崔程光 安寧 于宗偉 張生杰 王偉剛 徐彭梅

日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀偏振響應抑制與測試

崔程光 安寧 于宗偉 張生杰 王偉剛 徐彭梅

（北京空間機電研究所，北京 100094）

為提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀（簡稱超光譜探測儀）植被熒光探測精度，需降低光學系統(tǒng)偏振靈敏度，即對超光譜探測儀偏振響應進行抑制。文章利用斯托克斯-穆勒體系對超光譜探測儀光學系統(tǒng)進行偏振特性分析，對前置光學系統(tǒng)引起的偏振響應進行理論分析，從而確定采用雙巴比涅消偏器實現(xiàn)全光路消偏的方案；同時對偏振測試系統(tǒng)中主要誤差源（即測試系統(tǒng)殘余偏振度）的影響進行理論分析，建立了“積分球光源+擴束系統(tǒng)+偏振元件”的低殘余偏振度的偏振測試系統(tǒng)，對超光譜探測儀偏振靈敏度進行了測試。測試結果表明，超光譜探測儀偏振度為0.65%，滿足高精度植被熒光探測需求。

偏振抑制 偏振靈敏度測試 超光譜 熒光探測 星載成像儀 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite，TECIS）日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀（簡稱超光譜探測儀）采用光柵分光實現(xiàn)超高光譜分辨率，獲取空間連續(xù)分布的植被熒光信號，實現(xiàn)對植被光合作用能力的分析。其中光柵具有很強的雙向衰減偏振效應，會改變入射光的偏振態(tài)，使得儀器響應輸出不僅僅與目標輻射強度相關，還會依賴于入射光的偏振態(tài)，這使得超光譜探測儀成為一個偏振敏感系統(tǒng)[1-2]。由于太陽光經(jīng)過大氣分子和氣溶膠瑞利散射作用之后會變?yōu)槠窆饣虿糠制窆鈁3]，使得偏振敏感系統(tǒng)的偏振響應更加明顯，直接影響星載成像光譜儀的定量化精度[4]，降低儀器輻射測量和反演的精度，因此，進行星載成像光譜儀的偏振響應抑制十分必要。

隨著相關理論的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了通過儀器設計來控制偏振像差引入的偏振影響，即根據(jù)偏振產(chǎn)生機理，采取相應方法來降低或消除儀器的偏振響應。設計方案主要包括如下幾種：1）針對光學元件，一般通過減小每一個界面的偏振像差或者低偏振膜設計；2）針對光學系統(tǒng)，一般在系統(tǒng)中引入偏振像差進行補償，或者在光學系統(tǒng)中加入光學消偏器；3）針對入射光，一般通過入射光偏振測量進行偏振校正。其中消偏器方案結構簡單，基本不改變原有光學設計。國內外很多星載光柵光譜儀均采用了消偏器方案，同時還涉及了矩形光瞳、會聚光路等非傳統(tǒng)成像光路條件下的消偏器設計[5-6]。光學消偏器會導致光學系統(tǒng)像質、傳函等指標的降低，無法校正前置光學系統(tǒng)偏振影響，但其作為一種重要的偏振抑制手段，在星載成像光譜儀上已得到廣泛應用，如臭氧總量測繪光譜儀（Total Ozone Mapping Spectrometer，TOMS）[7]、太陽后向散射紫外光譜儀（Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer，SBUV）[8]、大氣臭氧制圖和廓線儀（The Ozone Mapping and Profiler Suite，OMPS）[9]、“海洋一號”C/D（HY-1 C/D）衛(wèi)星的定標光譜儀等。

