一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置

1.本发明涉及卫星定标校验技术领域，具体是一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置。


背景技术：

2.相较于传统的强度(标量)观测，偏振探测对大气气溶胶微物理和光学特性更为敏感，且对地表偏振贡献相对不敏感。因此，可以通过偏振探测方式实现对大气气溶胶综合参数的高精度探测。目前偏振遥感已成为国际上的研究热点，美国、欧洲等国家和地区已相继发射或计划发射多种型号偏振载荷。如欧洲空间局(esa)发展的新一代多角度多光谱多偏振成像仪(3mi)，该偏振遥感器继承了polder的设计理念，并计划搭载在第二代欧洲气象卫星(metop-sg)上。此外，还包括美国未成功发射入轨的aps，以及即将发射的harp、mspi，荷兰即将发射的spex等，均是近年来发展的经典偏振遥感器。国内在轨的偏振遥感器主要有中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的云与气溶胶探测仪(capi)，中国科学院上海技术物理所研制的多角度偏振探测仪(mai)和中国科学院安徽光学精密机械所研制的多角度偏振成像仪(dpc)、偏振扫描大气校正仪(psac)等。
3.偏振精度是偏振测量的关键因素之一，国际上普遍认为星载偏振遥感器的偏振测量精度优于0.005将具有较高的灵敏度，可显著提高气溶胶反演精度。偏振定标则是偏振信息定量化应用的基础，也是仪器偏振测量精度的有效保证。偏振定标是建立偏振遥感器输出与已知入射光偏振态之间的定量关系，也是确定偏振遥感器矢量辐射传输物理参数的过程。由于卫星发射和在轨运行所处的环境错综复杂，星载仪器性能衰变在所难免。对于polder等绝大部分未配置星上偏振定标器的偏振遥感器来说，发射后的偏振定标主要依赖于自然场景的偏振辐射特性计算，偏振定标或验证精度较难满足高精度偏振遥感需求；而psac是国际上首台配置有星上偏振定标器并成功在轨运行的偏振遥感器，作为一种新型的偏振载荷，现有的偏振定标方法和装置均不能良好地应用到psac的星上偏振定标中。为此需要一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置用于针对性地解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种偏振遥感器在轨偏振定标方法,所述定标方法包括如下步骤：
7.步骤一：为偏振遥感器配备零偏振定标器和线偏振定标器；
8.步骤二：设定满足偏振定标的地物目标条件阈值，根据所述定标阈值筛选定标像元；
9.步骤三：对于步骤二筛选出来的定标像元，利用零偏振定标器观测信号结合仪器偏振测量模型计算相对增益定标系数k
1λ
、k
2λ
；
10.步骤四：对于步骤二筛选出来的定标像元，利用线偏振定标器观测数据结合仪器偏振测量模型计算仪器双向衰减相关系数αq
λ
、αu
λ
；
11.步骤五：根据步骤三、步骤四计算得到的在轨定标系数，并读取实验室定标系数，根据遥感器测量模型解算目标的偏振信息；
12.步骤六：根据长期利用步骤三、步骤四计算得到的在轨定标系数，监测遥感器在轨偏振辐射性能的稳定性。
13.优选的，所述遥感器每扫描一次星下点均能获得零偏振定标器和线偏振定标器信号。
14.优选的，所述步骤一中的零偏振定标器将对地观测目标光处理为辐射亮度值相等的零偏振光。
15.优选的，所述步骤一中的线偏振定标器将对地观测目标信号处理为辐射亮度值降低、偏振方位角确定的完全线偏振光。
16.优选的，所述步骤二中确定符合偏振定标的地物条件和定标像元的筛选方法为：
17.为避免单粒子异常信号，利用同一波段两个镜筒间辐亮度相等原则，定义单粒子异常阈值为|(s0+s90)/(s45+s135)-1|《threshold_indpart。
18.为避免载荷运行时线偏振定标器和零偏振定标器与星下点所观测目标的不同，需要保证沿轨方向目标均匀性，定义沿轨方向目标均匀性为：
19.std(sx_pre,sx,sx_next)/average(sx_pre,sx,sx_nex)《threshold_unif，x∈{0,90，45,135}，sx为星下点探测器响应。
20.为避免噪声对偏振定标的影响，定义信噪比阈值：sx》threshold_dn，x∈{0,90，45,135},sx为星下点探测器响应。
