紅外超光譜成像偏振計

紅外超光譜成像偏振計
摘要 美國猶他州立大學空間動力學實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(shè)計用來在2．7 水渡段對來自云頂?shù)姆聪蛏?射太陽光進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(jié)合、盡可能多地采用市場上暢銷的元部件并利用一種光學模 型設(shè)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)偏振計和一個透射式衍射光柵為基礎(chǔ)的。轉(zhuǎn)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(tǒng)綜述 從云頂反向散射的太陽光的線性偏振特性 (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(cè)進行 的測量應(yīng)當是特別有效的，因為在該波段的某 些波長上， 已經(jīng)經(jīng)受一次散射的光子應(yīng)當比反 向散射的光子占優(yōu)勢。在這些(尚未確定)波長 上，偏振度應(yīng)該是最大的，而且這種偏振中所 包含的信息應(yīng)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應(yīng)用。通 過以被動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和對確定云粒子相位 信息所需的數(shù)據(jù)分析算法進行評價。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個瞬時子波段的超光譜敏感儀。 得出偏振度和偏振角，需要進行三次或四 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(shè)計了一臺高速固態(tài)液晶偏振計。 下面給出本系統(tǒng)的設(shè)計要求。這些要求是 本項目剛開始時所作的一種最佳估計，而隨著 初始測量的進行，它們會有所變動。 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 10。 目標足跡 50m×50m 幀速 20Hz 波段 2．5#m 一3、5 m 瞬時光譜帶寬 <20nm 尺寸限制 30cm 寬x60cm 長x45cm高 重量限制 <25kg 功率限制 <2kW@400Hz， 115V 太陽抑制角 <6。 圖1示出了超光譜成像偏振計光學頭的設(shè) 計圖。超光譜成像偏振計儀器支架由一個標準 尺寸的FISTA窗口固定架、一個暢銷的1 ×2 輕型光具座和一個8 in眼球組成。超光譜成像 偏振計敏感儀由一塊太陽抑制擋板、一個2 ZnSCleartran壓力窗口、前端狹縫二次成像光學裝 置、鐵電液晶偏振旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，已添加了一臺經(jīng)過校直的可見光攝像 機。另外，在光具座上安裝了一個便于在飛機骨 架彎曲時進行指向校正的三軸光纖陀螺儀(圖 FIST^ 固定架、 中沒有示出) 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。整個光具 座反轉(zhuǎn)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奔騰個人計算機，它 有兩個可進行熱交換的9G字節(jié)硬驅(qū)動器 計算 - 。 cmu可見光攝像機 圖1 超光譜成像偏振計的設(shè)計圖 機、一個17”平面顯示器以及所有的驅(qū)動電子 部件均裝在標準的16 機架內(nèi)。該機架內(nèi)還裝 有鐵電液晶偏振旋轉(zhuǎn)器的一個溫度控制器和一 個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(shè)計 為敏感儀超光譜部分選擇的設(shè)計方案是一 種帶一個狹縫和一個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(tǒng)的光學元件包括 ●前端狹縫二次成像光具。-x~紅外雙合 透鏡和一個50／ml x 7．6mm狹縫產(chǎn)生一維的光譜 儀狹縫和另一維的場狹縫 這個組件是由Steven Turcotte公司設(shè)計并由Diversified Optics公司制 造的。
