CN116105875A - 一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，所述方法包括：构建偏振响应测量模型和背景辐亮度模型，测量目标辐射的Stokes矢量；采用分波段方法，确定遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型；利用光源和偏振起偏系统获取背景辐射测量矩阵；通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数确定，建立内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型；根据偏振遥感器实际运行状态，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型；采用比对测量归一化偏差法，验证背景辐射偏振响应的校正效果。本发明能够有效解决背景辐射导致的偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移的问题，提高偏振测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及遥感器定标数据处理技术领域，尤其涉及一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法。
背景技术
在光辐射偏振定标领域，随着偏振遥感器应用波段的扩展和定标精度要求的提高，对于覆盖短波红外波段(1000-2500nm)的星载、机载等偏振遥感器而言，需要兼顾明、暗目标的探测，必须满足全动态范围的定标，根据高精度大气气溶胶参数反演等应用需求，偏振遥感器的偏振度测量不确定度应优于0.5％。在表观反射率低于5％条件下，背景辐射是影响偏振遥感器短波红外波段偏振定标精度的关键因素。研究表明，在此条件下，背景辐射对短波红外波段偏振定标不确定度的贡献占比高达20％～40％，背景辐射对偏振遥感器短波红外波段的偏振定标不确定度影响贡献最大。因此，必须解决偏振遥感器短波红外波段在表观反射率低于5％的条件下受背景辐射的影响的难题，实现短波红外波段偏振测量精度的提升。
根据矩阵光学理论和辐射度学理论，偏振遥感器的偏振特性参数与目标辐射光束的Stokes参数(I，Q，U)关系为：
β＝arctan(U/Q)/2，其中P为偏振度，β为偏振方位角，I、Q、U分别代表辐射强度、水平/垂直方向偏振、+45°/-45°方向偏振，且Q、U均可通过I进行表达。依据偏振遥感器的测量原理，辐射光强I可使用目标信号光谱辐亮度L与光源表面面积A的乘积表达，即偏振特性参数P和β均可由光谱辐亮度L相关函数表达。由于背景辐射会直接导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移，进而导致偏振遥感器的背景辐射辐亮度Lbkg会直接影响目标信号光谱辐亮度L，因此会影响偏振遥感器的偏振特性参数P和β的测量精度。
目前的偏振测量均针对特定偏振遥感器的定标任务开展，缺乏背景辐射的精确校正方法及定量化分析背景辐射偏振响应的相关研究，因此在偏振遥感器的偏振定标应用中，选择忽略背景辐射引起的偏振响应特性对偏振定标结果的影响。但随着偏振遥感数据定量化应用水平提升的需求，迫切需要解决背景辐射对偏振遥感器短波红外波段在表观反射率低于5％的条件下对偏振定标精度的影响。
按照目前短波红外探测系统的背景辐射抑制水平，偏振遥感器背景辐射偏振响应特性不仅与偏振度、偏振方位角、目标的光谱辐亮度有关，还与其系统自身材料发射率、温度、传输路径等参数直接相关，其规律尚无理论模型和实验研究支持，传统的针对可见近红外波段的定标方法，未考虑背景辐射因素的影响，无法利用现有的偏振辐射矩阵模型解释和校正。
发明内容
本发明目的就是为了克服已有技术的缺陷，本发明提供一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，能够精确测量偏振遥感器短波红外波段背景辐射的偏振响应，并进行背景辐射偏振响应的校正，适用于覆盖短波红外波段偏振遥感器的背景辐射的测量与校正，降低偏振遥感器短波红外波段在表观反射率低于5％的条件下背景辐射对偏振定标精度的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，包括以下步骤：
步骤(1)，偏振遥感器目标辐射光束λ波段的Stokes(Iλ，Qλ，Uλ)与偏振度Pλ和偏振方位角βλ的关系为：
其中，Iλ为偏振遥感器入瞳处的光谱光强，Qλ为水平/垂直方向偏振、Uλ为+45°/-45°方向偏振。
根据矩阵光学理论和辐射传输理论，偏振遥感器入瞳处的光谱光强Iλ使用光谱辐亮度Lλ与光源表面面积A的乘积表达，目标的Stokes矩阵[Iλ，Qλ，Uλ]T使用光谱辐亮度和偏振度、偏振方位角形成新的Stokes矩阵：
步骤(2)，根据辐射传输理论，建立偏振响应与目标偏振度、偏振方位角和光谱辐亮度之间的定量化关系；
步骤(3)，根据红外辐射理论和黑体辐射理论推导偏振遥感器自发辐射引起的背景辐亮度模型是相同工作温度发射率ε的黑体光谱辐亮度、以及其光学元件的光学效率的函数；
