大气环境监测卫星双偏振仪器校飞验证

李朕阳，洪 津，赵旭枫，石新宇，刘振海，宋茂新，罗海燕，邹 鹏，史书明，雷雪枫

（1.中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学院 通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031；3.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

目前，全球尺度的气溶胶和云特性参数及其分布主要依赖于空间遥感器获取［1-5］。偏振信息对大气颗粒物物理特征具有高度敏感性，利用该特点进行偏振探测可以为大气遥感提供独立的信息维度，有效提高云和气溶胶的探测能力［6-11］。近年来，多台不同测量原理的偏振载荷搭载在同一卫星观测平台，通过优势互补进而获取更高质量的数据产品，成为偏振遥感技术的发展热点。

国际上，HARP-2+SPEXone/PACE 两偏振载荷团队［12］和SCAN POL+MSIP/Aerosol-UA［13-14］偏振载荷团队都提出了进行同平台偏振仪器交叉定标的构想。Aerosol-UA 集成了偏振扫描仪（Polarization Scanner，PS）和偏振探测仪（Multi Spectral Imaging Polarimeter，MSIP），并进行了一体化设计。在国内，大气环境监测卫星上配置了5 台有效载荷，是国内首次同时采用主动激光、多角度、偏振、多光谱和高光谱等多种探测手段，实现对大气环境的高精度综合探测。对于国际首次采用的主被动结合探测体制的效能、协同观测及数据融合方法，需要在卫星发射前，在地面利用航空校飞的方式进行多载荷综合协同观测实验验证，以提高卫星发射入轨后的应用效能。中科院安徽光学精密机械研究所联合中科院遥感所偏振应用团队提出“偏振交火”概念［15-16］，以多角度偏振探测仪（Directional Polarimetric Camera，DPC）［17-19］为主获取高精度气溶胶综合探测参数。然而，DPC 的设计针对特定轨道高度，通过光楔运动补偿实现像元配准，需要稳定的卫星平台，导致DPC 的像元配准方案难以在航空平台实现。因此，在飞行实验中，将DPC 替换为同时偏振相机（Simultaneous Imaging Polarization Camera，SIPC），SIPC 通过框幅式成像覆盖高精度偏振扫描仪（Particulate Observing Scanning Polarimeter，POSP）［20-21］幅宽，POSP 获取的高精度探测信息可以传递到SIPC，进而提高SIPC 的偏振探测能力。

本文针对同平台偏振仪器航空观测数据，在简要介绍双偏振仪器工作原理的基础上，较详细描述了其系统组成、数据预处理、视场匹配和偏振交叉定标方法，并评估和展示了部分校飞实验结果，可为仪器的性能评估和下一步的星载数据应用提供支持。

1 仪器组成与数据预处理方法

两偏振仪器安装在同一基板上，其系统组成框如图1 所示。

图1 同平台偏振仪器组成框Fig.1 Block diagram of polarization instruments on the same platform

同平台偏振仪器由双偏振探测主控单元、POSP光机头部、SIPC、驱动控制箱、热控仪和惯导等单元构成。主控单元控制系统工作流程，完成指令接收与译码、遥测采样和科学数据的存储；驱动控制箱中探测器温控用于抑制POSP 红外测量通道的暗电流；电机驱动用于驱动控制扫描电机；热控仪用于控制POSP 光机头部各组件和SIPC 的工作温度，保证温度敏感部组件的正常工作；本次航空校飞选用XW-GI 7660惯性导航单元，可提供多参数导航信息。同平台偏振仪器的主要技术指标见表1。

表1 同平台偏振仪器主要技术指标Tab.1 Main technical indexes of polarization instruments on the same platform

1.1 POSP 测量模型

POSP 采用分孔径与分振幅结合的同时偏振测量方法，可获得4 个不同振动方向（0°、90°、45°和135°）的线偏振光，进而解析出目标线偏振态的前3 个Stokes 参量（I，Q，U）。POSP 光学系统由前置正交扫描镜组、望远系统组件、Wollaston 棱镜、分色片组件、聚焦镜组件、滤光片及双元探测器等构成，其测量模型可表示为［22］

式中：S0和S90、S45和S135为POSP 暗参考校正后同一波段4 个偏振方向的数字DN 值；K1为S0和S90通道内相对响应；K2为S45和S135通道内相对响应；ε1、ε2为Wollaston 棱镜方位角偏差；

