对地遥感中的光谱偏振探测方法研究解析.pdf
对地遥感中的光谱偏振探测方法研究乔延利杨世植罗睿智王乐意荀毓龙（中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽 230031摘要简要分析了遥感偏振探测与现行的遥感强度探测在物理含义方面的区别,并举例说明了偏振遥感信息在表达暗目标（或低照度和人工建筑目标方面有更丰富 的内涵。从物理数学方法上简要归纳了遥感偏振信息的处理解译过程。给出了一种 航空光谱偏振 CCD相机的主要技术指标设计，并与法国的 POLDER偏振仪进行了 类比。关键词偏振探测，遥感技术，应用基础0引言遥感技术的基础是物体对电磁波所呈现的特性（包括波谱强度和偏振特性以及 物体本身的几何特征的描述。目前，遥感利用的信息主要集中在电磁强度特性和几 何特征，但是偏振完全可以作为遥感的另一维更有价值的信息来源，从美国航天飞机 带回地面的几百幅地球偏振图像充分证明了这一点。同非偏振测量相比，偏振测量 能得到更多易于区分目标的特征信息。偏振状态对于识别不同的地面目标（如自然 地物和人工设施、大气气溶胶、云层等，都是极有价值的潜在信息。特别是对反射 辐射强度对比度低的表面，利用偏振数据亦能有效地识别1,230多年前就有人从理论分析中得到，在高空或卫星的侦察成像系统中使用偏振分析可以明显改善由于大气中Rayleigh散射 和 Mie散射引起的对比度降低现象，这些也只是考虑了大气的偏振特性。对于自然 表面和人工目标，反射辐射的偏振特性取决于其表面的固有属性，如其介质特性、结 构特征、粗糙度、水分含量等，还与观察角和辐照条件有关。除了偏振特性能在特 殊背景和条件下提高目标的识别率外,对于辨别人为模拟制造的假目标和伪装有独特的区分能力，这是因为与真实目标相比两者有本质的区别。从物理意义上讲，任一目标表面在给定波长上发射或反射的非相干光束可以应 用 4个斯托克斯参量（Siokes来全面描述。第个斯托克斯参量 I是辐射总强度的度量，也是目前光学等遥感探测普遍使用 的参量。第二个斯托克斯参数 Q 是用于计量水平方向的线偏振量,第三个斯托克斯参数 U用于计量与水平夹角 45的线偏振量,Q 和 U等同于偏振度 P 和偏振角，这正是来自目标自身的最本征的辐射信息偏振辐射信息。到目前为止，这些最本征的信 息尚未得到充分的应用，从最新的资料分析可以看出,偏振信息将是 21世纪初遥感信 息应用研究的热点。从实际应用上来讲，对于地球表面和大气中任何目标，在散射、反射和透射电磁 辐射的过程中，都会产生本征性质所决定的偏振信息，这种信息在有效识别非自然目 标和研究全球大气过程中具有重要的实用价值。因此,应用偏振信息在研究确定大 气气溶胶粒子尺度、化学组成以及总量方面有明显的作用，这些应用不仅针对气象 等用户，也极有可能发展成为一种大气污染的有效监测方法。偏振信息能区分冰云 和水云，有助于研究高空运载火箭的飞行影响及气象要素。由于偏振信息与地物目 标的结构、化学成份、水份含量、岩石中的金属含量等有关，这对于研究水旱环 境、土壤端情、侵蚀等有着广阔的应用前景，也可以用于研究植被生长、病虫害，农 作物的估产等。1光谱偏振信息的解译模型偏振通常表述有线偏振、圆偏振或椭圆偏振，地物目标所产生偏振效应基本上 是线偏振，圆偏振完全可以忽略。偏振度的原始定义为：男,1958 年生，硕士，研究员;研究方向:光学遥感基础，辐射定标、辐射校正;联系人。(收稿日期：2000-08-02;修订日期:2000-09-20863 计划(863-308-19-03(3 资助项目。P=I极大-I极小I极大十 I极小(1其中,(1极大十 I极小是相互垂直的两个分量的光的强度之和，即部分偏振光的总 强度。通常考虑具有相速相等沿 Z轴传播的平面波束总能分解为两个分别沿 X 轴 和 Y 轴取向的线性极化波 E x(z,t和 E y(z,v:E x(z、t=E x sin(t-z十 xE v(z,t=E y sin(t-z十 y(2其中,Ex、Ey、x和 y分别表示谐波的振幅、振动频率、相位常数和初 始位相。显然当位相差=2-l=m(m=0,1,2,时,描述的是线偏振光。同样,当振幅和位相 差满足相关条件时，可以得到圆或椭圆偏振。定量化地给出偏振光的偏振信息，有两种表示方法:一种是 Jone矢量表示法，另 一种是 Stokes矢量表示法。在遥感探测过程中多用 Stokes矢量表示法。通常把Stokes矢量(SO,S1,S2,S3T写成另一种形式(IQU,VT,其中 I为非偏振光强,Q,U分别 代表两个方向上的线偏振光,V 代表圆偏振光。在遥感探测中通常假定 V=O,J1IJ:I=S0=E2x 十 E2vQ=Sl=E2x-E2yU=S2=2 E x y cos(3上式中,E表示时间平均的效果，在任一 x oy平面，在与 X 轴的夹角为的方向上 进行观测所得到的光强可以下式表述1(=E2x cos2 十 E2y sin2+E x E v sm2(4或：1(=12(1 十 Q cos2 十 U sni2(5通常，只要测出 3个不同角度的线偏振光的光强 I(i,就可以联立求出 Stokes4个 参量的前 3个 I、Q 和 U,并可以求出偏振光的偏振度 P和偏振角。