步骤(4)，利用三个偏振通道的偏振响应和其测量矩阵
实现Stokes矢量的测量；
步骤(5)，采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，通过积分中值定理，确定遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型；
步骤(6)，利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，获取背景辐射测量矩阵；
步骤(7)，通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数，建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型；
步骤(8)，根据偏振遥感器实际运行状态，以及偏振片和滤光片之间的位置转动关系，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型；
步骤(9)，采用比对测量归一化偏差法，验证背景辐射偏振响应的校正效果。
进一步地，所述步骤(2)中，偏振遥感器响应Sk与其系统绝对光谱响应度r(λk)和入瞳处的光谱辐亮度
之间的关系为：
式中，[λmin,λmax]为偏振遥感器工作谱段，
为各偏振通道检偏器的透过率，
为其它光学元件的透过率，A(αk+kπ/3)为旋转矩阵，αk+kπ/3为各偏振通道(通道号k＝0,1,2)检偏器的透过轴方向与参考坐标系x轴的夹角，
为各偏振通道检偏器消光比，DCk(k＝0,1,2)为各偏振通道探测器测得的本底值。
进一步地，步骤(3)中，假设各偏振通道接收光源表面面积Ak一样，对于遥感器探测系统的光学元件和结构件，当观测目标偏振度变化较小，均为Pλ，同时检偏器的消光比ekλ(ekλ>10000)非常高时，则有：
其中，
式中，
(k＝0,1,2)为偏振遥感器的背景辐射偏振响应，
(k＝0,1,2)为背景辐射产生的光谱辐亮度，ρ为反射率，ε为比辐射率，τ为光学元件的光学效率，η为结构系数，T为温度。
进一步地，所述步骤(4)中，所述偏振遥感器为由三个偏振通道组成的通道型偏振遥感器，实现Stokes矢量的测量，如式(5)所示：
式中，Mkλ(k＝0,1,2)为测量矩阵。
进一步地，所述步骤(5)中采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(6)所示：
式中，
为偏振遥感器的背景辐射响应，
为背景辐射响应测量矩阵，
为第j波段的背景辐射响应，Pbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振度，βbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振方位角。
进一步地，所述步骤(6)中利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，获取背景辐射测量矩阵；测量当参考光源的偏振度P保持不变，初始偏振方位角为β，改变其偏振方位角为β+θ时，其Stokes矢量S0＝[Iθ，Qθ，Uθ]T变化规律如式(7)所示：
通过偏振遥感器待测通道背景辐射偏振响应，求解其测量矩阵，如式(8)所示：
式中，
为参考光源的偏振度P保持不变，偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的偏振遥感器响应；DCn为偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的遥感器本底；Iθi(i＝1,2,…n)为偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的偏振遥感器的光强。
进一步地，所述步骤(7)中通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数，建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型：
式中，CRbkg,λ为相关系数，通过光线模拟软件和系统结构的涂层发射率函数模拟获取。
设计入射光偏振度为1，且其光强不变，确定相关系数与偏振方位角之间的相关系数CRbkg,λ(θ)；偏振遥感器内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(10)所示：
进一步地，所述步骤(8)中偏振遥感器实际运行时，偏振片和滤光片之间不存在相对位置的转动，即滤光片的入射光的光强不变、偏振度为1、偏振方位角是固定状态，则CRbkg,λ(θ)是一个常数，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型如式(11)所示：
其中，
为背景辐射测量矩阵
的逆矩阵。
进一步地，所述步骤(9)中采用比对测量归一化偏差法，验证背景辐射偏振响应的校正效果，包括：