目前比較常用的消偏器有Lyot型、雙光楔H-V（Horizontal-Vertical）型、雙光楔旋光型、雙巴比涅型等[10]。其中Lyot型消偏器可對所有形式偏振光退偏，但無法滿足窄帶光譜范圍內的退偏要求[11]；H-V型消偏器不能對所有形式偏振光退偏，且要求晶軸與光柵刻線方向角度固定，監(jiān)測和裝調難度較大；雙光楔旋光消偏器不能對圓偏振光退偏，且受輸入約束條件限制，難以滿足系統(tǒng)偏振靈敏度要求；雙巴比涅型消偏器可對所有形式偏振光退偏，裝調相對簡單，但結構和加工較復雜[12]?？紤]到大氣探測需對所有偏振光退偏的要求，并結合消偏器優(yōu)勢以及空間光學遙感器的研制特點，雙巴比涅型消偏器在空間光學遙感器中應用最為廣泛。

完成光學系統(tǒng)偏振響應抑制之后，需要通過實驗測試來確定其實際的偏振響應，目前國際上一般采用光源結合偏振組件的形式來完成偏振響應測試。如美國NASA的可見光紅外成像輻射儀（Visible Infrared Imager Radiometer Suite’s，VIIRS），根據(jù)獲取遙感器的偏振響應曲線計算得到線偏振靈敏度[13]；歐洲航天局研制的高分辨率熒光成像光譜儀（The Fluorescence Imaging Spectrometer，F(xiàn)LORIS）將穩(wěn)定均勻性光源通過起偏器產(chǎn)生線偏振光實現(xiàn)偏振測試[14]；NASA研制的海洋顏色儀（Ocean Color Instrument，OCI）以及美國蒙大拿州立大學進行的多臺高光譜成像儀偏振響應比較研究，均采用積分球光源系統(tǒng)通過線偏振片產(chǎn)生線偏振光的方式來完成偏振測試[15-16]。國內中國科學院西安光學精密機械研究所采用太陽模擬器出射均勻漫射光，再經(jīng)準直鏡照亮偏振片來完成空間調制干涉光譜成像儀的偏振測試[17]；中國科學院國家空間科學中心采用以氙燈作為光源，經(jīng)光闌、中性衰減片、格蘭—湯姆森棱鏡產(chǎn)生線偏振光束的方式，來完成紫外可見高分辨率成像光譜儀的偏振測試[18]；中國科學院長春光學精密機械與物理研究所采用片堆起偏器來實現(xiàn)對紫外可見高光譜探測儀的偏振測試[19]；北京空間機電研究所采用線偏振片作為起偏器，再通過擴束系統(tǒng)來實現(xiàn)對可見近紅外光學遙感器的偏振測試[20]。

熒光超光譜探測儀的偏振響應抑制與測試主要面臨兩個難題：1）光學系統(tǒng)內部雙巴比涅型消偏器無法消除前置光學系統(tǒng)的影響，直接影響光學系統(tǒng)偏振響應抑制效果；2）偏振測試系統(tǒng)自身的殘余偏振度會使不同方位角下線偏振光束存在一定差異，降低偏振測試精度。本文依據(jù)偏振光學理論，采用斯托克斯-穆勒體系對前置光學系統(tǒng)引起的偏振響應進行理論分析，確定采用雙巴比涅消偏器位于光學系統(tǒng)光路最前端，進而實現(xiàn)全光路消偏的方案；同時通過偏振測試驗證偏振響應抑制效果，并對偏振測試中主要誤差源（即測試系統(tǒng)殘余偏振度）進行分析。

1 理論分析

1.1 偏振響應對探測精度影響分析

一般采用偏振靈敏度來描述光譜探測儀的偏振響應，表征儀器光學系統(tǒng)對入射光中偏振成分的敏感程度。根據(jù)相關理論研究，熒光超光譜探測儀的光電響應數(shù)字輸出信號為[21]

式中0為光學系統(tǒng)的輻射量數(shù)字響應信號；2，3為成像儀的歸一化穆勒元素，分別代表熒光超光譜探測儀對入射光水平、垂直方向的雙向衰減能力；為入射光束的偏振度；為偏振光束的方位角。當入射光偏振特性已知時，偏振響應引起的定量化誤差為

