李朕陽，洪 津，趙旭楓，石新宇，劉振海，宋茂新，羅海燕，鄒 鵬，史書明，雷雪楓

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)院 通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

目前，全球尺度的氣溶膠和云特性參數(shù)及其分布主要依賴于空間遙感器獲?。?-5］。偏振信息對(duì)大氣顆粒物物理特征具有高度敏感性，利用該特點(diǎn)進(jìn)行偏振探測可以為大氣遙感提供獨(dú)立的信息維度，有效提高云和氣溶膠的探測能力［6-11］。近年來，多臺(tái)不同測量原理的偏振載荷搭載在同一衛(wèi)星觀測平臺(tái)，通過優(yōu)勢互補(bǔ)進(jìn)而獲取更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，成為偏振遙感技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

國際上，HARP-2+SPEXone/PACE 兩偏振載荷團(tuán)隊(duì)［12］和SCAN POL+MSIP/Aerosol-UA［13-14］偏振載荷團(tuán)隊(duì)都提出了進(jìn)行同平臺(tái)偏振儀器交叉定標(biāo)的構(gòu)想。Aerosol-UA 集成了偏振掃描儀（Polarization Scanner，PS）和偏振探測儀（Multi Spectral Imaging Polarimeter，MSIP），并進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星上配置了5 臺(tái)有效載荷，是國內(nèi)首次同時(shí)采用主動(dòng)激光、多角度、偏振、多光譜和高光譜等多種探測手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的高精度綜合探測。對(duì)于國際首次采用的主被動(dòng)結(jié)合探測體制的效能、協(xié)同觀測及數(shù)據(jù)融合方法，需要在衛(wèi)星發(fā)射前，在地面利用航空校飛的方式進(jìn)行多載荷綜合協(xié)同觀測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以提高衛(wèi)星發(fā)射入軌后的應(yīng)用效能。中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所聯(lián)合中科院遙感所偏振應(yīng)用團(tuán)隊(duì)提出“偏振交火”概念［15-16］，以多角度偏振探測儀（Directional Polarimetric Camera，DPC）［17-19］為主獲取高精度氣溶膠綜合探測參數(shù)。然而，DPC 的設(shè)計(jì)針對(duì)特定軌道高度，通過光楔運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)像元配準(zhǔn)，需要穩(wěn)定的衛(wèi)星平臺(tái)，導(dǎo)致DPC 的像元配準(zhǔn)方案難以在航空平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。因此，在飛行實(shí)驗(yàn)中，將DPC 替換為同時(shí)偏振相機(jī)（Simultaneous Imaging Polarization Camera，SIPC），SIPC 通過框幅式成像覆蓋高精度偏振掃描儀（Particulate Observing Scanning Polarimeter，POSP）［20-21］幅寬，POSP 獲取的高精度探測信息可以傳遞到SIPC，進(jìn)而提高SIPC 的偏振探測能力。

本文針對(duì)同平臺(tái)偏振儀器航空觀測數(shù)據(jù)，在簡要介紹雙偏振儀器工作原理的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)描述了其系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)預(yù)處理、視場匹配和偏振交叉定標(biāo)方法，并評(píng)估和展示了部分校飛實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為儀器的性能評(píng)估和下一步的星載數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持。

1 儀器組成與數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

兩偏振儀器安裝在同一基板上，其系統(tǒng)組成框如圖1 所示。

圖1 同平臺(tái)偏振儀器組成框Fig.1 Block diagram of polarization instruments on the same platform

同平臺(tái)偏振儀器由雙偏振探測主控單元、POSP光機(jī)頭部、SIPC、驅(qū)動(dòng)控制箱、熱控儀和慣導(dǎo)等單元構(gòu)成。主控單元控制系統(tǒng)工作流程，完成指令接收與譯碼、遙測采樣和科學(xué)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；驅(qū)動(dòng)控制箱中探測器溫控用于抑制POSP 紅外測量通道的暗電流；電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)控制掃描電機(jī)；熱控儀用于控制POSP 光機(jī)頭部各組件和SIPC 的工作溫度，保證溫度敏感部組件的正常工作；本次航空校飛選用XW-GI 7660慣性導(dǎo)航單元，可提供多參數(shù)導(dǎo)航信息。同平臺(tái)偏振儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 同平臺(tái)偏振儀器主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of polarization instruments on the same platform