调节光源和偏振起偏系统，分别输出已知参考标准偏振参数的部分偏振光状态，并增加背景辐射偏振参数的部分偏振光状态；通过比对背景辐射偏振响应校正后的偏振度测量值PC与偏振度参考值PM之间的偏差，分析背景辐射偏振响应校正的效果；同时通过比对测量归一化偏差En值验证背景辐射偏振响应校正方法的有效性；
偏振度参考值PM由光谱偏振分析仪实测得到；采用偏振起偏系统测量偏振遥感器获取比对验证测量值PC；通过式(12)比较实测值PC和偏振度参考值PM之间的偏差：
ΔP＝|PM-PC| (12)
式中，△P是偏振遥感器偏振度测量值，PM是偏振度参考值，通过光谱偏振分析仪实测得到，PC是偏振度测量值，通过偏振起偏系统实测得到。
根据测量不确定度合格评定通用比对标准，采用比对测量归一化偏差En值对偏振遥感器的实验测量值PC和偏振度参考值的一致性进行评估，如式(13)所示：
式中，u(P)是光谱偏振分析仪的测量不确定度，u(PV)为偏振遥感器的测量合成不确定度。
本发明的优点是：
通过构建背景辐射与偏振响应之间的数学模型，并采用大动态范围可调偏振态定标技术获取背景辐射的测量矩阵，利用比对测量归一化偏差法验证背景辐射偏振响应校正结果，能够有效解决在表观反射率低于5％的条件下，背景辐射导致的偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移的问题，降低背景辐射产生的偏振效应，提高偏振测量准确性。
附图说明
图1是本发明的通过部分偏振光分析偏振遥感器短波红外波段背景辐射偏振响应特性的实验方案图；
图2是本发明的基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段定标方法流程图；
图3是本发明的偏振遥感器短波红外波段背景辐射偏振响应测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提出一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，根据辐射传输理论，建立偏振响应与目标偏振度、偏振方位角和光谱辐亮度之间的定量化关系；根据红外辐射理论和黑体辐射理论推导偏振遥感器自发辐射引起的背景辐亮度模型；利用三个偏振通道的偏振响应和其测量矩阵
实现Stokes矢量的测量；采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，通过积分中值定理，确定遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型；利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，获取背景辐射测量矩阵；通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数确定，建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型；根据偏振遥感器实际运行状态，以及偏振片和滤光片之间的位置转动关系，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型。通过修正背景辐射偏振响应模型，实现待测通道偏振参数的反演，设计偏振参数测量比对实验进行精度验证。
如图1所示，本发明的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法的定标装置包括光源1、光谱辐亮度计2、偏振起偏系统3、短波红外偏振遥感器4、光谱偏振分析仪5。所述的光源1采用溴钨灯、卤钨灯、白光激光器等宽波段光源，光谱范围能够覆盖短波红外波段，通过利用积分球光谱分布特征，选择定标结果验证波段区间，进行遥感器不同动态范围下定标结果的验证。所述的光谱辐亮度计2为光源辐亮度监视单元，光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于监测光源的辐亮度值。所述的偏振起偏系统3能够实现线偏振度可调，其光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于获取背景辐射测量矩阵。所述的待测偏振遥感器4，其光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于开展背景辐射测量实验。所述的光谱偏振分析仪5的光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于获得偏振度参考值。
如图2所示，本发明的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法具体包括如下步骤：
步骤1，偏振遥感器目标辐射光束λ波段的Stokes为(Iλ，Qλ，Uλ)与偏振度Pλ和偏振方位角βλ的关系为：
其中，Iλ为偏振遥感器入瞳处的光谱光强，Qλ为水平/垂直方向偏振、Uλ为+45°/-45°方向偏振。