21.为消除定标器非理想性的影响，需要地物目标偏振度满足：
22.|sqrt(((s0-s90)/(s0+s90))^2+((s45-s135)/(s45+s135))^2)|《threshold_dolp。
23.优选的，所述步骤三中仪器偏振测量模型为：
[0024][0025][0026]
[0027][0028]
式中，dn
aλ
为某波段偏振解析方向为a的通道探测得到的dn值，a
λ
为绝对辐射定标系数，iep
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的总强度，eq
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的q偏振分量，eu
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的u偏振分量，ε1、ε2分别为仪器同一波段的两个偏振棱镜的检偏方位角偏差，αq
λ
、αu
λ
分别为仪器同一波段的两个镜筒的双向衰减相关系数，k
1λ
、k
2λ
分别为仪器同一波段的两个镜筒内相对增益系数，c
12λ
为仪器某波段镜筒间增益系数，qinst
λ
、uinst
λ
为某波段仪器残余偏振。
[0029]
优选的，所述步骤五中实验室定标系数包括：仪器某波段镜筒间增益系数c
12λ
；某波段仪器残余偏振系数qinst
λ
、uinst
λ
；仪器同一波段的两个偏振棱镜的检偏方位角偏差ε1、ε2。
[0030]
一种偏振遥感器在轨偏振定标装置,所述在轨偏振定标装置包括遥感器、零偏振定标器、线偏振定标器，零偏振定标器上安装了与遥感器波段一致的扰偏器阵列，将符合条件的对地目标信号光在孔径内转化为零偏振光，线偏振定标器上安装了与遥感器波段一致的起偏器，将符合条件的对地目标信号光在孔径内转化为完全线偏振光。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0032]
1.本发明一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置的偏振遥感器在轨定标方法为配备星上偏振定标器的在轨定标方法，定标精度和可靠性更优；
[0033]
2.本发明一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置的偏振遥感器在轨定标方法，通过扫瞄镜旋转自动切换观测和定标，不需要复杂的运动装置，可靠性高；
[0034]
3.本发明一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置的偏振遥感器在轨定标方法通过每扫描一圈均可进行一次定标，拓宽了定标数据源，可以轻易获取大样本海量定标数据；
[0035]
4.本发明在轨偏振定标方法及装置的偏振遥感器在轨定标方法能够大幅缩短定标周期，提高定标频次；
[0036]
5.本发明在轨偏振定标方法及装置的偏振遥感器定标方法无需外场试验，有效节省了人力物力。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明在轨偏振定标方法及装置的定标器安装位置图；
[0039]
图2是本发明在轨偏振定标方法及装置的步骤流程图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
请参阅图1至图2所示，一种偏振遥感器在轨偏振定标方法及装置，在轨偏振定标装置包括遥感器、零偏振定标器、线偏振定标器。
[0042]
零偏振定标器上安装了与遥感器波段一致的扰偏器阵列，可以将符合条件的对地目标信号光在一定孔径范围内转化为零偏振光。
[0043]
线偏振定标器上安装了与遥感器波段一致的起偏器，可以将符合条件的对地目标信号光在一定孔径范围内转化为完全线偏振光。
[0044]
遥感器每扫描一圈不仅可以获取大范围的对地观测数据，还可以获取零偏振定标器和线偏振定标器出射的与对地目标亮度一致的光信号。
[0045]
经过筛选后的定标器光信号可以作为偏振基准对遥感器进行偏振定标，实时获取新的偏振定标系数。
[0046]
一种偏振遥感器在轨偏振定标方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤一:为偏振遥感器配备零偏振定标器和线偏振定标器；