1.1 POSP 測量模型

POSP 采用分孔徑與分振幅結(jié)合的同時(shí)偏振測量方法，可獲得4 個(gè)不同振動(dòng)方向（0°、90°、45°和135°）的線偏振光，進(jìn)而解析出目標(biāo)線偏振態(tài)的前3 個(gè)Stokes 參量（I，Q，U）。POSP 光學(xué)系統(tǒng)由前置正交掃描鏡組、望遠(yuǎn)系統(tǒng)組件、Wollaston 棱鏡、分色片組件、聚焦鏡組件、濾光片及雙元探測器等構(gòu)成，其測量模型可表示為［22］

式中：S0和S90、S45和S135為POSP 暗參考校正后同一波段4 個(gè)偏振方向的數(shù)字DN 值；K1為S0和S90通道內(nèi)相對(duì)響應(yīng)；K2為S45和S135通道內(nèi)相對(duì)響應(yīng)；ε1、ε2為Wollaston 棱鏡方位角偏差；

α1、α2為Wollaston 棱鏡的消光系數(shù)，可表示為

式中：e1、e2為Wollaston 棱鏡的消光比；qinst、uinst為POSP 自身的起偏量；ξ(p)包含被測目標(biāo)的偏振信息，需迭代求解。

1.2 SIPC 測量模型

SIPC 檢偏方向分別為0°、45°和90°，其偏振測量模型可表示為［23］

式中 ：I0=RD0/Ar、I45=RD45/ArK1和I90=RD90/ArK2為暗背景和絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)校正后的三檢偏方向的信號(hào)值，RD0、RD45和RD90為同一波段不同測量通道扣除暗背景后的信號(hào)值，K1為0°和45°偏振方向增益系數(shù)，K2為0°、90°偏振方增益系數(shù)，Ar為絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)；γ、τ為各檢偏方向線偏振片的退偏因子。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

同平臺(tái)雙偏振儀器需對(duì)原始探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、解析和篩選，這是獲取準(zhǔn)確探測信息不可或缺的重要步驟。

1.3.1 POSP 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

1）POSP 原始數(shù)據(jù)校驗(yàn)包括儀器工作狀態(tài)、平臺(tái)參量和偏振通道測量有效性檢測；2）原始數(shù)據(jù)校正主要包括暗背景的扣除、增益校正和紅外測量通道的溫度校正；3）結(jié)合數(shù)字高程模型和儀器安裝矩陣，將探測數(shù)據(jù)中的時(shí)間碼與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)GPS 時(shí)間碼進(jìn)行匹配，獲取POSP 每個(gè)掃描點(diǎn)探測器指向矢量投影的經(jīng)緯度和高度信息；4）根據(jù)偏振和輻射定標(biāo)系數(shù)，通過POSP 測量模型獲取測量目標(biāo)的光譜偏振輻射信息。

1.3.2 SIPC 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

1）對(duì)SIPC 采集圖像的數(shù)量、各偏振測量通道的有效性、儀器工作狀態(tài)和平臺(tái)參量進(jìn)行檢驗(yàn)和篩選；2）對(duì)原始圖像按照增益進(jìn)行分類和本底扣除，并完成均勻性和一致性校正；3）通過圖像配準(zhǔn)方法對(duì)SIPC 三測量通道數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，消除其視場差異對(duì)偏振輻射信息解析的影響；4）結(jié)合數(shù)字高程模型和儀器安裝矩陣，將原始圖像對(duì)應(yīng)的GPS 時(shí)間碼與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間碼進(jìn)行匹配，獲取SIPC 每個(gè)像元矢量投影的經(jīng)緯度和高度信息；5）根據(jù)偏振和輻射定標(biāo)系數(shù)，通過SIPC 測量模型獲取測量目標(biāo)的光譜偏振輻射信息。同平臺(tái)偏振儀器數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖2 所示。

圖2 同平臺(tái)偏振儀器數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.2 Data preprocessing flow of polarization instruments on the same platform

2 視場匹配及實(shí)現(xiàn)

同平臺(tái)偏振儀器的視場匹配保證2 個(gè)儀器獲取的探測信息具有相同的觀測目標(biāo)，是2 個(gè)儀器交叉定標(biāo)和地氣解耦合交火的前提。2 個(gè)儀器視場匹配示意圖如圖3 所示。航飛實(shí)驗(yàn)前對(duì)同平臺(tái)偏振儀器進(jìn)行了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，POSP 和SIPC 共有波段獲取的偏振輻射數(shù)據(jù)具有較好的一致性［24］，這為視場匹配提供了數(shù)據(jù)支持。

圖3 同平臺(tái)偏振儀器視場匹配Fig.3 Field matching diagram of polarization instruments on the same platform