1.2 光學系統(tǒng)偏振響應分析

為了進一步分析光學系統(tǒng)的偏振響應，設定光學系統(tǒng)采用雙巴比涅消偏器，并以雙巴比涅消偏器為分界，將光學系統(tǒng)分為前置、后置光學系統(tǒng)，從而分析前置光學系統(tǒng)對熒光超光譜探測儀的偏振響應影響。

光學系統(tǒng)穆勒矩陣optical可表示為

式中F為前置光學系統(tǒng)穆勒矩陣；DB為消偏器穆勒矩陣；L為后置光學系統(tǒng)穆勒矩陣。對于雙巴比涅消偏器，其穆勒矩陣DB可以表示為[22]

前置及后置光學系統(tǒng)的歸一化穆勒矩陣可分別表示為[23]：

（6）

經(jīng)過消偏器之后，出射光束的斯托克斯矢量out2為

假設儀器為線性系統(tǒng)，探測器無偏振響應，則有經(jīng)過后置光學系統(tǒng)之后，熒光超光譜探測儀的響應輸出為

分別定義熒光超光譜探測儀穆勒矩陣的第一行穆勒元素為0、1、2，即

（10）

則熒光超光譜探測儀的響應輸出可表示為

式中為兩個正交方向偏振光分量的相位差。

采用線偏振靈敏度分析熒光超光譜探測儀的偏振響應，即

式中max和min分別為探測儀的光電響應數(shù)字輸出信號的最大值和最小值。

當=0°，=1時，式（8）可轉化為

由式（12）可知，熒光超光譜探測儀的響應輸出與前置光學系統(tǒng)、后置光學系統(tǒng)以及消偏器有關。根據(jù)以上全參量的偏振分析以及特殊入射偏振態(tài)分析可知，提高熒光超光譜探測儀的探測精度需要降低光學系統(tǒng)整體的穆勒元素數(shù)值，而消偏器無法校正前置光學系統(tǒng)偏振效應。

假定前置光學系統(tǒng)為旋轉對稱的望遠系統(tǒng)，則其穆勒矩陣中有13=14=23=24=31=41=32=42=0[25]。由于入射光為線偏振光，即=0°，=1，則經(jīng)過前置光學系統(tǒng)和消偏器之后光束的斯托克斯矢量為

則式（13）可表示為

如果后置光學系統(tǒng)也為旋轉對稱系統(tǒng)，即其穆勒矩陣中有13=14=23=24=31=41=32=42=0，則式（15）可表示為

當前置光學系統(tǒng)為旋轉對稱系統(tǒng)且為無偏系統(tǒng)時，則其穆勒矩陣中有12=21=0，22=1，則此時熒光超光譜探測儀的響應輸出為

從上述分析可知，如果將消偏器置于熒光超光譜探測儀光路中間，前置光學系統(tǒng)將會引起熒光超光譜探測儀響應輸出變化，且變化值與前置光學系統(tǒng)的穆勒矩陣元素相關，而非僅僅受消偏器影響。

2 超光譜探測儀偏振抑制

2.1 消偏器設計

圖1 雙巴比涅型消偏器示意

Fig.1 Schematic diagram of double Babinet depolarizer

當某一偏振方向的線偏振光經(jīng)過消偏器后，出射光的偏振度與入射光的偏振狀態(tài)（與軸夾角）、波長、晶體材料雙折射率差、楔角、口徑形狀和大小等相關，而與厚度無關。在已知折射率差、光瞳尺寸及波長時，根據(jù)出射光偏振度要求，可以計算得到楔角，并進行公差分析，確定消偏器參數(shù)。因此，在進行雙巴比涅型消偏器仿真分析時，首先需確定出射光偏振度最大時入射光偏振方向所對應的角度；再根據(jù)此條件下出射光偏振度與楔角的變化關系確定最佳楔角，并分析最佳楔角條件下全譜段范圍內的出射光偏振度；然后對楔角、中心厚度差公差進行分析，最終確定雙巴比涅型消偏器參數(shù)。由于組成雙巴比涅型消偏器的兩塊H-V型消偏器加工時存在一定誤差，而中心厚度差會引起相位變化，影響偏振度[28]，因此需要對中心厚度差公差進行分析。

