紅外超光譜成像偏振計
摘要 美國猶他州立大學(xué)空間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗室正在制造一臺紅外超光譜成像偏振計 (HIP) 這臺紅外超光譜成像偏振計是設計用來(lái)在2．7 水渡段對來(lái)自云頂的反向散 射太陽(yáng)光進(jìn)行高空間和光譜分辨率偏振測定的，它將裝在紅外特征技術(shù)實(shí)驗飛行飛機 (FIsTA)—— 一架空軍KC-135飛機上飛行。這是一臺將超光譜推帚式成像技術(shù)與高速 固態(tài)偏振測定方法相結合、盡可能多地采用市場(chǎng)上暢銷(xiāo)的元部件并利用一種光學(xué)模 型設計快速制成原型的原理驗證敏感儀。它是以一臺窗口可選擇的256x3201nSb攝像 機、一臺固態(tài)鐵電液晶(FLC)偏振計和一個(gè)透射式衍射光柵為基礎的。轉速計| 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀|

1 引言 2系統綜述 從云頂反向散射的太陽(yáng)光的線(xiàn)性偏振特性 (度和角度)可以產(chǎn)生與云層粒子相位有關(guān)的 大量信息，從中可以得知它們是冰晶、水滴， 還是一種混合物【 。在2 7 m水波段兩側進(jìn)行 的測量應當是特別有效的，因為在該波段的某 些波長(cháng)上， 已經(jīng)經(jīng)受一次散射的光子應當比反 向散射的光子占優(yōu)勢。在這些(尚未確定)波長(cháng) 上，偏振度應該是最大的，而且這種偏振中所 包含的信息應該是比較容易分析的。與云粒子 相位有關(guān)的信息具有許多潛在的科學(xué)應用。通 過(guò)以被動(dòng)遙感方式測定的云層的冰蝕特性及高 度，對于航空、天氣預報以及全球氣候模型制 作等將是特別有意義的。 超光譜成像偏振計的用途之一，是測定一 次散射的光子的精確波長(cháng)和對確定云粒子相位 信息所需的數據分析算法進(jìn)行評價(jià)。為了完成 這項工作， 已經(jīng)確定了一臺將把2．5pro一3 5 m 水波段分成64個(gè)瞬時(shí)子波段的超光譜敏感儀。 得出偏振度和偏振角，需要進(jìn)行三次或四 次偏振矢量測量。為了給這三次或四次偏振矢 量測量之間的1／10像元相互配準創(chuàng )造條件，已 經(jīng)設計了一臺高速固態(tài)液晶偏振計。 下面給出本系統的設計要求。這些要求是 本項目剛開(kāi)始時(shí)所作的一種最佳估計，而隨著(zhù) 初始測量的進(jìn)行，它們會(huì )有所變動(dòng)。 表1 超光譜成像偏振計的要求 平臺 FISTA(KC-135)飛機 測量高度 9km ～ 12km 視場(chǎng) 10。 目標足跡 50m×50m 幀速 20Hz 波段 2．5#m 一3、5 m 瞬時(shí)光譜帶寬 <20nm 尺寸限制 30cm 寬x60cm 長(cháng)x45cm高 重量限制 <25kg 功率限制 <2kW@400Hz， 115V 太陽(yáng)抑制角 <6。 圖1示出了超光譜成像偏振計光學(xué)頭的設 計圖。超光譜成像偏振計儀器支架由一個(gè)標準 尺寸的FISTA窗口固定架、一個(gè)暢銷(xiāo)的1 ×2 輕型光具座和一個(gè)8 in眼球組成。超光譜成像 偏振計敏感儀由一塊太陽(yáng)抑制擋板、一個(gè)2 ZnSCleartran壓力窗口、前端狹縫二次成像光學(xué)裝 置、鐵電液晶偏振旋轉器、衍射光柵以及帶窗 口的InSb攝像機組成。為了幫助識別目標和分 析數據，已添加了一臺經(jīng)過(guò)校直的可見(jiàn)光攝像 機。另外，在光具座上安裝了一個(gè)便于在飛機骨 架彎曲時(shí)進(jìn)行指向校正的三軸光纖陀螺儀(圖 FIST^ 固定架、 中沒(méi)有示出) 這對于把推帚式超光譜圖像條帶 重新組合成二維圖像將是有幫助的。整個(gè)光具 座反轉12 in，便可以將定標源插在敏感器和窗 口之間。 計算機是一臺233MHz奔騰個(gè)人計算機，它 有兩個(gè)可進(jìn)行熱交換的9G字節硬驅動(dòng)器 計算 - 。 cmu可見(jiàn)光攝像機 圖1 超光譜成像偏振計的設計圖 機、一個(gè)17”平面顯示器以及所有的驅動(dòng)電子 部件均裝在標準的16 機架內。該機架內還裝 有鐵電液晶偏振旋轉器的一個(gè)溫度控制器和一 個(gè)可以插在前端組件與窗口之間供飛行定標用 的黑體源。

