Analysis of the atmospheric multi-angle polarimetric radiometer for aerial remote sensing and its test experiments

航空遥感大气多角度偏振辐射计及测试实验分析 Analysis of the atmospheric multi-angle polarimetric radiometer for aerial remote sensing and its test experiments 1 2 3 corresp first-author E-mail： xbsun@aiofm.ac.cn E-mail： xbsun@aiofm.ac.cn 孙晓兵（1966-），男，安徽巢湖人，博士，研究员，博士生导师，2005年于中国科学院安徽光学精密机械研究所获得光学专业理学博士学位，主要从事光学遥感技术系统、偏振遥感机理及信息模型、航空和卫星大气偏振探测等方面的研究。E-mail： xbsun@aiofm.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228288&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228292&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228290&type= 22.01333237 32.00399780 孙晓兵 （1966-），男，安徽巢湖人，博士，研究员，博士生导师，2005年于中国科学院安徽光学精密机械研究所获得光学专业理学博士学位，主要从事光学遥感技术系统、偏振遥感机理及信息模型、航空和卫星大气偏振探测等方面的研究。E-mail： xbsun@aiofm.ac.cn xbsun@aiofm.ac.cn 1 2 1 2 1 2 1 2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 Hefei Institutes of Physical Science， Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China Hefei Institutes of Physical Science， Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031 Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽 合肥 230031 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽 合肥 230031 Hefei Agricultural Industry Chief Expert Studio， Hefei 230031， China Hefei Agricultural Industry Chief Expert Studio， Hefei 230031， China 地球大气与气候变化密切相关，且影响着人类健康和生态环境，大气监测具有重要意义。大气气溶胶散射辐射的偏振敏感性为光学偏振遥感技术应用于大气探测提供了新思路。结合我国航空遥感系统技术发展和环境大气遥感监测需求，提出了一种航空大气多角度偏振探测方法，突破集束式偏振光学系统设计和偏振定标等关键技术，研制了大气多角度偏振辐射计。首先，介绍辐射计偏振探测原理，讨论光学系统方案设计，分析辐射计多角度探测和定标精度对气溶胶柱浓度反演后验误差的影响；其次，利用标准偏振光发生器和绝对辐射定标系统，对辐射计偏振测量精度进行验证，并得到绝对辐射定标不确定度；再次，针对辐射计航空遥感模式，研发专门的多角度多光谱偏振探测数据处理系统；最后，开展外场实验分析，通过航空与地面同步观测实验，验证了辐射计各项指标。研究结果表明：辐射计的绝对辐射定标不确定度优于4%，偏振测量精度优于0.5%，同步比对站点的大气气溶胶光学厚度反演精度优于0.05。该辐射计获取的偏振数据可反演得到大气气溶胶光学厚度等参数，满足区域环境大气监测应用需求。 The Earth’s atmospheric conditions are closely related to climate change and affect human health and ecological environments. Therefore， atmospheric monitoring is of considerable importance. The polarization sensitivity of atmospheric aerosol scattering radiation provides a new idea for the application of optical polarization remote sensing technology for atmospheric detection. Combining the technical development of China's aerial remote sensing system and the demand for environmental atmospheric remote sensing monitoring， an aerial atmospheric multi-angle polarization detection method is proposed. The key technologies include a cluster polarization optics system design， polarization calibration， etc. The atmospheric multi-angle polarimetric radiometer was developed. First， the polarization detection principle of this radiometer is introduced. Thereafter， the optical system solution design