如圖2所示，在中心波長下線偏振光經(jīng)消偏器后，出射光偏振度隨線偏振光偏振方向發(fā)生周期性變化，變化周期為π/2，變化規(guī)律與波長、楔角大小無關；當入射線偏振光偏振方向與第一塊晶體光軸方向夾角為45°、135°、225°、315°時，殘余偏振度最大。因此選取以入射偏振態(tài)與軸夾角為45°時的位置，對消偏器最大出射光殘余偏振度進行不同狀態(tài)下的仿真分析。

為了尋求最優(yōu)楔角，對多波長下最大出射光偏振度隨楔角的變化（如圖3所示）進行分析可知，殘余偏振度隨楔角增大而逐漸振蕩減小。當楔角取1.2°時，滿足最大出射光殘余偏振度不大于1%的要求。對670～780nm連續(xù)譜段范圍內出射光偏振度的分析表明，出射光偏振度優(yōu)于1%。楔角1.2°、兩組H-V型消偏器中心厚度相等時出射光偏振度隨波長的變化如圖4所示。

圖2 中心波長下消偏器出射光偏振度隨不同入射線偏振光偏振方位角的變化曲線

圖3 消偏器出射光最大出射光偏振度隨楔角的變化 曲線

圖4 消偏器出射光偏振度隨波長的變化曲線

對楔角、中心厚度差進行公差分析，約束消偏器的加工工藝參數(shù)。如圖5所示，通過變化消偏器楔角，分析對應的出射光偏振度的變化，可知楔角公差為±0.01°時，雖然曲線存在移動，但出射光偏振度最大值小于1%，仍能滿足指標要求。

設定楔角為1.2°，根據(jù)消偏器的出射光偏振度要求，分析中心厚度差公差在±0.5mm內變化時消偏器出射光偏振度的變化，結果如圖6所示，其中±0.5mm處的殘余偏振度曲線一致?？梢钥闯?，此時消偏器的出射光偏振度減小，最大值小于1%。

圖5 楔角公差±0.01°，消偏器出射光殘余偏振度隨波長的變化曲線

圖6 中心厚度差±0.5mm，消偏器出射光殘余偏振度隨波長的變化曲線

通過以上分析，確定消偏器楔角為1.2°、楔角公差為±0.01°、中心厚度差公差為±0.5 mm時，最大出射光偏振度為1%。

2.2 消偏器對像質影響分析

光學消偏器兩塊晶體間的楔形斜面會引入一定的像差，對于像差校正要求較高的空間光譜成像儀，消偏器引入的像差必須考慮。利用光學設計軟件建立雙巴比涅型消偏器模型（如圖7所示），分析其像差特性。雙巴比涅型消偏器由兩組雙光楔（4塊楔板）H-V型消偏器構成。消偏器與光譜儀系統(tǒng)光路如圖8所示，設入射光為45°線偏振光，經(jīng)過消偏器后入瞳處偏振態(tài)分布如圖9所示。

圖7 雙巴比涅型消偏器示意

圖8 消偏器與光譜儀系統(tǒng)光路

圖9 線偏振光經(jīng)過消偏器前/后偏振態(tài)分布示意

由于雙折射效應，視場0°的入射光垂直入射，偏振光常光（o光）和異常光（e光）分離，單一視場點分離產(chǎn)生多個像，導致彌散斑增大，如圖10所示。通過仿真分析可計算出空間方向像分離的最大距離約為120μm，小于像元尺寸，說明單個像元接收的能量沒有損失。光學系統(tǒng)中加入消偏器后，像分離引起的MTF變化如圖11所示。對比圖11（a）和圖11（b）可以看出，在奈奎斯特頻率2.8線對/mm處，帶有消偏器時弧矢方向（紅色和綠色實線）MTF下降至約0.75，與無消偏器時相比下降了約0.2，說明在弧矢方向像分離比較嚴重，與圖10的像分離現(xiàn)象一致。因此消偏器引起的像分離會降低空間方向MTF，但能夠滿足指標要求。