5．8’抻制 5。抑制 HIP擋板 可見光攝像機孔徑 ● 固態(tài)偏振器疊層。 ● AMPUl透射式衍射光柵，這是一個 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(tǒng)設(shè)計中加入這種攝像機的一個主要好處 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(qū)域。由于我們現(xiàn)在的設(shè)計將 只使用一個64x160區(qū)域的列陣，所以這使得可 以大大節(jié)省所需要的數(shù)據(jù)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，這 種窗口特點將可以為我們改進和優(yōu)化系統(tǒng)創(chuàng)造 條件圖2 超光譜成像偏振計的空間設(shè)計 圖3 超光譜成像偏振計的光譜設(shè)計 4 固態(tài)偏振器設(shè)計 由于本設(shè)計所需轉(zhuǎn)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(shè)計 這是Displaytech公司一種已取得專利的設(shè)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(chǔ)[3,41。

鐵電液晶元件是可以在兩種獨立的光軸旋 轉(zhuǎn)態(tài)之間進行電學轉(zhuǎn)換的線性偏振減速器。通 過將碟狀結(jié)構(gòu)液晶材料兩端的電壓反向，便可 以在不到：3ms的時間內(nèi)使光軸旋轉(zhuǎn)45。 這些 較厚的紅外器件的旋轉(zhuǎn)速度要比Displaytech公 司的標準器件稍許慢一些 但對于我們的設(shè)計 來說已經(jīng)足夠了。 超光譜成像偏振計的偏振涮量要求是線性 偏振的度和角。計算這些參數(shù)的一種簡便方法 就是使用斯托克斯參數(shù)和繆勒計算法[5l6一 斯 托克斯參數(shù)可全面地描述入射光束的線性偏振 特性，并可用來計算線性偏振度和角。線性斯 托克斯參數(shù)包括源強度I以及正交偏振參數(shù)Q 和U三部分�？娎沼嬎惴ㄌ峁┝艘环N表示光學 元部件偏振特性的簡便方法，而且它允許將這 些偏振特性組合起來以建立敏感器級的偏振模 型。這種敏感器模型便可以用來預測敏感器的 性能。 用于導出線性斯托克斯參數(shù)的最佳偏振分 析儀結(jié)構(gòu)是一個測量旋轉(zhuǎn)角為0。、60。、120。 的線性偏振器[8】。這種結(jié)構(gòu)提供的對稱響應(yīng)允 許以最好的三個測量旋轉(zhuǎn)角度精確導出入射光 束的斯托克斯參數(shù)。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(zhuǎn)角進行。這些測量 角還能夠提供良好的對稱性，不過還需要附加 一種測量 建立0。、45。、90。以及一45。測量旋轉(zhuǎn)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(yīng) ● 一片沿軸取向為0(未轉(zhuǎn)換)和45(已轉(zhuǎn) 換)的快速半波鐵電液晶； ● 一片沿軸取向為0(未轉(zhuǎn)換)和45(已轉(zhuǎn) 換)的快速四分之一波鐵電液晶i ● 一個快軸被調(diào)整到45。的四分之一波固 定減速器；●一個沿水平方向校直的線柵線性偏振 式中， 矗(P。，P )=作為四分之一波和半波旋轉(zhuǎn) 器。 現(xiàn)已建立了超光譜成像偏振計的線性偏振 響應(yīng)率模型，并用繆勒計算法計算出了理想的 線性偏振響應(yīng)。該敏感器級偏振模型是按照各 光學元部件出現(xiàn)的反向次序?qū)⑵淇娎站仃嚪糯?而建成的。為了預測敏感器的響應(yīng)，將最終建 成的敏感器級模型與光源的斯托克斯參數(shù)進行 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(zhuǎn)角的 一種中間態(tài)，這些都是需要的，因為入射線性 偏振已被轉(zhuǎn)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(shù)之前被略去了。 的函數(shù)的響應(yīng)矢量 (0)： 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 = 水平線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(yīng)。 冗(P。，PH)= 【L+ 。 + 。 】 (2) 式中， 冗(P。，肌)=作為四分之一波和半波旋轉(zhuǎn) 函數(shù)的響應(yīng)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(shù) 方程(3)以矩陣形式給出了四個旋轉(zhuǎn)位置 的響應(yīng)。 