2.1 視場匹配方法

在獲取同平臺(tái)偏振儀器預(yù)處理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩儀器共有波段數(shù)據(jù)的視場匹配，為后續(xù)定標(biāo)傳遞提供輸入，具體實(shí)現(xiàn)描述如下：1）根據(jù)航空平臺(tái)飛行高度、GSP 時(shí)間碼和姿態(tài)等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配；2）POSP 瞬時(shí)視場內(nèi)各位置空間響應(yīng)具有相同的權(quán)重，以此為依據(jù)建立拖影權(quán)重模板［25］；3）通過權(quán)重模板將SIPC 數(shù)據(jù)重采樣，保證兩儀器數(shù)據(jù)具有相同的空間分辨率，再計(jì)算POSP 指向矢量與SIPC 待匹配像元間的歐氏距離；4）獲取同平臺(tái)偏振儀器視場匹配位置，并通過GPS 時(shí)間碼和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。視場匹配對(duì)應(yīng)過程如圖4所示。

圖4 同平臺(tái)偏振儀器視場匹配過程Fig.4 Field matching process of polarization instruments on the same platform

2.2 視場匹配結(jié)果分析

選3 幅連續(xù)的SIPC 圖像，對(duì)同一組POSP 星下點(diǎn)附近11 個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，通過尋找最小歐式距離在像元的位置即可確定匹配結(jié)果位置。3 幅SIPC 圖像與POSP 數(shù)據(jù)進(jìn)行視場匹配的歐式距離熱度圖以及對(duì)應(yīng)的SIPC 原始圖像如圖5 所示。從圖中可知，3 幅歐式距離熱度圖中較小的區(qū)域均對(duì)應(yīng)原始圖像中的山谷，且匹配程度較高區(qū)域的移動(dòng)趨勢與航線軌跡趨勢一致，說明選取的POSP 匹配采樣點(diǎn)視場投影范圍與SIPC 連續(xù)采樣數(shù)據(jù)視場匹配結(jié)果一致。

圖5 多幅連續(xù)SIPC 圖像對(duì)同一組POSP 數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配Fig.5 Matching of multiple continuous SIPC images to the same set of POSP data

進(jìn)一步選取1、3、5 組不同位置的SIPC 圖像與多組POSP 數(shù)據(jù)進(jìn)行視場匹配，如圖6 所示。從圖中可以看出，POSP 星下點(diǎn)中心位置集中分布在SIPC 425 行、630 列附近，同時(shí)圖中存在個(gè)別離散點(diǎn)，即誤匹配點(diǎn)，導(dǎo)致誤匹配的主要原因是地表特征變化不明顯，如圖6（b）所示。誤匹配結(jié)果選取的為海洋數(shù)據(jù)，地表的均勻性較強(qiáng)，難以通過比較歐式距離大小的方法選取一致性最強(qiáng)的像元作為視場匹配結(jié)果。因此，為提高視場匹配方法的靈敏度，增加視場匹配結(jié)果的可信度，一般須選取地物特征豐富的數(shù)據(jù)進(jìn)行視場匹配，避免多個(gè)位置的一致性程度相似對(duì)匹配結(jié)果造成影響。

圖6 多幅連續(xù)SIPC 圖像對(duì)同多組POSP 數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配Fig.6 Matching of multiple continuous SIPC images to multiple sets of POSP data

對(duì)于視場匹配結(jié)果的驗(yàn)證，使用連續(xù)多個(gè)POSP 星下點(diǎn)投影視場范圍內(nèi)的SIPC 像元數(shù)據(jù)與拖影權(quán)重模板進(jìn)行加權(quán)卷積，得到與POSP 星下點(diǎn)分辨率一致的SIPC 加權(quán)結(jié)果，再將這些結(jié)果與對(duì)應(yīng)的POSP 星下點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證。由于不能確定準(zhǔn)確的POSP 星下點(diǎn)位置與相機(jī)像元位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在進(jìn)行SIPC 像元數(shù)據(jù)加權(quán)卷積時(shí)，將圖6（a）中匹配結(jié)果主要分布區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)像元都作為起始像元位置，對(duì)每個(gè)起始像元位置得到的SIPC 加權(quán)卷積結(jié)果都與POSP 數(shù)據(jù)作相關(guān)性系數(shù)計(jì)算，得到如圖6（c）所示的相關(guān)性系數(shù)熱度分布圖。圖中的每個(gè)坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)不同的起始位置像元，從相關(guān)性系數(shù)的分布趨勢中可以看出相關(guān)性最高的位置集中在匹配結(jié)果的中心區(qū)域，因此選取相關(guān)性最大的像元起始位置作為準(zhǔn)確的參考視場匹配結(jié)果（425 行，630 列），其相關(guān)性系數(shù)為0.997。多組匹配位置與參考位置的平均絕對(duì)誤差約為0.12 個(gè)POSP 像元。