圖10 消偏器引起的像分離

圖11 消偏器對光學系統(tǒng)MTF影響

3 超光譜探測儀測試

3.1 偏振測試系統(tǒng)

偏振測試系統(tǒng)設計的目的在于產(chǎn)生可進行方位角調整的線偏振光束，測試時的實驗布局如圖12所示。受限于偏振元件尺寸，需要采用平行光管對光束進行擴束，進而實現(xiàn)對超光譜探測儀的全口徑覆蓋，同時平行光管可約束入射光束的發(fā)散角。目前典型的擴束系統(tǒng)為反射式平行光管和透射式平行光管兩種，需要對其進行偏振殘余度分析，選擇殘余偏振度較低的平行光管進行偏振測試。由于積分球內部進行了多次反射，可實現(xiàn)光束的消偏，從而降低光源帶來的偏振誤差，因此宜選積分球光源作為偏振光源，然后通過光闌約束成像儀視場，最后照亮線偏振片進行偏振測試。該測試系統(tǒng)中的線偏振片安裝于電動旋轉臺，可實現(xiàn)偏振方位角0°～360°的調整。

圖12 偏振測試實驗布局

為了分析前置光學系統(tǒng)帶來的光譜儀響應輸出的變化，在偏振測試時，將偏振測試系統(tǒng)作為光學系統(tǒng)的前置光學系統(tǒng)，采用兩種典型平行光管進行仿真分析，如圖13所示。

圖13 兩種典型平行光管

根據(jù)仿真得到的穆勒矩陣分別計算不同平行光管的殘余偏振度，透射式平行光管和反射式平行光管在超光譜探測儀中心波長下的平均歸一化穆勒矩陣T、R分別為：

由式（20）～（21）可以看到，兩個穆勒矩陣中13=14=23=24=31=41=32=42=0，兩種典型平行光管均為旋轉對稱系統(tǒng)。根據(jù)式（18）所示前置光學系統(tǒng)引起光譜儀響應輸出的相對偏差與穆勒矩陣的關系，在超光譜探測儀特征波長650nm時，可得透射式平行光管引起的相對偏差為0.002%，幾乎可以忽略，而反射式平行光管引起的相對偏差1.37%。為了約束偏振測試系統(tǒng)的殘余偏振度，因此需要采用低殘余偏振度的透射式平行光管測試系統(tǒng)。

3.2 偏振測試試驗

選取殘余偏振度較低的透射式平行光管進行擴束。利用標校系統(tǒng)對不同偏振方位角下的線偏振光強度進行標定，測試結果如圖14所示。根據(jù)測得的最大值和最小值計算得到測試系統(tǒng)殘余偏振度優(yōu)于0.4%，進而完成超光譜探測儀不同視場下的偏振測試。

圖14 不同偏振方位角下標校系統(tǒng)響應信號（透射式平行光管偏振測試方案）

（1）無消偏器時超光譜探測儀偏振測試

為驗證具有光柵的超光譜探測儀為偏振敏感系統(tǒng)，對未加消偏器的光學系統(tǒng)進行偏振測試。無消偏器時不同波長下的偏振靈敏度為1%～16%，如圖15所示。超光譜探測儀具有明顯的偏振響應，因此如果不采用偏振抑制手段，將大大降低超光譜探測儀的探測精度。

