多角度偏振成像技术在高分卫星上的应用

田瑜基

(厦门精图信息技术有限公司，福建 厦门 361008)

0 引言

偏振、干涉、衍射都是光的固有属性，其中偏振是指相对于光的传播方向，光的振动方向是不对称的。太阳光穿过大气层后照射在地球表面，地表的物体表面和内部结构特征以及观测角度的不同，使得光线与物体作用后的散射光的偏振信息不同，所以通过获得的偏振信息就可以反推出物体的特征信息。

光线与物体作用后的光波偏振态的成像技术即偏振成像技术。偏振成像包括3个环节：(1)对散射光波进行偏振态分解。(2)对散射光波进行扫描和角度编码。(3)对图像进行增强和融合。从可视化的偏振图像中，获取被测物体的特征信息。

偏振成像可以显著提高探测距离并抑制背景噪声，即使在恶劣的环境中也能完成图像获取任务，并且图像中被测物体细节特征信息能被完整解析。偏振成像与其他成像技术相比所具备的独特优势，使得其迅速被应用在高分卫星上。近年来，国内外多家研究机构对卫星偏振仪器的应用，特别是在大气探测方面开展了一系列研究。

1 国内外现状

(1)20世纪70年代，美国就开始了多角度偏振遥感仪器的研发。美国为实现大气云层的特性和气溶胶大小的测量，研发了地球观测扫描偏振计EOSP，通过影像分析可以获取地表土壤和植物生长之间的关系，并且能够对海洋与陆地的大气测量数据进行订正。2011年美国研发的气溶胶偏振仪ASP升空，偏振仪ASP可以测量气溶胶浓度并对粒子的尺寸和化学成分进行分析，以获取气溶胶对地表气候的影响。

(2)20世纪90年代，法国空间研究中心研制了偏振探测仪POLDER，偏振探测仪POLDER先后在1996年、2002年和2004年3次升空，该仪器在可见光到近红外波段工作，通过探测太阳光在地表反射和大气中的偏振影像，获取云层、气溶胶等性质数据，为人类在地球大气和海洋生物的相互影响探索方面做好基础数据积累。

目前，欧洲正在研制的偏振探测仪3MI，是新一代多角度多谱段的短波红外偏振探测仪。该探测仪计划装载在欧洲第二代气象卫星MetOP-SG上，用于监测大气气溶胶特性、大气化学与空气质量。该偏振探测仪3MI是在POLDER的基础上进行了改进，在云层和气溶胶探测方面的精度进一步加强。

(3)自20世纪90年代以来，中国科学院上海物理研究所先后承担多个多角度偏振探测仪器的研发工作，涉及的波段从可见光至长波红外光谱。在神舟三号上装载了该所研制的卷云探测仪，在天宫二号上装载了该所研制的多角度偏振探测仪。神舟三号上装载的卷云探测仪具备全偏振探测功能，用于获取卷云和水汽等数据，是国内第一台具备偏振探测功能的星载仪器。天宫二号装载的多角度偏振探测仪，用于获取云层数据和气溶胶特性，是国内第一台多角度偏振探测仪器，填补了国内空间多角度偏振成像技术的空白。

国内的其他科研机构也在同一时期开展了偏振成像仪器的研究，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的偏振成像仪器，装载在2016年发射的碳卫星上；中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的偏振成像仪器，装载在2018年发射的高分五号卫星上。

2 偏振成像探测原理

多角度偏振成像技术主要用于大气云层和气溶胶的性质数据，使用广角镜头获取偏振辐射空间分布信息[1-3]。多角度反映目标偏振的双向分布[4-5]，适用于大幅宽光源的偏振定标。天空光用作偏振仪器的参考光源，呈现规律的偏振分布[6-8]。

偏振成像仪器均是由3个部分构成的，前端部分为光学探测部分，用于获取光波；中间部分为信息处理部分，用于连通载荷与卫星的数据；后端部分为驱动控制部分，用于实现电机驱动和前端的热控。偏振成像仪器的构成如图1所示。

图1 偏振成像仪器的构成

多角度探测的实现以广角重叠的方式为最佳，系统成本较低并且复杂程度最低，可以通过光楔补偿对地表物体实现偏振测量，其探测原理如图2所示。探测仪的光波采集端处设有滤光片和偏振片，滤光片和偏振片设置在转盘上，通过转盘的匀速切换，实现多光谱偏振测量，并且成像区具备多个观测角度。

图2 广角重叠探测原理

前端部分的光学探测器的底端设有成像物镜，转轮设置在探测器的顶部旁侧，转轮上设有多个滤光片或偏振片，探测器的顶端为光电耦合探测器。物镜为广角成像镜片组成。光信号聚合于光电耦合单元，经过A/D转换电路转化为数字信号，通过通信模块将数据传递回地面监测中心。原始数据经过校正和亮度还原后，最终得到云层参数和气溶胶参数。光学探测仪器结构如图3所示。

图3 光学探测仪器结构

通过偏振定标，偏振成像仪器通过获取辐射和偏振特性，将入射辐射量转换为探测输出量，光波被划分为偏振光波模型和非偏振光波模型，其中，偏振光波辐射响应模型如式(1)所示：

(1)

式中，物理量k代表不同波段；a代表偏振片的安装方向；l，p代表像元坐标；D代表探测信号；G代表相对增益系数；T代表透过率；C代表暗背景系数；A代表辐射定标系数；I，Q，U代表入射光束的斯托克斯参量；P1，P2，P3代表仪器偏振特性参数。

3 偏振成像在高分卫星上的应用

多角度偏振成像仪器的独特优势，使得其被搭载在2018年发射的高分五号卫星上，用于探测云层和气溶胶参数，在大气环境监测和气候变化研究等方面发挥着重要作用。高分五号卫星上搭载的偏振成像仪具备多角度和多光谱偏振探测能力，采用面阵CCD探测器，可获取沿轨±50°范围内的观测，星下点像元为3.3 km，宽幅为1 850 km。该偏振成像仪使用滤光片和偏振片组合装配在转轮上的结构，实现可见光到近红外波共8个探测波段的测量。在高分五号卫星飞行过程中，该偏振成像仪沿着轨道进行快速框幅摄影，实现了每个地表观测物体最少9个角度的观测。在未来若干年中，搭载在高分五号卫星上的多角度偏振成像仪，将会为全球气候观测等领域提供重要数据。