(fù)雜程度最低，可以通過光楔補償對地表物體實現(xiàn)偏振測量，其探測原理如圖2所示。探測儀的光波采集端處設(shè)有濾光片和偏振片，濾光片和偏振片設(shè)置在轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的勻速切換，實現(xiàn)多光譜偏振測量，并且成像區(qū)具備多個觀測角度。

圖2 廣角重疊探測原理

前端部分的光學探測器的底端設(shè)有成像物鏡，轉(zhuǎn)輪設(shè)置在探測器的頂部旁側(cè)，轉(zhuǎn)輪上設(shè)有多個濾光片或偏振片，探測器的頂端為光電耦合探測器。物鏡為廣角成像鏡片組成。光信號聚合于光電耦合單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞回地面監(jiān)測中心。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過校正和亮度還原后，最終得到云層參數(shù)和氣溶膠參數(shù)。光學探測儀器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光學探測儀器結(jié)構(gòu)

通過偏振定標，偏振成像儀器通過獲取輻射和偏振特性，將入射輻射量轉(zhuǎn)換為探測輸出量，光波被劃分為偏振光波模型和非偏振光波模型，其中，偏振光波輻射響應(yīng)模型如式(1)所示：

(1)

式中，物理量k代表不同波段；a代表偏振片的安裝方向；l，p代表像元坐標；D代表探測信號；G代表相對增益系數(shù)；T代表透過率；C代表暗背景系數(shù)；A代表輻射定標系數(shù)；I，Q，U代表入射光束的斯托克斯參量；P1，P2，P3代表儀器偏振特性參數(shù)。

3 偏振成像在高分衛(wèi)星上的應(yīng)用

多角度偏振成像儀器的獨特優(yōu)勢，使得其被搭載在2018年發(fā)射的高分五號衛(wèi)星上，用于探測云層和氣溶膠參數(shù)，在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究等方面發(fā)揮著重要作用。高分五號衛(wèi)星上搭載的偏振成像儀具備多角度和多光譜偏振探測能力，采用面陣CCD探測器，可獲取沿軌±50°范圍內(nèi)的觀測，星下點像元為3.3 km，寬幅為1 850 km。該偏振成像儀使用濾光片和偏振片組合裝配在轉(zhuǎn)輪上的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可見光到近紅外波共8個探測波段的測量。在高分五號衛(wèi)星飛行過程中，該偏振成像儀沿著軌道進行快速框幅攝影，實現(xiàn)了每個地表觀測物體最少9個角度的觀測。在未來若干年中，搭載在高分五號衛(wèi)星上的多角度偏振成像儀，將會為全球氣候觀測等領(lǐng)域提供重要數(shù)據(jù)。