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1、独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：大丨 5 年 S 月对曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入
2、有关数据库进行检 索，可以采用影印 .缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字曰期： 9丨 5年 polarization calibration; polarization light source; degree of linear polarization m s . i ABSTRACT . H a m . iv 第 i章绪论 . i i.i可调偏振度参考光源及其在偏振定标中的应用 . 1 l.i.i偏振遥感定量化应用要求 . 1 1.1.2偏振定标的方法 . 5 1.1.3可调偏振度参考光源在偏振定标中的
3、具体应用 . 9 1.2偏振光源的技术进展调研 . 13 1.2.1法国 POLDER偏振光源 . 13 1.2.2可调偏振度光源 （ VPOLS) . 14 1.3论文研究内容 . 15 1.3.1研究问题的提出 . 15 1.3.2论文主要研究内容 . 17 第 2章 VPOLS-II的研制 . 18 2.1总体方案 . 18 2.2偏振度调节原理 . 18 2.3入射光源的组成 . 20 2.3.1超连续白光激光器 . 21 2.3.2可调滤波器 . 21 2.3.3激光功率控制器 . 22 2.3.4积分球和扩束器准直系统 . 22 2.4偏振态调节器的设计 . 23 2.4.1平板玻
4、璃 . 24 2.4.2偏振态调节器盒体 . 24 2.4.3转动机构 . 26 2.5本章小结 . 27 第 3章 VPOLS-I1的安装与检测 . 29 3.1平板玻璃的安装和调整 . 29 IV 3.1.1盒体轴线垂直度检测 . 29 3.1.2玻璃安装面与盒体轴线垂直度的调整 . 30 3.2 VPOLS-II的装调精度检测 . 31 3.2.1平板玻璃的装调精度检测 . 31 3.2.2盒体的装调精度检测 . 32 3.3 VPOLS-II偏振度检测 . 33 3.4本章小结 .35 第 4章 VPOLS-II的不确定度分析 . 36 4.1不确定度分析 .36 4.1.1平板玻璃折
5、射率 . 36 4.1.2平板玻璃的吸收 . 38 4.1.3角度误差 . 39 4.1.4参考光源非稳定性 . 40 4.1.5参考光源平行度 . 43 4.2比对验证 .43 4.3本章小结 .45 第 5章总结与展望 . 46 5.1个人独立完成的工作 .47 5.2 臟 . 48 _想 . 50 m M . 54 攻读学位期间发表的学术论文 . 56 第 1章绪论 1.1可调偏振度参考光源及其在偏振定标中的应用 地球表面和大气中的目标在反射、散射和透射及发射电磁辐射的过程中，会 产生由它们自身性质决定的特征偏振特性，蕴涵着大量新的、潜在信息 1。偏振 遥感正是在获取目标反射、折射或散射
6、光的辐亮度、光谱等信息的同时，可获得 目标的偏振信息，从而把信息量从三维（光强、光谱和空间 ） 扩充到七维 （ 光强、 光谱、空间、偏振度、偏振方位角、椭圆度和 旋转方向），为全面、深入地感知 目标特性提供了手段，是对传统遥感的 个有益补充，在军事侦察、气溶胶和云 物理参数反演、全球气候变迁机理、对地遥感和天文研究等方面发挥着重要作用 2-4 光的偏振态是电磁波作为三维横波的 种矢量特性，通常可用 Jones矢量和 Stokes矢量 5进行定量化地表述。由于实际遥感目标偏振态有完全偏振光、部分 偏振光和自然光状态，而 Jones矢量仅能描述完全线偏振光状态，实际应用时受 到限制。偏振遥感中通常