α1、α2为Wollaston 棱镜的消光系数，可表示为

式中：e1、e2为Wollaston 棱镜的消光比；qinst、uinst为POSP 自身的起偏量；ξ(p)包含被测目标的偏振信息，需迭代求解。

1.2 SIPC 测量模型

SIPC 检偏方向分别为0°、45°和90°，其偏振测量模型可表示为［23］

式中 ：I0=RD0/Ar、I45=RD45/ArK1和I90=RD90/ArK2为暗背景和绝对辐射定标系数校正后的三检偏方向的信号值，RD0、RD45和RD90为同一波段不同测量通道扣除暗背景后的信号值，K1为0°和45°偏振方向增益系数，K2为0°、90°偏振方增益系数，Ar为绝对辐射定标系数；γ、τ为各检偏方向线偏振片的退偏因子。

1.3 数据预处理方法

同平台双偏振仪器需对原始探测数据进行分类、解析和筛选，这是获取准确探测信息不可或缺的重要步骤。

1.3.1 POSP 数据预处理方法

1）POSP 原始数据校验包括仪器工作状态、平台参量和偏振通道测量有效性检测；2）原始数据校正主要包括暗背景的扣除、增益校正和红外测量通道的温度校正；3）结合数字高程模型和仪器安装矩阵，将探测数据中的时间码与惯性导航系统GPS 时间码进行匹配，获取POSP 每个扫描点探测器指向矢量投影的经纬度和高度信息；4）根据偏振和辐射定标系数，通过POSP 测量模型获取测量目标的光谱偏振辐射信息。

1.3.2 SIPC 数据预处理方法

1）对SIPC 采集图像的数量、各偏振测量通道的有效性、仪器工作状态和平台参量进行检验和筛选；2）对原始图像按照增益进行分类和本底扣除，并完成均匀性和一致性校正；3）通过图像配准方法对SIPC 三测量通道数据进行配准，消除其视场差异对偏振辐射信息解析的影响；4）结合数字高程模型和仪器安装矩阵，将原始图像对应的GPS 时间码与惯性导航系统时间码进行匹配，获取SIPC 每个像元矢量投影的经纬度和高度信息；5）根据偏振和辐射定标系数，通过SIPC 测量模型获取测量目标的光谱偏振辐射信息。同平台偏振仪器数据预处理流程如图2 所示。

图2 同平台偏振仪器数据预处理流程Fig.2 Data preprocessing flow of polarization instruments on the same platform

2 视场匹配及实现

同平台偏振仪器的视场匹配保证2 个仪器获取的探测信息具有相同的观测目标，是2 个仪器交叉定标和地气解耦合交火的前提。2 个仪器视场匹配示意图如图3 所示。航飞实验前对同平台偏振仪器进行了地面验证实验，结果表明，POSP 和SIPC 共有波段获取的偏振辐射数据具有较好的一致性［24］，这为视场匹配提供了数据支持。

图3 同平台偏振仪器视场匹配Fig.3 Field matching diagram of polarization instruments on the same platform

2.1 视场匹配方法

在获取同平台偏振仪器预处理数据基础上，需进一步实现两仪器共有波段数据的视场匹配，为后续定标传递提供输入，具体实现描述如下：1）根据航空平台飞行高度、GSP 时间码和姿态等信息，进行数据匹配；2）POSP 瞬时视场内各位置空间响应具有相同的权重，以此为依据建立拖影权重模板［25］；3）通过权重模板将SIPC 数据重采样，保证两仪器数据具有相同的空间分辨率，再计算POSP 指向矢量与SIPC 待匹配像元间的欧氏距离；4）获取同平台偏振仪器视场匹配位置，并通过GPS 时间码和惯导数据进行校正。视场匹配对应过程如图4所示。

图4 同平台偏振仪器视场匹配过程Fig.4 Field matching process of polarization instruments on the same platform

2.2 视场匹配结果分析

选3 幅连续的SIPC 图像，对同一组POSP 星下点附近11 个采样点数据进行匹配，通过寻找最小欧式距离在像元的位置即可确定匹配结果位置。3 幅SIPC 图像与POSP 数据进行视场匹配的欧式距离热度图以及对应的SIPC 原始图像如图5 所示。从图中可知，3 幅欧式距离热度图中较小的区域均对应原始图像中的山谷，且匹配程度较高区域的移动趋势与航线轨迹趋势一致，说明选取的POSP 匹配采样点视场投影范围与SIPC 连续采样数据视场匹配结果一致。

图5 多幅连续SIPC 图像对同一组POSP 数据进行匹配Fig.5 Matching of multiple continuous SIPC images to the same set of POSP data

进一步选取1、3、5 组不同位置的SIPC 图像与多组POSP 数据进行视场匹配，如图6 所示。从图中可以看出，POSP 星下点中心位置集中分布在SIPC 425 行、630 列附近，同时图中存在个别离散点，即误匹配点，导致误匹配的主要原因是地表特征变化不明显，如图6（b）所示。误匹配结果选取的为海洋数据，地表的均匀性较强，难以通过比较欧式距离大小的方法选取一致性最强的像元作为视场匹配结果。因此，为提高视场匹配方法的灵敏度，增加视场匹配结果的可信度，一般须选取地物特征丰富的数据进行视场匹配，避免多个位置的一致性程度相似对匹配结果造成影响。