3 光譜儀設計 為敏感儀超光譜部分選擇的設計方案是一 種帶一個(gè)狹縫和一個(gè)色散光柵的標準光譜儀。 圖2和圖3分別示出了空間平面和光譜平面中 的光路。該系統的光學(xué)元件包括 ●前端狹縫二次成像光具。-x~紅外雙合 透鏡和一個(gè)50／ml x 7．6mm狹縫產(chǎn)生一維的光譜 儀狹縫和另一維的場(chǎng)狹縫 這個(gè)組件是由Steven Turcotte公司設計并由Diversified Optics公司制 造的。
5．8’抻制 5。抑制 HIP擋板 可見(jiàn)光攝像機孔徑 ● 固態(tài)偏振器疊層。 ● AMPUl透射式衍射光柵，這是一個(gè) 6Sg／mm的光柵，它是由Ralcon Optical公司制 造的。 ●紅外攝像機透鏡，這是一種暢銷(xiāo)的25ram 透鏡，它也是由Diversified Optics公司制造的。 ●紅外攝像機，這是一臺256x320 InSb攝 像機，它是由圣巴巴拉焦平面公司制造的。在 該系統設計中加入這種攝像機的一個(gè)主要好處 是， 列陣可配備窗口，這樣便允許選擇和閱讀 列陣中較小的子區域。由于我們現在的設計將 只使用一個(gè)64x160區域的列陣，所以這使得可 以大大節省所需要的數據記錄和處理容量。另 外，當我們了解到更多有關(guān)測量的情況時(shí)，這 種窗口特點(diǎn)將可以為我們改進(jìn)和優(yōu)化系統創(chuàng )造 條件圖2 超光譜成像偏振計的空間設計 圖3 超光譜成像偏振計的光譜設計 4 固態(tài)偏振器設計 由于本設計所需轉換速度的緣故，我們已決 定使用一種基于鐵電液晶元件的偏振器設計 這是Displaytech公司一種已取得專(zhuān)利的設計。 這些器件通常是用于光閘的，但亦已證明 它 們也適合用作一種高速偏振器的基礎[3,41。

鐵電液晶元件是可以在兩種獨立的光軸旋 轉態(tài)之間進(jìn)行電學(xué)轉換的線(xiàn)性偏振減速器。通 過(guò)將碟狀結構液晶材料兩端的電壓反向，便可 以在不到：3ms的時(shí)間內使光軸旋轉45。 這些 較厚的紅外器件的旋轉速度要比Displaytech公 司的標準器件稍許慢一些 但對于我們的設計 來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。 超光譜成像偏振計的偏振涮量要求是線(xiàn)性 偏振的度和角。計算這些參數的一種簡(jiǎn)便方法 就是使用斯托克斯參數和繆勒計算法[5l6一 斯 托克斯參數可全面地描述入射光束的線(xiàn)性偏振 特性，并可用來(lái)計算線(xiàn)性偏振度和角。線(xiàn)性斯 托克斯參數包括源強度I以及正交偏振參數Q 和U三部分�？娎沼嬎惴ㄌ峁┝艘环N表示光學(xué) 元部件偏振特性的簡(jiǎn)便方法，而且它允許將這 些偏振特性組合起來(lái)以建立敏感器級的偏振模 型。這種敏感器模型便可以用來(lái)預測敏感器的 性能。 用于導出線(xiàn)性斯托克斯參數的最佳偏振分 析儀結構是一個(gè)測量旋轉角為0。、60。、120。 的線(xiàn)性偏振器[8】。這種結構提供的對稱(chēng)響應允 許以最好的三個(gè)測量旋轉角度精確導出入射光 束的斯托克斯參數。遺憾的是，鐵電液晶技術(shù) 不能提供這些角度。由于硬件上的這一限制因 素，對于超光譜成像偏振計的測量，將采用0。、 45。、90。以及一45。測量旋轉角進(jìn)行。這些測量 角還能夠提供良好的對稱(chēng)性，不過(guò)還需要附加 一種測量 建立0。