隨著人們?cè)谧匀画h(huán)境變化、太空資源探索、軍事目標(biāo)發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求顯著增加,對(duì)遙感儀器的探測(cè)能力提出了越來(lái)越高的要求,新型的偏振光譜遙感技術(shù)——偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)(Polarimetric Spectral Intensity Modulation,PSIM)得到了研究人員的廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的光譜信息獲取技術(shù),PSIM技術(shù)獲得的偏振信息能提供更加豐富的目標(biāo)信息,在云與大氣氣溶膠探測(cè)、天文觀測(cè)、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)資源勘探等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。PSIM技術(shù)是偏振光譜測(cè)量領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),最早由日本學(xué)者Oka和美國(guó)學(xué)者Iannarilli等人于20世紀(jì)90年代末提出,其可在紫外(UV)至長(zhǎng)波紅外(LWIR)波段范圍內(nèi),對(duì)遙感目標(biāo)的全部偏振光譜信息實(shí)現(xiàn)快照式同時(shí)獲取,在偏振光譜遙感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)目標(biāo)偏振信息的測(cè)量精度要求較高(如在大氣遙感探測(cè)領(lǐng)域,要求線偏振度測(cè)量精度達(dá)到0.5%),偏振光譜強(qiáng)度模塊作為PSIM技術(shù)的核心部件,其偏振參數(shù)誤差將直接影響通道型偏振光譜遙感儀器的測(cè)量精度與穩(wěn)定性,限制PSIM技術(shù)的工程化應(yīng)用和相應(yīng)遙感數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用。然而,目前關(guān)于如何分析與修正偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊關(guān)鍵參數(shù)誤差的影響,缺乏系統(tǒng)性的研究,相關(guān)工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。針對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊的誤差分析與修正問(wèn)題,本論文完成的主要研究工作如下:在深入研究偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)理論后,通過(guò)分析PSIM技術(shù)的完整測(cè)量過(guò)程,總結(jié)出影響偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊測(cè)量精度與穩(wěn)定性的兩大因素:偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊中多級(jí)波片的方位角誤差和相位延遲量誤差,并利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊的測(cè)量精度與穩(wěn)定性,針對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊的加工裝調(diào)和航天應(yīng)用全過(guò)程,分析總結(jié)多級(jí)波片偏振誤差的來(lái)源和特性,提出了如下偏振誤差修正方案:(1)在偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊的實(shí)驗(yàn)室裝調(diào)階段,多級(jí)波片的偏振誤差主要是由相應(yīng)元件的裝調(diào)誤差和加工公差等導(dǎo)致的靜態(tài)系統(tǒng)誤差,為修正該類誤差的影響,提出多級(jí)波片偏振誤差實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與修正技術(shù)。在考慮多級(jí)波片偏振誤差影響的情況下,建立了改進(jìn)的偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模型,并基于此模型提出了改進(jìn)的多級(jí)波片偏振誤差標(biāo)定技術(shù),該技術(shù)充分利用傳統(tǒng)參考光標(biāo)定方法得到的復(fù)數(shù)結(jié)果,運(yùn)用之前一直被忽略的幅值信息準(zhǔn)確標(biāo)定方位角誤差,同時(shí)方位角誤差標(biāo)定結(jié)果可用于相位延遲量標(biāo)定結(jié)果的校正,該技術(shù)具有更高的標(biāo)定效率,更加適用于多級(jí)波片偏振誤差的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定。此外基于改進(jìn)的偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模型和多級(jí)波片偏振誤差標(biāo)定結(jié)果,提出一種多級(jí)波片偏振誤差修正技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)波片方位角誤差和相位延遲量誤差的算法補(bǔ)償。運(yùn)用該修正技術(shù)后,在偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊的裝調(diào)過(guò)程中,無(wú)需對(duì)多級(jí)波片進(jìn)行精密調(diào)整,可在保證偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊測(cè)量精度的同時(shí),有效降低其裝調(diào)難度,節(jié)約儀器研制成本。(2)在通道型偏振光譜遙感儀器長(zhǎng)期在軌運(yùn)行過(guò)程中,多級(jí)波片的方位角誤差和相位延遲量誤差主要是由機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)、元件應(yīng)力釋放等綜合因素導(dǎo)致的緩慢變化的系統(tǒng)誤差,為修正該類誤差的影響,提出多級(jí)波片偏振誤差在軌周期性標(biāo)定技術(shù)。考慮到在軌運(yùn)行儀器提供的標(biāo)定條件精度有限,在分析實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定技術(shù)在軌應(yīng)用局限性的基礎(chǔ)上,通過(guò)推導(dǎo)不同偏振相角的參考光標(biāo)定結(jié)果解析表達(dá)式,提出一種簡(jiǎn)便、易行的多級(jí)波片偏振誤差在軌周期標(biāo)定技術(shù)。