（2）加入消偏器時超光譜探測儀偏振測試

利用所建立的偏振測試系統(tǒng)，對研制完成的加入消偏器的超光譜探測儀進行偏振測試，并利用基本定義法得到超光譜探測儀的偏振靈敏度，測試結果如圖16所示。

圖15 無消偏器時超光譜探測儀的偏振靈敏度

圖16 有消偏器時超光譜探測儀的偏振靈敏度

從圖16可知，采用消偏器消偏后，超光譜探測儀偏振靈敏度小于0.65%，根據(jù)前文理論分析可知，儀器偏振響應引起的定量化誤差不大于0.65%，偏振響應得到有效抑制。

（3）測試精度分析

偏振測試誤差源主要包括光源穩(wěn)定性、擴束系統(tǒng)殘余偏振度、標校系統(tǒng)誤差，以及超光譜探測儀自身的誤差，具體誤差項如表1所示。其中光源采用的是積分球光源，光源穩(wěn)定性通過計量得到，即0.5%；光軸非一致性指測試系統(tǒng)光學部組件的調整誤差，通過理論分析得到，優(yōu)于0.14%；擴束系統(tǒng)的偏振殘余度則通過標校系統(tǒng)進行校準得到，經(jīng)測試為0.40%；標校系統(tǒng)誤差可通過計量得到，即0.3%；超光譜探測儀自身的誤差項通過輻射定標、雜光測試得到，具體結果見表1。

表1 偏振測量精度分析

4 結束語

超光譜探測儀以光柵為色散元件，這使其具有明顯的偏振響應，而且反射鏡的反射率在不同偏振方向也會發(fā)生變化。因此超光譜探測儀的偏振響應抑制和測試，是實現(xiàn)超光譜探測儀進行植被熒光高精度探測的關鍵。本文基于斯托克斯-穆勒體系的相關偏振理論，對采用消偏器方案的光學系統(tǒng)偏振特性進行仿真分析，并對前置光學系統(tǒng)偏振響應進行理論計算，確定了將消偏器直接置于全光路之前的偏振抑制方案；然后，分析了測試系統(tǒng)殘余偏振度對偏振測試結果的影響，并進行了相關試驗驗證，提出了低殘余偏振度測試系統(tǒng)的方案；最后通過雙巴比涅消偏器實現(xiàn)超光譜探測儀的偏振抑制，并通過偏振測試進行了超光譜探測儀偏振靈敏度評價，為空間熒光探測光譜成像儀研制提供重要思路。

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Suppression and Measurement of Polarization Response of the Solar- induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS)

CUI Chengguang AN Ning YU Zongwei ZHANG Shengjie WANG Weigang XU Pengmei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to improve the accuracy of vegetation fluorescence detection by the Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer(SIFIS), the polarization sensitivity of the optical system should be reduced. In particular, the polarization response of SIFIS should be suppressed. In this paper, the Stokes-Muller theory is used to analyze the polarization characteristics of the optical system with a double Babinet depolarizer. At the same time, the influence of the polarization residual degree of the polarization test is analyzed, which is the main error source. And the polarization test system with low polarization residual degree is established, including an integrating sphere light source, a polarization element and a beam expander system. Then the polarization sensitivity of SIFIS is tested, and the results show that the polarization degree of SIFIS is 0.65%, which can meet the requirements of high-precision vegetation fluorescence detection.

polarization suppression; polarization test; hyperspectral; fluorescence detection, imaging spectrometer onboard; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite

P407

A

1009-8518(2022)06-0085-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.009

2022-06-15

國家重大科技專項工程

崔程光, 安寧, 于宗偉, 等. 日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀偏振響應抑制與測試[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 85-96.

CUI Chengguang, AN Ning, YU Zongwei, et al. Suppression and Measurement of Polarization Response of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS)[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 85-96. (in Chinese)

崔程光，男，1988年生，2011年獲南開大學理學學士學位與天津大學管理學學士學位，2016年獲中國科學院長春光學精密機械與物理研究所工學博士學位，高級工程師。研究領域為空間光學遙感技術。E-mail：chgcui@126.com。

（編輯：夏淑密）