图6 多幅连续SIPC 图像对同多组POSP 数据进行匹配Fig.6 Matching of multiple continuous SIPC images to multiple sets of POSP data

对于视场匹配结果的验证，使用连续多个POSP 星下点投影视场范围内的SIPC 像元数据与拖影权重模板进行加权卷积，得到与POSP 星下点分辨率一致的SIPC 加权结果，再将这些结果与对应的POSP 星下点采样数据进行相关性验证。由于不能确定准确的POSP 星下点位置与相机像元位置的对应关系，在进行SIPC 像元数据加权卷积时，将图6（a）中匹配结果主要分布区域内的每一个像元都作为起始像元位置，对每个起始像元位置得到的SIPC 加权卷积结果都与POSP 数据作相关性系数计算，得到如图6（c）所示的相关性系数热度分布图。图中的每个坐标分别对应不同的起始位置像元，从相关性系数的分布趋势中可以看出相关性最高的位置集中在匹配结果的中心区域，因此选取相关性最大的像元起始位置作为准确的参考视场匹配结果（425 行，630 列），其相关性系数为0.997。多组匹配位置与参考位置的平均绝对误差约为0.12 个POSP 像元。

3 偏振交叉定标方法及实现

3.1 偏振交叉定标方法

由SIPC 测量模型可得［23］

可以通过POSP 探测的IPOSP、qPOSP和uPOSP对空间响应匹配后SIPC 对应像元的Ar、K1和K2进行定标，可表示为

式中：Ar、K1和K2为POSP 与空间响应匹配后SIPC对应像元的交叉定标系数。

POSP 与SIPC 对应通道交叉定标流程如图7所示，主要过程简述如下：1）通过同平台偏振仪器采样时刻时间码，筛选两仪器相近时刻采样数据；2）完成两仪器的视场匹配；3）以POSP 的IPOSP、qPOSP和uPOSP为基准，通过式（6）得到SIPC 的交叉定标系数，完成定标传递。

图7 POSP 与SIPC 对应通道交叉定标流程Fig.7 Cross calibration process of the corresponding channels of POSP and SIPC

3.2 偏振交叉定标结果分析

2019 年3 月在N38.92°～N41.12°，E119°～E121°范围内，进行了航空校飞实验，共获取了5 个架次的有效实验数据，航线上涵盖了海洋、海岸线、山地和平原等多种典型地表，飞行航线如图8 所示。

图8 航空校飞实验航线Fig.8 Aircraft’s course of the in-flight experiment

选取多组同平台偏振仪器星下点数据计算交叉定标系数，进一步取计算结果的均方根值作为航空定标传递系数，结果见表2。

表2 航空交叉定标系数结果Tab.2 Results of the in-flight cross calibration coefficients

为了验证交叉定标系数的有效性和准确性，将其应用于SIPC 测量模型，计算辐亮度和偏振度，并与POSP 对应波段的偏振解析结果进行对比。对比结果如图9 所示。2 个仪器的辐亮度偏差ΔL=100×(LSIPC-LPOSP)/LPOSP、偏振度偏差 ΔP=PSIPC-PPOSP。

图9 同平台偏振仪器交叉定标结果Fig.9 Cross calibration results of polarization instruments on the same platform

从图9 可以看出，海洋数据的辐亮度相对较低而偏振度较高，陆地数据则相反，670 nm 通道两仪器星下点数据变化趋势具有较好的一致性，进一步通过数据偏差的均方根值评估其一致性。结果表明，陆地地表SIPC 相对于POSP 的辐亮度偏差为2.537 2%，偏振度偏差为0.012 5；海洋地表SIPC 相对于POSP 的辐亮度偏差为9.284 1%，偏振度偏差为0.042 5。陆地数据的一致性优于海洋，主要是由于SIPC 陆地数据的视场匹配精度和信噪比高于其海洋数据。

4 结束语

本文针对同平台偏振仪器航空校飞实验的原理、仪器组成、数据预处理、视场匹配和偏振交叉定标方法进行介绍，并评估和展示了部分实验结果，通过校飞实验，初步验证了偏振交火技术方案的可行性，突破了高精度偏振扫描仪与偏振相机之间非等权重像元匹配的关键技术，完成了非均匀校正场的在轨辐射与偏振交叉定标，实现了高精度偏振扫描仪对偏振相机的辐射定标系数、偏振定标系数的交叉定标传递，初步显示了同平台偏振仪器的应用潜力，积累了实验经验和数据，有助于大气环境卫星发射后及早投入应用。