分别取等于 0、45和 90 3 个观测方向，得到的联立方程如下：1(0=(1 十 Q/21(45=(1 十 U/21(90=(I-Q/2(6变化得:1=1(0+1(90Q=I(O-1(90U=2I(45-1(0-1(90(7由此，对应的偏振度和偏振角分别为：P=Q2 十 U2/I=12tan-l(U/Q(82实用光谱偏振 CCD相机设计2.1 航空光谱偏振 CCD相机设计指标与总体方案作者计划开展的航空光谱偏振 CCD相机(A-PCCD的初步设计指标如表 1所列,(Lille航空-PLODER偏振仪特性参数进行了比较4。由里尔大学开发的 POLDER偏振仪经法国CNES支持进一步发展成航天偏振仪，并于 1996年搭载日本 ADEOS-I卫星发射升空，获得了许多有价值的研究地球大气的光谱偏振试验图像(ADEOS-I卫星在升空半年后失控。表 1设计光谱偏振 CCD相机主要技术指标比较比较项目光谱偏振 CCD相机并与法国里尔A-P CCD法国航空-PLODER探测器 S-i CCD面阵 S-i CCD面阵制冷器无电子制冷器光谱波段及分辨率450700nin，(3050nm(中心波长位置任意可调443.670iiiii/(20n m.865iuiV(40mn(其余波段不获取偏振信息偏振角 0,45,90 0,60,120FO V/IFO V2.8/0.2mi-ad V:102,H:86/0 3量化精度 1012重量15kg 14kg检测对象低照度暗目标等晴天天空等从航空光谱偏振 CCD相机的主要功能与特点考虑,首先是要获取偏振图像信息、其次是需在飞行过程中获取图像。为了获取某一瞬时目标真正的偏振信息，至少应从两个以上方向来检测偏振。因此，本系统采用了偏振三通道探测，三路采用同一个前置光学系统和同一分光器件，通过分束器和 3个不同方向的偏振片入射到 CCD相机，从而获得地物目标的偏振信息。系统采用模块化设计，分两大模块：光学模块和控制模块。2.2 关键问题在偏振信息的探测上，由于信息相对较弱、普通 CCD相机已不能满足要求、需要 高性能、大面阵及大动态范围的 CCD器件，同时也需要高量化精度的数据采集器件。从当前技术水平看、动态范围大于70db的 CCD器件已成熟且价格也较适中,10 位以上的数据采集器件技术上也没有困难。通过精心设计,由计算机精密控制滤光片和偏振片的转动，获取偏振信息是可以实现的。-分議惮棱樓对小型的 CCD偏振相机而言，相机质量的大小是一个很重要的指标。而通常小 微型机及小型运载平台的发射和运行环境条件较差，如何使其既满足轻量化要求又 有很好的机械性能和很好的防辐射能力，是一个错综复杂的问题。相机结构轻量化 需采用突破常规的薄壁结构，选择与飞机机械接口合适的位置，选择轻质、高比刚度 要求的材料。在满足测量要求的前提下，尽可能采用先进的小像元尺寸的 CCD器件,使光学系统焦距适当缩小，减轻镜头的体积和质量。电子学设计需要使电路板最 少。相对来讲，光学系统的设计是非常重要的、既要满足系统的消偏设计，又要满足进 入系统的能量需求。在设计过程中，作者采用了如图 1所示的光路图。前置光学系 统的相对孔径为 1 4,焦距 f=300nmi,中继光学系统的相对孔径也是 1 4,焦距 f=150nmi,光学系统的消偏设计通过两个正交的反射面来完成。光谱偏振 CCD相机的辐射定标，特别偏振度的定标是一个十分突出的关键问 题。法国（搭载日本 ADEOS-I卫星的 POLDER偏振仪是采用积分球辐射定标系统，先对起辐射响应进行定标，然后在积分球出口处加入起偏器完成仪器的偏振度定标。作为偏振探测仪器，除了在光 学系统设计等方面应尽量减弱自身偏振的影响外，对系统自身偏振的检测也属于定标检测的内容。图 1光学系统原理框图3光谱偏振信息应用的初步结果1998年，作者研制出一台随机调谐波段验证性光谱偏振 CCD相机，图 2是利用 验证性光谱偏振 CCD相机在一高楼楼顶对距离 300多米的建筑及其环境以大倾角 观测获得的 4幅光谱（强度和偏振图像。图 2（a和（b分别是 510mn处的强度和偏振 图像,可见偏振图像有更高的分辨能力;图 2（c和（d分别是 630nm处的强度和偏振图 像，很显然,偏振图像比一般的强度图像信息更加丰富、特别表现在人工目标细节的识 别上3-分議惮棱樓（a强度图（51 Onm（b偏振图（510nm一分儀体棱谊(c强度图(630nm(d偏振图(630mn图 2光谱偏振与光谱强度图像获取实验结果对比4结束语许多实际应用已经证明，空间的偏振探测在研究宇宙中的彗星、新星以及小行 星等方面是卓有成效的。对地偏振遥感信息的获取不仅仅是传感器技术本身的问题,还必须认真考虑各种物质及介质的偏振作用，如美国航天飞机所带回的 400多幅对 地观测的偏振图像使人们认识到偏振探测能提供更丰富的信息，然而这些偏振图像 中记录的是航天飞机窗口、大气及地面等综合的偏振作用，因此这些花费巨大代价 的偏振图像信息很难有效地定量应用。