1 — 2 1 0 —1 1 —1 0 1 0 1 1 1 O 『l L 1 【 0 Jl 矗=≯ (式中， 矗為一個旋轉(zhuǎn)“置位 的敏感器響應(yīng)矢 量， 為斯托克斯偏振器響應(yīng)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(shù)的每個 測量旋轉(zhuǎn)的模擬響應(yīng)。 5偏振計定標 上一節(jié)中介紹的偏振模型可以預測理想的 偏振響應(yīng)。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(shè)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 射度和時間特性進行全面的表征[ 。它需要一 個輻射度響應(yīng)方程、一個斯托克斯偏振器逆響 應(yīng)率(SRIR)矩陣以及各像元的輻射度模型。
輻 射度響應(yīng)率方程用于將各像元樣品的原始像元 響應(yīng)(計數(shù))變換成實測通量(光譜輻射率)。 方程(6)給出了每個像元的輻射度響應(yīng)方程 = = [ G {CE{e,a)r(i,e,p}- ，)] 式中。 { )為每個像元的實測光譜輻射率 (Wcm sr m )，虢f )為光譜輻射響應(yīng)率(計 數(shù)／ 一 ㈣ )，rfp)為經(jīng)過較正的像元 響應(yīng)(計數(shù))， R( 為像元響應(yīng)率變化(無單 位)， G ． )為積分模式增益(無單位)， fnl 為線性校正(無單位)一只有當需要時才包 括．GE( )為電子增益(無單位)，r《 ， )為原 始像元響應(yīng)(計數(shù))， 0“， )為偏差(計數(shù))，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(shù) R ．R。，R3 R 為一個測量“組”的超 光譜成像偏振計響應(yīng)矢量， 為斯托克斯測 偏振逆響應(yīng)率矩陣。 方程(6)給出了斯托克斯測偏振逆響應(yīng)率 矩陣的一般形式。斯托克斯測偏振逆響應(yīng)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為積分時間設(shè)定，e為電 子增益設(shè)定 通過解方程(3)求敏感器響應(yīng)的斯托克斯 參數(shù)項，便可以計算出理想的斯托克斯偏振器 逆響應(yīng)率矩陣。雖然斯托克斯測偏振響應(yīng)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 個解，該解對每一個響應(yīng)的加權(quán)都是相同的。 『}j}i1] Dr ～ = l【 0—1 0 1 J (5) 一1 0 1 0 J 數(shù)皿 1將在敏感器定標期間確定 這種定標 的數(shù)據(jù)將通過將一個線柵偏振器放在黑體源前 面然后以幾個偏振器旋轉(zhuǎn)角收集敏感器響應(yīng)數(shù) 據(jù)的方法記錄下來 計算出的黑體源斯托克斯 參數(shù)將被用來以多變量回歸解析方式求導斯托 克斯測偏振響應(yīng)率矩陣。
且l 且2 凰 見 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(yīng)率矩陣(無單位)，真為一個測量 組”的超 光譜成像偏振計響應(yīng)矢量(Ⅳ一一 sr一 m一 )。 這些敏感器響應(yīng)率模型可以將像元響應(yīng)及 偏振結(jié)果變換成真實的景物值。它們包含了用輻 射度響應(yīng)率方程和超光譜偏振計逆響應(yīng)率矩陣 不能表達的響應(yīng)率域。這些包括光譜響應(yīng)率、 時間響應(yīng)率、空間響應(yīng)率以及每個像元的測量 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 徑-^+向滿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(shè)計現(xiàn)有的模式性質(zhì)，該系統(tǒng)的 光學性能是非常好的。圖6示出了該系統(tǒng)的光 斑圖分析。雖然離軸角的光學性能略微有些下 降，但是這對于我們的測量來說已經(jīng)足夠了。

7 小結(jié) 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)實驗飛行(FISTA) 飛機上，并在隨后的兩周內(nèi)進行了飛行。在這些 飛行中，超光譜成像偏振計不是主要敏感器， 所以這些飛行沒有為我們提供云測量場景。但 是，在偶然遇到云形成時，我們獲取了一些數(shù) 據(jù)， 目前我們正在對這些數(shù)據(jù)進行分析。超光 譜成像偏振計定于今夏晚些時候進行專門的云 測量飛行。