7、采用 Stokes矢量表述目标偏振态的传输特性，它可以完 备地描述完全偏振光、部分偏振光和自然光状态。理论上遥感器的偏振响应特性 可以用 Mueller矩阵进行完备和定量化的描述。通过 Stokes矢量和 Mueller矩阵 可以精确地获取目标的反射、透射或散射光偏振态在遥感器中的传播规律。 目前，偏振遥感探测 般 通过目标的反射、透射或散射光强度的测量获取目 标偏振态，再通过偏振信息解译，对目标性质状态信息进行反演。在对目标性质 状态信息进行反演时，需要偏振光学遥感器获取目标的定量化偏振信息支持。 为了准确获取目标的偏振信息，需要开展偏振光学遥感器的高精度偏振定标，校 正或消除遥感器自身产生
8、的偏振信号 偏振定标主要应用于偏振光学遥感器的定量化应用，其目的是确定偏振光学 遥感器最终输出量与已知的入射偏振辐射量基准 （ Stokes矢量）之间的定量化关 系 8。从理论上来讲，可以用 Mueller矩阵对遥感器的偏振响应特性进行完备和 定量化的描述，而定标参考光源的偏振状态可用 Stokes参量来表示。因而偏振 定标的主要技术内容是通过对遥感器输入 个已知偏振信号的 “ 标准 ” 偏振光源， 根据其输出求解遥感器的 Mueller矩阵 9，验证 偏振定标的结果。偏振光学遥感 器的Mueller矩阵 1)可通过遥感器的输出求解，输入的参考光源为自然光或完全 线偏振光。偏振光学遥感器定标精
9、度的验证 11，主要通过输入为偏振度已知且连 续可调的线偏振光的参考光源来实现。 1.1.1偏振遥感定量化应用要求 遥感的定量化是遥感研究的永恒主题 12。随着国际遥感定量化技术的迅速发 展，特别是利用定量化的偏振遥感信息分析全球大气环境、气候变化日益被重视 13。偏振遥感定量化 14是指对偏振光学遥感器进行偏振定标后，通过 定的实 验或物理模型，建立观测目标参量与偏振遥感数据之间的联系，实现观测目标遥 感信息定量化反演的技术和方法。 以全球气候变化研究为例，首先需要对偏振光学遥感器进行高精度的偏振定 标，以获取高精度的地球 -大气系统的光散射强度、偏振度和偏振方位角等多维 基础信息数据，实现
10、气溶胶粒子分布和微观物理特性反演，通过定的物理模型 预测全球气候变化。根据法国偏振光学遥感器 POLDER/PARASOL115的多年运行 效果，国际遥感界建议：偏振光学遥感器的偏振测量精度应优于 0.5%,才能实 现气溶胶粒子分布和微观物理特性反演的 要求 16。 根据遥感平台的不同，偏振遥感监测可分为天基遥感和地基遥感。天基遥感 是以卫星、飞机等为遥感平台，地基遥感则是以地面为主要遥感平台。从长远角 度来看，建立偏振度和偏振方位角基准对偏振遥感定量化应用的提升非常关键， 其主要作用表现为：统一不同平台、不同偏振光学遥感器的偏振量化标准，使不 同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和
11、融合。 在天基遥感方面：近年来我国各种天基非偏光学遥感器和偏振光学遥感器得 到了迅速发展，自 2013年我国卫星的发射数量已跃居前列。卫星所处的轨道平 面也极为丰富， 卫星携带遥感器质量也有很大的提高，例如风云二号气象卫星等 位于赤道轨道平面；多角度偏振相机 （ Directional Polarimetric Camera) 171、风 云 号气象卫星等均位于极地轨道平面。 随着卫星数量和质量的提升，必然要求天基遥感器在不同时空间条件下进行 遥感信息比对、转换和融合，实现遥感定量化应用水平的进 步提升。宽视场非 2 图 1.1卫星轨道示意图 Figure 1.1 Sketch map of