根据矩阵光学理论和辐射传输理论，偏振遥感器入瞳处的光谱光强Iλ可使用光谱辐亮度Lλ与光源表面面积A的乘积表达，因此目标的Stokes矩阵[Iλ，Qλ，Uλ]T可使用光谱辐亮度和偏振度、偏振方位角形成新的Stokes矩阵：
式中，Iλ为偏振遥感器入瞳处光谱光强，Lλ为目标光谱辐亮度，A为光源表面面积。
步骤2，根据辐射传输理论，可建立偏振响应与目标偏振度、偏振方位角和光谱辐亮度之间的定量化关系。
由于传统通道型偏振遥感器各偏振通道接收光源表面面积Ak一样时，因此可建立偏振遥感器响应Sk与其系统绝对光谱响应度r(λk)和入瞳处的光谱辐亮度
之间的关系为：
式中，[λmin,λmax]为偏振遥感器工作谱段，
为各偏振通道检偏器的透过率，
为其它光学元件的透过率，A(αk+kπ/3)为旋转矩阵，αk+kπ/3为各偏振通道(通道号k＝0,1,2)检偏器的透过轴方向与参考坐标系x轴的夹角，
为各偏振通道检偏器消光比，DCk(k＝0,1,2)为各偏振通道探测器测得的本底值。
步骤3，根据红外辐射理论和黑体辐射理论推导偏振遥感器自发辐射引起的背景辐亮度模型是相同工作温度发射率ε的黑体光谱辐亮度、以及其光学元件的光学效率的函数。
假设各偏振通道接收光源表面面积Ak一样，对于遥感器探测系统的光学元件和结构件，当观测目标偏振度变化较小，均为Pλ，同时检偏器的消光比ekλ(ekλ>10000)非常高时，则有：
其中，
式中，
(k＝0,1,2)为偏振遥感器的背景辐射偏振响应，
(k＝0,1,2)为背景辐射产生的光谱辐亮度，ρ为反射率，ε为比辐射率，τ为光学元件的光学效率，η为结构系数，T为温度。
步骤4，所述偏振遥感器由三个偏振通道组成的通道型偏振遥感器，传统通道型偏振遥感器利用三个偏振通道的偏振响应和其测量矩阵
实现Stokes矢量的测量，如式(5)所示：
式中，Mkλ(k＝0,1,2)为测量矩阵。
步骤5，采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，通过积分中值定理，获得遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(6)所示：
式中，
为偏振遥感器的背景辐射响应，
为背景辐射响应测量矩阵，
为第j波段的背景辐射响应，Pbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振度，βbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振方位角。
步骤6，为准确建立背景辐射偏振响应数学模型，需要通过正演分析过程测量获得背景辐射测量矩阵，利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，测量背景辐射测量矩阵。背景辐射测量矩阵的测量原理如下，当参考光源的偏振度P保持不变，初始偏振方位角为β，改变其偏振方位角为β+θ时，其Stokes矢量S0＝[Iθ，Qθ，Uθ]T变化规律如式(7)所示：
通过偏振遥感器待测通道背景辐射偏振响应，求解其测量矩阵，如式(8)所示：
式中，
为参考光源的偏振度P保持不变，偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的偏振遥感器响应；DCn为偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的遥感器本底；Iθi(i＝1,2,…n)为偏振方位角为θi(i＝1,2,…n)时的偏振遥感器的光强。
步骤7，外部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型的建立，通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数确定。如果散射光强度空间分布与入射光的偏振态无关，则完全可以通过式(9)建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型：
式中，CRbkg,λ为相关系数，通过光线模拟软件和系统结构的涂层发射率函数模拟获取。
根据偏振遥感器的安装方式，偏振片安装在滤光片之前，因此滤光片的入射光的偏振度接近于1。设计入射光偏振度为1，且其光强不变，确定相关系数与偏振方位角之间的关系式CRbkg,λ(θ)。相应地偏振遥感器内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(10)所示：
步骤8，偏振遥感器实际运行时，偏振片和滤光片之间不存在相对位置的转动，即滤光片的入射光的光强不变、偏振度为1、偏振方位角是固定状态，因此CRbkg,λ(θ)是一个常数，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型如式(11)所示：
其中
为背景辐射测量矩阵
的逆矩阵。