、45。、90。以及一45。測量旋轉角 所需的元部件為(圖4)： 商 黃 罩 薯 畦 囊 Ⅲ 波 粕譬 ● ‘f ， — ＼ 。出 ‘ 至 J t 減速茸。曼q。暖 45晶’ 線(xiàn)性 強譬 f 0 圖4 鐵電液晶偏振器疊層 入射俯振角(’) = 2 5 模擬的響應 ● 一片沿軸取向為0(未轉換)和45(已轉 換)的快速半波鐵電液晶； ● 一片沿軸取向為0(未轉換)和45(已轉 換)的快速四分之一波鐵電液晶i ● 一個(gè)快軸被調整到45。的四分之一波固 定減速器；●一個(gè)沿水平方向校直的線(xiàn)柵線(xiàn)性偏振 式中， 矗(P。，P )=作為四分之一波和半波旋轉 器。 現已建立了超光譜成像偏振計的線(xiàn)性偏振 響應率模型，并用繆勒計算法計算出了理想的 線(xiàn)性偏振響應。該敏感器級偏振模型是按照各 光學(xué)元部件出現的反向次序將其繆勒矩陣放大 而建成的。為了預測敏感器的響應，將最終建 成的敏感器級模型與光源的斯托克斯參數進(jìn)行 了相乘。
方程(1)給出了該超光譜成像偏振計模 型。注意，方程(1)中的元部件矩陣包含第四行 和列中的圓偏振項 作為某些減速器旋轉角的 一種中間態(tài)，這些都是需要的，因為入射線(xiàn)性 偏振已被轉換成了圓偏振 在最終的敏感器模 型中 圓偏振分量均為零，而且在將偏振模型 乘以輸入斯托克斯參數之前被略去了。 的函數的響應矢量 (0)： 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 = 水平線(xiàn)性偏振器的繆勒矩陣 (45) 1 0 0 0 0 0 0 —1 0 0 1 0 0 1 0 0 盂(％ pu)=W(o)OC45)O(p。)百(舶)量 (1) =快軸為45。的四分之一波減速器的繆勒矩陣 H(pu) Q(p。)= 1 0 0 COS(4pH) 0 sin(4pH) 0 0 0 0 COS。(2po) sin(2p。)cos(2p。) sin(2p。) sin(2p。)cos(2p。) sin (2p。) 一cos(2po) 0 一sin(2pQ) cos(2pQ) 0 = 快軸為P。
的四分之一波減速器的繆勒矩陣 0 0 sin(4pH) 0 COs(4pH) 0 0 —1 雪= 的第一單元(強度項)便是方程(2)所給出的敏 冗l R3 冗4 R((P。=0)，(PH=0)) 冗((P。=45)，(PH=0)) R((P。=0)，(PH：45)) 冗((P。=45)，(PH=45)) 感器響應。 冗(P。，PH)= 【L+ 。 + 。 】 (2) 式中， 冗(P。，肌)=作為四分之一波和半波旋轉 函數的響應強度 A1=一COs(4pH)sin(2po)+sin(4pH)cos(2po) 2=一sin(4pH)sin(2p。)一COS(4pH)COS(2p。) L， ， =入射光束的斯托克斯參數 方程(3)以矩陣形式給出了四個(gè)旋轉位置 的響應。 1 — 2 1 0 —1 1 —1 0 1 0 1 1 1 O 『l L 1 【 0 Jl 矗=≯ (式中， 矗為一個(gè)旋轉“置位 的敏感器響應矢 量， 為斯托克斯偏振器響應率矩陣， 為輸 入的斯托克斯矢量。 圖5示出了作為入射偏振角的函數的每個(gè) 測量旋轉的模擬響應。 5偏振計定標 上一節中介紹的偏振模型可以預測理想的 偏振響應。廣州市駿凱電子科技有限公司盡管該模型所提供的預測可以用于 設計方面，但是測量方面將要求對已經(jīng)完全裝 配好的敏感器進(jìn)行細致、精確的定標。這種定 標包括對敏感器的偏振特性以及空間、光譜、輻 射度和時(shí)間特性進(jìn)行全面的表征[ 。它需要一 個(gè)輻射度響應方程、一個(gè)斯托克斯偏振器逆響 應率(SRIR)矩陣以及各像元的輻射度模型。