12、satellite trajectory 偏振光学遥感器实际运行时，数据获取精度受到其自身偏振敏感性的影响，会产 生系统误差直接影响到其定量化应用 18，因此在研制过程中需要对此类遥感器进 行偏振敏感性检测和校正，例如超高分辨率辐射计 AVHRR要求对于非偏 振光的偏振敏感性应低于 7%。偏振敏感性引起的测量系统误差是偏振敏感性数 值与目标偏振度的乘积。特定目标例如海水反射光的偏振度通常在 0.2左右（海 水耀斑除外，约为 0.5-0.8),为了保证偏振敏感性引起的辐射测量精度影响低于 0.5%，通常要求海洋水色光学遥感器的偏振敏感性小于 2%2|。 实际上，由于海水耀斑高偏振度的作用，偏振敏
13、感性对辐射测量精度的影响 不可忽视，此时可通过偏振光学遥感器对海洋水色 光学遥感器进行起偏度校正 22-23，如式 （ 1.1)所示。例如法国多角度偏振成像仪 POLDER,对地球观测卫 星 EOS系列中的水星 Aqua携带的中分辨率成像光谱仪 MODIS均可进行偏振敏 感性的校正。目前该偏振敏感性校正技术有力地保障了中分辨率成像光谱仪 MODIS业务化运行。 Xp = ALl + 0).p cos2) + Clp (1.1) 式 （ U)中偏振方位角是基于棱镜坐标系，而目前偏振方位角的测量是基 于仪器测量坐标系。实际应用时，首先实现偏振光学遥感器测量坐标系与立方镜 坐标系的转换，其次确定棱镜
14、坐标系在惯性坐标系中的姿态，其中立方镜坐标系 与测量坐标系的转换矩阵的定标是偏振光学遥感器研制任务中必不可少的环节 24 在地基遥感方面：地基偏振遥感已成为 个快速发展的领域，建立全球气溶 胶自动观测网，并在大气气溶胶监测等方面发挥着重要的作用，取得了一系列研 3 究成果。 气溶胶地基遥感对太阳和天空辐射的观测受地面影响小，便于在地面使用高 光谱、多角度、偏振等多种探测手段在关键点获取全面的气溶胶信息 25。此外， 地面观测可作为验证卫星观测的标准，而且由地面观测所获得的气溶胶模型可以 有效地提高气溶胶卫星遥感算法的精度 26_27。 全球气溶胶自动观测网 AERONET (Aerosol R
15、obotic Network) 28】 是由美国 国家航空航天局 NASA和 LOA-PHOTONS (国家学术机构：由法国国家科学研 究院，法国里尔大学和法国国家空间研究中心组成）联合建立的地基气溶胶遥感 观测网。该网络现已经覆盖了全球主要的区域， 0前全球共有 500多个站点，利 用 CIMEL自动太阳辐射计 （ CE318等系列 ） 作为基本观测仪器。该网络大部分 站实现了每天的辐射和偏振信息数据采集，并统一传送到网络中集中处理。 AERONET提供长期、连续、免费获取的光学气溶胶和微观物理和辐射特性的数 据库，在全球气溶胶传输、气溶胶辐射效应、辐射传输模式验证以及卫星遥感气 溶胶结果校
16、验方面具有重要作用。 我国于 2002年利用 CE318型太阳辐射计布设了气溶胶光学特性监测网 CARSNET29_30 ( China Aerosol Robot Sun photometer NET work),同时也是 AERONET的重要组成部分 之一。 CARSNET拥有 37个观测站点，其目的是系 统观测和研究中国区域大气气溶胶光学特性以及气溶胶气候效应 31。法国 CIMEL公司 CE318系列的 CE318-2和 CE318-DP是气溶胶地基偏振遥感主要观 测平台， CE318-2在可见 -近红外波段共设有 1个观测通道，只有 870nm波段为 偏振通道，而 CE318-DP则可以测量 340 1640nm所有波段的偏振信息 32。 图 1.2全球气溶胶自动观测网（左）和屮国气溶胶观测网（右） Figure 1.2 Global Aerosol Robotic Network and China Aerosol Robot Sun photometer NET work