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(duì)于光的傳播方向，光的振動(dòng)方向是不對(duì)稱的。太陽(yáng)光穿過(guò)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(cè)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(guò)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(gè)環(huán)節(jié)：(1)對(duì)散射光波進(jìn)行偏振態(tài)分解。(2)對(duì)散射光波進(jìn)行掃描和角度編碼。(3)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和融合。從可視化的偏振圖像中，獲取被測(cè)物體的特征信息。

偏振成像可以顯著提高探測(cè)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(cè)物體細(xì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得其迅速被應(yīng)用在高分衛(wèi)星上。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星偏振儀器的應(yīng)用，特別是在大氣探測(cè)方面開展了一系列研究。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

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

(2)20世紀(jì)90年代，法國(guó)空間研究中心研制了偏振探測(cè)儀POLDER，偏振探測(cè)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(guò)探測(cè)太陽(yáng)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(cè)儀3MI，是新一代多角度多譜段的短波紅外偏振探測(cè)儀。該探測(cè)儀計(jì)劃裝載在歐洲第二代氣象衛(wèi)星MetOP-SG上，用于監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠特性、大氣化學(xué)與空氣質(zhì)量。該偏振探測(cè)儀3MI是在POLDER的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在云層和氣溶膠探測(cè)方面的精度進(jìn)一步加強(qiáng)。

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

國(guó)內(nèi)的其他科研機(jī)構(gòu)也在同一時(shí)期開展了偏振成像儀器的研究，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)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(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)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(hào)衛(wèi)星上。

2 偏振成像探測(cè)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(biāo)偏振的雙向分布[4-5]，適用于大幅寬光源的偏振定標(biāo)。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(gè)部分構(gòu)成的，前端部分為光學(xué)探測(cè)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(dòng)控制部分，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)的實(shí)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(guò)光楔補(bǔ)償對(duì)地表物體實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量，其探測(cè)原理如圖2所示。探測(cè)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(guò)轉(zhuǎn)盤的勻速切換，實(shí)現(xiàn)多光譜偏振測(cè)量，并且成像區(qū)具備多個(gè)觀測(cè)角度。

圖2 廣角重疊探測(cè)原理

前端部分的光學(xué)探測(cè)器的底端設(shè)有成像物鏡，轉(zhuǎn)輪設(shè)置在探測(cè)器的頂部旁側(cè)，轉(zhuǎn)輪上設(shè)有多個(gè)濾光片或偏振片，探測(cè)器的頂端為光電耦合探測(cè)器。物鏡為廣角成像鏡片組成。光信號(hào)聚合于光電耦合單元，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞回地面監(jiān)測(cè)中心。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(xué)探測(cè)儀器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光學(xué)探測(cè)儀器結(jié)構(gòu)

通過(guò)偏振定標(biāo)，偏振成像儀器通過(guò)獲取輻射和偏振特性，將入射輻射量轉(zhuǎn)換為探測(cè)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(biāo)；D代表探測(cè)信號(hào)；G代表相對(duì)增益系數(shù)；T代表透過(guò)率；C代表暗背景系數(shù)；A代表輻射定標(biāo)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得其被搭載在2018年發(fā)射的高分五號(hào)衛(wèi)星上，用于探測(cè)云層和氣溶膠參數(shù)，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣候變化研究等方面發(fā)揮著重要作用。高分五號(hào)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(cè)能力，采用面陣CCD探測(cè)器，可獲取沿軌±50°范圍內(nèi)的觀測(cè)，星下點(diǎn)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(shí)現(xiàn)可見光到近紅外波共8個(gè)探測(cè)波段的測(cè)量。在高分五號(hào)衛(wèi)星飛行過(guò)程中，該偏振成像儀沿著軌道進(jìn)行快速框幅攝影，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)地表觀測(cè)物體最少9個(gè)角度的觀測(cè)。在未來(lái)若干年中，搭載在高分五號(hào)衛(wèi)星上的多角度偏振成像儀，將會(huì)為全球氣候觀測(cè)等領(lǐng)域提供重要數(shù)據(jù)。