輻 射度響應率方程用于將各像元樣品的原始像元 響應(計數)變換成實(shí)測通量(光譜輻射率)。 方程(6)給出了每個(gè)像元的輻射度響應方程 = = [ G {CE{e,a)r(i,e,p}- ，)] 式中。 { )為每個(gè)像元的實(shí)測光譜輻射率 (Wcm sr m )，虢f )為光譜輻射響應率(計 數／ 一 ㈣ )，rfp)為經(jīng)過(guò)較正的像元 響應(計數)， R( 為像元響應率變化(無(wú)單 位)， G ． )為積分模式增益(無(wú)單位)， fnl 為線(xiàn)性校正(無(wú)單位)一只有當需要時(shí)才包 括．GE( )為電子增益(無(wú)單位)，r《 ， )為原 始像元響應(計數)， 0“， )為偏差(計數)，P 『J 1 『 3 } { }] 0，Jl=l【 0—1 0 1 l 一 0 0 J 且l R2 R3 式中，I’．Q’，u’為計算出的入射光束的斯托 克斯參數 R ．R。，R3 R 為一個(gè)測量“組”的超 光譜成像偏振計響應矢量， 為斯托克斯測 偏振逆響應率矩陣。 方程(6)給出了斯托克斯測偏振逆響應率 矩陣的一般形式。斯托克斯測偏振逆響應率參 K (t ．2) K (Q ．2) u 2) K(I ．3 K (Q ，3 所U,3 為像元，a為列陣，i為積分時(shí)間設定，e為電 子增益設定 通過(guò)解方程(3)求敏感器響應的斯托克斯 參數項，便可以計算出理想的斯托克斯偏振器 逆響應率矩陣。雖然斯托克斯測偏振響應率矩 陣 不是矩形的，因此并非是不可逆，但是它 仍然有一些有用的解。方程(5)給出了其中的一 個(gè)解，該解對每一個(gè)響應的加權都是相同的。 『}j}i1] Dr ～ = l【 0—1 0 1 J (5) 一1 0 1 0 J 數皿 1將在敏感器定標期間確定 這種定標 的數據將通過(guò)將一個(gè)線(xiàn)柵偏振器放在黑體源前 面然后以幾個(gè)偏振器旋轉角收集敏感器響應數 據的方法記錄下來(lái) 計算出的黑體源斯托克斯 參數將被用來(lái)以多變量回歸解析方式求導斯托 克斯測偏振響應率矩陣。
且l 且2 凰 見(jiàn) 0r = 一 五式中， 為導出的輸入光源的斯托克斯矢量 ( m )， =斯托克斯偏振器逆 響應率矩陣(無(wú)單位)，真為一個(gè)測量 組”的超 光譜成像偏振計響應矢量(Ⅳ一一 sr一 m一 )。 這些敏感器響應率模型可以將像元響應及 偏振結果變換成真實(shí)的景物值。它們包含了用輻 射度響應率方程和超光譜偏振計逆響應率矩陣 不能表達的響應率域。這些包括光譜響應率、 時(shí)間響應率、空間響應率以及每個(gè)像元的測量 不確定性模型。 j；；垢5。 柵 ． ．． 二 幾何 斑★小 ． ⋯ 。嘶零＼謇 -- 一： ◇ @ - t： ： 一 ． 兒； 一0．D57 0．000 O．曬7 O．Tij ． ． 吾 小 f - 瓣小 苦耋電 aO。．^。 目5 廠(chǎng) 徑-^+向滿(mǎn)0同．齙垢7軸量 身審 0．2 口 a． 。己 0、 c、06 口．薜 口．j 嘟半徑 I光班大小 穢 囂 空聞平面光斑田身折 l i ，7 l WV1 3 " ：2、5 WV3：3．5 1 lhjE●H 圖6 光斑圖分析 圖7 超光譜成像偏振計被安裝在FISTA飛機上

6 性能模型化 假定這一設計現有的模式性質(zhì)，該系統的 光學(xué)性能是非常好的。圖6示出了該系統的光 斑圖分析。雖然離軸角的光學(xué)性能略微有些下 降，但是這對于我們的測量來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

7 小結 1998年5月11日和12 15．超光譜成像偏振 計被安裝在了紅外特征技術(shù)實(shí)驗飛行(FISTA) 飛機上，并在隨后的兩周內進(jìn)行了飛行。在這些 飛行中，超光譜成像偏振計不是主要敏感器， 所以這些飛行沒(méi)有為我們提供云測量場(chǎng)景。但 是，在偶然遇到云形成時(shí)，我們獲取了一些數 據， 目前我們正在對這些數據進(jìn)行分析。超光 譜成像偏振計定于今夏晚些時(shí)候進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的云 測量飛行。