[0048]
步骤二:设定满足偏振定标的地物目标光信号条件阈值，根据所述定标阈值筛选定标像元；
[0049]
步骤三:对于步骤二筛选出来的定标像元，利用零偏振定标器观测信号结合仪器偏振测量模型计算相对增益定标系数k
1λ
、k
2λ
；
[0050]
步骤四:对于步骤二筛选出来的定标像元，利用线偏振定标器观测数据结合仪器偏振测量模型计算仪器双向衰减相关系数αq
λ
、αu
λ
；
[0051]
步骤五:根据步骤三、步骤四计算得到的在轨定标系数，并读取实验室定标系数，根据遥感器偏振测量模型解算目标的偏振信息；
[0052]
步骤六:根据长期利用步骤三、步骤四计算得到的在轨定标系数，有效监测遥感器在轨偏振辐射性能的稳定性。
[0053]
设定筛选偏振定标器光信号的方法如下：
[0054]
单粒子异常:定标器的探测值会随机出现单粒子异常，表现为单个通道dn值明显升高，其相对标准偏差可达20％以上。利用同一波段镜筒间辐亮度相等原则，定义单粒子异常阈值为：|(s0+s90)/(s45+s135)-1|《threshold_indpart。根据海量数据正常值一般在0.05以下，已发现的异常值在0.2以上，暂确定threshold_indpart＝0.1。
[0055]
沿轨方向均匀性:载荷运行时，线偏振定标器和零偏振定标器与星下点存在半个像元的延时，导致了线偏振定标器和零偏振定标器采集数据时在星下点前一个位置和后一个位置之间，因此需要保证这三个位置场景的均匀性。沿轨方向场景均匀性定义为：std(sx_pre,sx,sx_next)/average(sx_pre,sx,sx_nex)《threshold_unif，x∈{0,90，45,135}，sx为星下点探测器响应。根据海量实测数据暂确定threshold_unif＝0.1。
[0056]
信噪比要求:定义信噪比阈值：sx》threshold_dn，x∈{0,90，45,135},sx为星下点探测器响应。db是表示两个量的比值大小,本身没有单位，对电压或者电流的比值进行换算
时,(a/b)db＝20lg(a/b)；对功率的比值进行换算时,(a/b)db＝10lg(a/b)。偏振遥感器的dn值是电压的数字化，应采用(snrdb)db＝20lg(snr)。仿真得到信噪比35db满足0.0005偏振精度，对应倍数50倍，假设噪声40，暂定threshold_dn＝2000dn值。
[0057]
偏振度要求:星上定标器中的光学器件有格兰棱镜(起偏度99.99％)和退偏器(退偏效果98％)，为消除定标器非理想性的影响，在入射光为自然光时具有最优的效果。定义偏振度要求阈值：|sqrt(((s0-s90)/(s0+s90))^2+((s45-s135)/(s45+s135))^2)|《threshold_dolp。
[0058]
暂定threshold_dolp＝0.025时退偏器出射光可达0.0005的精度，而且在轨样本数也很可观。
[0059]
偏振遥感器偏振测量模型为：
[0060][0061][0062][0063][0064]
式中，dn
aλ
为某波段偏振解析方向为a的通道探测得到的dn值，a
λ
为绝对辐射定标系数，iep
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的总强度，eq
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的q偏振分量，eu
λ
是某波段入射光受仪器偏振效应影响后的u偏振分量，ε1、ε2分别为仪器同一波段的两个偏振棱镜的检偏方位角偏差，αq
λ
、αu
λ
分别为仪器同一波段的两个镜筒的双向衰减相关系数，k
1λ
、k
2λ
分别为仪器同一波段的两个镜筒内相对增益系数，c
12λ
为仪器某波段镜筒间增益系数，qinst
λ
、uinst
λ
为某波段仪器残余偏振。
[0065]
计算偏振信息时，需要读取的实验室定标系数包括：仪器某波段镜筒间增益系数c
12λ
；某波段仪器残余偏振系数qinst
λ
、uinst
λ
；仪器同一波段的两个偏振棱镜的检偏方位角偏差ε1、ε2。
[0066]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0067]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。