遥感信息在地球-大气系统中的辐射传输及其复合形成机理，即地球表面及大气 偏振作用的基础研究是制约光谱偏振遥感应用发展主要因素。此外,偏振遥感信息 较之一般强度遥感信息在解决哪些应用问题上有突出作用，即偏振遥感信息的主要 用户是谁，这些也是推动偏振遥感技术发展的根本要素。参考文献：l Baui T.Photonics Specti a,1999,(1:1252 Cur xaiit P J.Remote Sens mg of Envii oiunent,1982,12:4913 刘建国.波段随机调谐偏振成像光谱技术研究:学位论文.合肥中科院安徽光机所,19994 Deuze J L,et al.SPI E,1997,3121:342Research on Polarized Spectral Momtoimg foi Remote Sensing of Eaitli Qiao YanltYangSluzhi,Luo Ruizlu.Wang Ley tXun Yulong(Aiihui Institute of Optics and Fine Mechamcs.Cliinese Academy of Sciences,H efei230031AbstractT he differences in physics betw een lemote sensing using polanzation of liglit and that usingintensity of light are briefly analyzed.lt is lllustiated that polarization includes moie nifbimationcontents than intensity in descnbing dark taigets(or low liiadiaiiceand man-made taigets.Themteipietation pioceduies foi polanzation infbimation are sununaiized system atically.An aiibomepolarized spectral CCD canieia is designed and compaied w ith POLDER polaiunetei made byFiance.Key woids:Polaization detect,Remote sensingjoundation and applications(上接第 43页DCT Coefficient and Enoi ConcealmentGu JianYu Shengsheng.Zhou JingltZheng Juiihao.Clien Jiazliong(National Storage Lab.Computei Sci.&EngDepanmeiibHuazhong Umveisity of Science and Technology,Wuhan430074AbstractT he intia-block spatial redundancy can be compressed w ltli DCT based image compressionalgorithm,but the mtei-block spatial ledundancy is not compressed w hich can be used to cany outDCT based enoi concea-1 ment.DCT based image compression algontlim can compress the spatialredundancy of intia-block but not mter-block.DCT based enor concealment can cany out the intia-block spatial redundancy.The authors analyze the diffeient mfluence of DC、AC coefficient onimage quality and propose three DCT coefficient lecoiistiuction alg o-ntlunaiamely,SREC,ACRECand PREC.T lie DCT based enoi concealment algontlim can be used for ullage leconstmction onclient and concealment enoi caused by storage system 01 tiansnnssion channel.Key woids:Eiioi concealment.hnage compression,RAID