3 偏振交叉定標(biāo)方法及實(shí)現(xiàn)

3.1 偏振交叉定標(biāo)方法

由SIPC 測量模型可得［23］

可以通過POSP 探測的IPOSP、qPOSP和uPOSP對(duì)空間響應(yīng)匹配后SIPC 對(duì)應(yīng)像元的Ar、K1和K2進(jìn)行定標(biāo)，可表示為

式中：Ar、K1和K2為POSP 與空間響應(yīng)匹配后SIPC對(duì)應(yīng)像元的交叉定標(biāo)系數(shù)。

POSP 與SIPC 對(duì)應(yīng)通道交叉定標(biāo)流程如圖7所示，主要過程簡述如下：1）通過同平臺(tái)偏振儀器采樣時(shí)刻時(shí)間碼，篩選兩儀器相近時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)；2）完成兩儀器的視場匹配；3）以POSP 的IPOSP、qPOSP和uPOSP為基準(zhǔn)，通過式（6）得到SIPC 的交叉定標(biāo)系數(shù)，完成定標(biāo)傳遞。

圖7 POSP 與SIPC 對(duì)應(yīng)通道交叉定標(biāo)流程Fig.7 Cross calibration process of the corresponding channels of POSP and SIPC

3.2 偏振交叉定標(biāo)結(jié)果分析

2019 年3 月在N38.92°～N41.12°，E119°～E121°范圍內(nèi)，進(jìn)行了航空校飛實(shí)驗(yàn)，共獲取了5 個(gè)架次的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，航線上涵蓋了海洋、海岸線、山地和平原等多種典型地表，飛行航線如圖8 所示。

圖8 航空校飛實(shí)驗(yàn)航線Fig.8 Aircraft’s course of the in-flight experiment

選取多組同平臺(tái)偏振儀器星下點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算交叉定標(biāo)系數(shù)，進(jìn)一步取計(jì)算結(jié)果的均方根值作為航空定標(biāo)傳遞系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 航空交叉定標(biāo)系數(shù)結(jié)果Tab.2 Results of the in-flight cross calibration coefficients

為了驗(yàn)證交叉定標(biāo)系數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，將其應(yīng)用于SIPC 測量模型，計(jì)算輻亮度和偏振度，并與POSP 對(duì)應(yīng)波段的偏振解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖9 所示。2 個(gè)儀器的輻亮度偏差ΔL=100×(LSIPC-LPOSP)/LPOSP、偏振度偏差 ΔP=PSIPC-PPOSP。

圖9 同平臺(tái)偏振儀器交叉定標(biāo)結(jié)果Fig.9 Cross calibration results of polarization instruments on the same platform

從圖9 可以看出，海洋數(shù)據(jù)的輻亮度相對(duì)較低而偏振度較高，陸地?cái)?shù)據(jù)則相反，670 nm 通道兩儀器星下點(diǎn)數(shù)據(jù)變化趨勢具有較好的一致性，進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)偏差的均方根值評(píng)估其一致性。結(jié)果表明，陸地地表SIPC 相對(duì)于POSP 的輻亮度偏差為2.537 2%，偏振度偏差為0.012 5；海洋地表SIPC 相對(duì)于POSP 的輻亮度偏差為9.284 1%，偏振度偏差為0.042 5。陸地?cái)?shù)據(jù)的一致性優(yōu)于海洋，主要是由于SIPC 陸地?cái)?shù)據(jù)的視場匹配精度和信噪比高于其海洋數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)同平臺(tái)偏振儀器航空校飛實(shí)驗(yàn)的原理、儀器組成、數(shù)據(jù)預(yù)處理、視場匹配和偏振交叉定標(biāo)方法進(jìn)行介紹，并評(píng)估和展示了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過校飛實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了偏振交火技術(shù)方案的可行性，突破了高精度偏振掃描儀與偏振相機(jī)之間非等權(quán)重像元匹配的關(guān)鍵技術(shù)，完成了非均勻校正場的在軌輻射與偏振交叉定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了高精度偏振掃描儀對(duì)偏振相機(jī)的輻射定標(biāo)系數(shù)、偏振定標(biāo)系數(shù)的交叉定標(biāo)傳遞，初步顯示了同平臺(tái)偏振儀器的應(yīng)用潛力，積累了實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，有助于大氣環(huán)境衛(wèi)星發(fā)射后及早投入應(yīng)用。