步骤9，为了验证背景辐射偏振响应的校正效果，需要借助于某种手段或方法来测定，将测量结果与规定的参考标准进行比较和评估。设计背景辐射偏振响应校正效果的测量比对试验过程和比对方法如下，调节光源和偏振起偏系统，分别输出已知参考标准偏振参数的部分偏振光状态，和增加背景辐射偏振参数的部分偏振光状态。通过比对背景辐射偏振响应校正后的偏振度测量值PC与偏振度参考值PM之间的偏差，分析背景辐射偏振响应校正的效果；同时通过比对测量归一化偏差En值验证背景辐射偏振响应校正方法的有效性。
具体地，偏振度参考值PM由光谱偏振分析仪实测得到；采用偏振起偏系统测量偏振遥感器获取比对验证测量值PC；通过式(12)比较实测值PC和偏振度参考值PM之间的偏差：
ΔP＝|PM-PC| (12)
式中，ΔP是偏振遥感器偏振度测量值，PM是偏振度参考值，通过光谱偏振分析仪实测得到，PC是偏振度测量值，通过偏振起偏系统实测得到。
具体地，根据测量不确定度合格评定通用比对标准，采用比对测量归一化偏差En值对偏振遥感器的实验测量值PC和偏振度参考值的一致性进行评估，如式(13)所示：
式中，u(P)是光谱偏振分析仪的测量不确定度，u(PV)为偏振遥感器的测量合成不确定度。
本发明中，所述背景辐射的强度空间分布可通过光学软件进行光学仿真、光谱辐射分析，利用光线模拟软件导入偏振遥感器短波红外波段的实体光学模型，通过软件界面自定义偏振光源参数(偏振度、偏振方位角以及光谱辐亮度)，机械结构的涂层发射率函数，设定其它光学元件材质，以及相关的光学参数和光路条件等进行背景辐射的光线追迹，分析模拟背景辐射的强度空间分布。
本发明中，利用积分球光谱分布特征，选择定标结果验证波段区间，进行遥感器不同动态范围下定标结果的验证。积分球光谱范围能够覆盖全太阳反射波段，同时能实现200K～500K黑体光谱辐亮度的宽动态范围、等色温、近线性可调的辐亮度模拟输出。改变积分球辐射单元驱动电流大小，实现积分球的工作色温调节和辐亮度输出动态范围调节，通过调节精密可调光阑，实现等色温宽动态范围的近线性可调。
本发明中，利用光源和偏振起偏系统，可实现部分偏振光和自然光状态输出，可实现背景辐射测量矩阵的测量。偏振起偏系统通过调节偏振起偏系统法线方向与入射光线角度改变出射的偏振度，通过垂直入射光线方向旋转偏振起偏系统实现偏振方位角的调节，如图3所示，其中350nm～2500nm实现偏振度连续调节范围为0～0.72，偏振方位角的调节范围为0～2π。在偏振起偏系统输出端安装高消光比的线偏振片，可将偏振度调节范围扩展为0～1。
本发明中，为准确建立背景辐射偏振响应数学模型，通过正演分析过程测量获得背景辐射测量矩阵，利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，测量背景辐射测量矩阵。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，偏振遥感器目标辐射光束λ波段的Stokes(Iλ，Qλ，Uλ)与偏振度Pλ和偏振方位角βλ的关系为：
其中，Iλ为偏振遥感器入瞳处的光谱光强，Qλ为水平/垂直方向偏振、Uλ为+45°/-45°方向偏振；
根据矩阵光学理论和辐射传输理论，偏振遥感器入瞳处的光谱光强Iλ使用光谱辐亮度Lλ与光源表面面积A的乘积表达，目标的Stokes矩阵[Iλ，Qλ，Uλ]T使用光谱辐亮度和偏振度、偏振方位角形成新的Stokes矩阵：
步骤(2)，根据辐射传输理论，建立偏振响应与目标偏振度、偏振方位角和光谱辐亮度之间的定量化关系；
步骤(3)，根据红外辐射理论和黑体辐射理论推导偏振遥感器自发辐射引起的背景辐亮度模型是相同工作温度发射率ε的黑体光谱辐亮度、以及其光学元件的光学效率的函数；
步骤(4)，利用三个偏振通道的偏振响应和其测量矩阵
实现Stokes矢量的测量；
步骤(5)，采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，通过积分中值定理，确定遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型；
步骤(6)，利用光源和偏振起偏系统依次输出各种偏振态，获取背景辐射测量矩阵；
步骤(7)，通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数，建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型；
步骤(8)，根据偏振遥感器实际运行状态，以及偏振片和滤光片之间的位置转动关系，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型；
步骤(9)，采用比对测量归一化偏差法，验证背景辐射偏振响应的校正效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(2)中，偏振遥感器响应Sk与其系统绝对光谱响应度r(λk)和入瞳处的光谱辐亮度
之间的关系为：
式中，[λmin,λmax]为偏振遥感器工作谱段，
为各偏振通道检偏器的透过率，
为其它光学元件的透过率，A(αk+kπ/3)为旋转矩阵，αk+kπ/3为各偏振通道，检偏器的透过轴方向与参考坐标系x轴的夹角，
为各偏振通道检偏器消光比，DCk为各偏振通道探测器测得的本底值，其中，通道号k＝0,1,2。