在參考實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定技術(shù)得到的多級(jí)波片偏振誤差結(jié)果的基礎(chǔ)上,該技術(shù)只需要借助其他任意的輻射源(如反射的太陽(yáng)光),利用一片輔助偏振片相對(duì)旋轉(zhuǎn)45°后產(chǎn)生的兩束線偏振光,即可完成多級(jí)波片方位角誤差和相位延遲量的標(biāo)定。該技術(shù)具有簡(jiǎn)便、易行的突出優(yōu)勢(shì),適用于通道型偏振光譜遙感儀器在軌運(yùn)行過(guò)程中的周期性校正,可有效保障遙感儀器滿足長(zhǎng)時(shí)間的高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量技術(shù)指標(biāo)要求。(3)在通道型偏振光譜遙感儀器在軌測(cè)量過(guò)程中,多級(jí)波片相位延遲量參數(shù)易受環(huán)境溫度變化影響,產(chǎn)生相對(duì)較小的相位延遲量隨機(jī)誤差,為降低環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊測(cè)量精度與穩(wěn)定性的影響,提出多級(jí)波片實(shí)時(shí)相位延遲量自適應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)。通過(guò)分析多級(jí)波片偏振誤差對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模型的作用形式,運(yùn)用實(shí)部、虛部分離的思想,充分利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果(在軌標(biāo)定結(jié)果亦適用),提出一種多級(jí)波片相位延遲量在軌自適應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)僅利用待測(cè)目標(biāo)光即可完成多級(jí)波片實(shí)時(shí)相位延遲量自適應(yīng)校準(zhǔn),有效降低環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊測(cè)量精度與穩(wěn)定性的影響。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行相位延遲量自適應(yīng)校準(zhǔn)的過(guò)程,可免疫多級(jí)波片方位角誤差的影響,在保證偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)通道型偏振光譜遙感儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定和自適應(yīng)校正,有效保證該類型儀器的測(cè)量精度與穩(wěn)定性,對(duì)偏振光譜遙感數(shù)據(jù)的精確獲取具有重要意義。本文提出的偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制模塊關(guān)鍵參數(shù)(方位角和相位延遲量)誤差影響模型、多級(jí)波片的偏振誤差標(biāo)定及修正技術(shù)對(duì)完善PSIM技術(shù)的理論基礎(chǔ)和建立通道型偏振光譜遙感儀器的誤差分析及補(bǔ)償體系具有重要意義,有助于推動(dòng)同類型儀器的工程化應(yīng)用及其偏振光譜遙感數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：
長(zhǎng)的應(yīng)用需求，目前已有學(xué)者開(kāi)展了初步的探索研究工作，在目標(biāo)探測(cè)、植被指數(shù)反演等應(yīng)用中嘗試將光譜信息與偏振信息相結(jié)合，利用多維信息進(jìn)行聯(lián)合反演，有效提高目標(biāo)的探測(cè)精度、顯著提高目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確度[28-38]。桂林航天工業(yè)學(xué)院聯(lián)合北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所等國(guó)內(nèi)外多家單位，開(kāi)展了偏振光譜信息在水面目標(biāo)、積雪和植被指數(shù)探測(cè)中的應(yīng)用研究。針對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)遙感中，水的強(qiáng)烈鏡面反射和角度選擇性使探測(cè)器飽和或反射率過(guò)低而難以提取有效信息；雪的強(qiáng)反射性和表面敏感性使傳感器難以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行直接探測(cè)；植被指數(shù)監(jiān)測(cè)方法在不同反射強(qiáng)度下，其精度和有效性難以保證等難題，提出利用地物遙感偏振信息實(shí)現(xiàn)高信息-背景反差比濾波，通過(guò)將水面反射的太陽(yáng)耀光從探測(cè)器獲得的強(qiáng)度信息中有效剝離，大大提高水面目標(biāo)、積雪和植被指數(shù)的遙感探測(cè)識(shí)別能力，解決一般光學(xué)遙感中水體、積雪的不可測(cè)量問(wèn)題，突破植被強(qiáng)光反射條件下無(wú)法精細(xì)監(jiān)測(cè)的瓶頸。
陽(yáng)耀光從探測(cè)器獲得的強(qiáng)度信息中有效剝離，大大提高水面目標(biāo)數(shù)的遙感探測(cè)識(shí)別能力，解決一般光學(xué)遙感中水體、積雪的不可植被強(qiáng)光反射條件下無(wú)法精細(xì)監(jiān)測(cè)的瓶頸。目標(biāo)的強(qiáng)度圖像與偏振度圖像效果對(duì)比，左：不同波長(zhǎng)的反射強(qiáng)度圖像不同波長(zhǎng)的偏振度圖像Comparison of images of the target on the water. Left: Intensity images inwavelength; Right: Degree of polarization images in vatious wavelength
圖 1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的樣本圖Figure 1.4 Images of samples used in experiments.A B圖 1.5 不同植被樣本在 670nm 的反射分布對(duì)比omparison of distribution of reflection indensity at 670nm of different vsamples.
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本文編號(hào)：
2855434