3.根据权利要求2所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，步骤(3)中，假设各偏振通道接收光源表面面积Ak一样，对于遥感器探测系统的光学元件和结构件，当观测目标偏振度变化较小，均为Pλ，同时检偏器的消光比ekλ>10000，则有：
其中，
式中，
为偏振遥感器的背景辐射偏振响应，
为背景辐射产生的光谱辐亮度，ρ为反射率，ε为比辐射率，τ为光学元件的光学效率，η为结构系数，T为温度，k＝0,1,2。
4.根据权利要求3所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述偏振遥感器为由三个偏振通道组成的通道型偏振遥感器，实现Stokes矢量的测量，如式(5)所示：
式中，Mkλ为测量矩阵，k＝0,1,2。
5.根据权利要求4所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(5)中采用分波段方法，将背景辐射光谱范围划分为多个波段，遥感器内部系统引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(6)所示：
式中，
为偏振遥感器的背景辐射响应，
为背景辐射响应测量矩阵，
为第j波段的背景辐射响应，Pbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振度，βbkgj为第j波段的背景辐射产生的偏振方位角。
6.根据权利要求5所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(6)中，测量当参考光源的偏振度P保持不变，初始偏振方位角为β，改变其偏振方位角为β+θ时，其Stokes矢量S0＝[Iθ，Qθ，Uθ]T变化规律如式(7)所示：
通过偏振遥感器待测通道背景辐射偏振响应，求解其测量矩阵，如式(8)所示：
式中，
为参考光源的偏振度P保持不变，偏振方位角为θi时的偏振遥感器响应；DCn为偏振方位角为θi时的遥感器本底；Iθi为偏振方位角为θi时的偏振遥感器的光强，i＝1，2，…n。
7.根据权利要求6所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(7)中，通过外部背景辐射与内部背景辐射之间相关系数确定，建立偏振遥感器短波红外波段内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型为：
式中，CRbkg,λ为相关系数，通过光线模拟软件和系统结构的涂层发射率函数模拟获取；
设计入射光偏振度为1，且其光强不变，确定相关系数与偏振方位角之间的相关系数CRbkg,λ(θ)；偏振遥感器内部背景辐射引起的背景辐射偏振响应数学模型如式(10)所示：
8.根据权利要求7所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(8)中，偏振遥感器实际运行时，偏振片和滤光片之间不存在相对位置的转动，即滤光片的入射光的光强不变、偏振度为1、偏振方位角是固定状态，则CRbkg,λ(θ)是一个常数，建立基于背景辐射校正后的偏振度的反演改进模型如式(11)所示：
其中，
为背景辐射测量矩阵
的逆矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法，其特征在于，所述步骤(9)采用比对测量归一化偏差法，验证背景辐射偏振响应的校正效果，包括：
调节光源和偏振起偏系统，分别输出已知参考标准偏振参数的部分偏振光状态，并增加背景辐射偏振参数的部分偏振光状态；通过比对背景辐射偏振响应校正后的偏振度测量值PC与偏振度参考值PM之间的偏差，分析背景辐射偏振响应校正的效果；同时通过比对测量归一化偏差En值验证背景辐射偏振响应校正方法的有效性；
偏振度参考值PM由光谱偏振分析仪实测得到；采用偏振起偏系统测量偏振遥感器获取比对验证测量值PC；通过式(12)比较实测值PC和偏振度参考值PM之间的偏差：
△P＝PM-PC (12)
式中，△P是偏振遥感器偏振度测量值，PM是偏振度参考值，通过光谱偏振分析仪实测得到，PC是偏振度测量值，通过偏振起偏系统实测得到；
根据测量不确定度合格评定通用比对标准，采用比对测量归一化偏差En值对偏振遥感器的实验测量值PC和偏振度参考值的一致性进行评估，如式(13)所示：
式中，u(P)是光谱偏振分析仪的测量不确定度，u(PV)为偏振遥感器的测量合成不确定度。
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| CN116626255A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 深圳市天地互通科技有限公司 | 一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端 |
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