is discussed. The influence of multi-angle detection and calibration accuracy of the radiometer on the posterior error of atmospheric aerosol column concentration retrieval was analyzed. Next， using the standard polarized light generator and the absolute radiometric calibration system， the polarization measurement accuracy of the radiometer was verified， and the absolute radiometric calibration uncertainty was obtained. Next， the special multi-angle and multi-spectral polarization detection data processing system was developed for radiometer airborne remote sensing mode. Finally， the field experimental analysis was conducted. The specifications of the radiometer were verified via aerial flight campaigns and ground-based synchronous observation experiments. The results show that the absolute radiation calibration uncertainty of the radiometer is better than 4%. The polarization measurement error was less than 0.5%， and the aerosol optical thickness retrieval error at the synchronous comparison site was less than 0.05. The polarization data measured by the radiometer can be retrieved to obtain atmospheric aerosol optical thickness and other parameters， which can meet the application requirements of regional environmental atmospheric monitoring. 航空 偏振 遥感 多角度 辐射计 aviation polarization remote sensing multi-angle radiometer 1 引 言 1 地球大气气溶胶辐射对气候变化有着重要影响，且气溶胶时空变化与环境大气质量密切相关，利用遥感手段进行气溶胶探测意义重大。目前，大气气溶胶探测主要分为主动和被动两种方式，主动方式大气探测以激光雷达为典型代表，根据任务使命不同分为地基、航空和卫星等激光雷达大气探测平台，用于获取包括气溶胶垂直廓线在内的多种大气探测数据。例如国际上CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星配置的气溶胶和云偏振激光雷达载荷 ［ 1 1 ］ （The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization， CALIOP），用于气溶胶和云的偏振辐射探测 ［ 2 2 - 4 4 2-4 ］ 。而大气气溶胶被动观测方式则主要利用气溶胶的光谱特性差异实施光谱辐射探测，研制专门用途的气溶胶多光谱探测仪，用于获取气溶胶光学和微物理特性参数，为大气环境监测、数值天气预报、气候变化和大气科学研究等领域提供丰富的数据源。大气气溶胶多光谱遥感技术研究中，近年来发展起来的光学偏振测量技术较好地应用于气溶胶探测领域，地基、航空和卫星平台均有相应的偏振多光谱遥感仪器进行气溶胶特性参数探测 ［ 5 5 - 6 6 5-6 ］ ，这与气溶胶散射辐射的偏振光谱敏感性密切相关。 在被动太阳反射波段遥感中，太阳光入射地表-大气系统，大气气溶胶粒子、地表与之相互作用产生散射、吸收及反射辐射，出射辐射将有一定程度的偏振及其变化，且这种偏振态的变化与地气性质密切相关，此即采用光学偏振遥感技术进行气溶胶探测的科学依据所在。进一步考虑气溶胶遥感探测相对较粗的空间分辨率，气溶胶散射辐射表现较强的偏振效应；相比较而言，大气探测的下垫面地物，由于遥感空间尺度较大而呈现相对较弱的偏振特性，且地物偏振特性不具有光谱敏感性，这为航空和卫星气溶胶偏振探测的地表干扰信息扣除提供了便利条件 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 。 光学偏振遥感中，可以采用Stokes矢量表示来自目标光的偏振态，而表征目标的偏振特征信息参量则需要多个独立的强度量联合计算而得。因此，通过偏振测量获取目标的Stokes参量，其测量方式多为时序和空间调制测量，当然也有光谱调制或多种方式联合测量方式。通常，用于大气气溶胶偏振遥感的地基和卫星平台偏振探测，平台装载的仪器与被测目标处于相对静止状态或运行状况可控的情形，采用时序测量方式是优化选择。例如，全球气溶胶自动观测网AERONET站点的气溶胶观测，使用的探测仪是法国CIMEL公司生产的CE318型太阳光度计，其偏振光谱测量采用滤光片/偏振片转轮的时序测量方式。卫星大气偏振辐射探测载荷法国的POLDER（POLarization and Directionality of the Earth's Reflectances） ［ 9 9 ］ 及中国的DPC（Directional Polarized Camera） ［ 10 10 ］ 也采用时序测量的滤光片/偏振片转轮加光楔光路补偿的办法，实现偏振光谱高精度测量，像元配准精度能够达到十分之一像元。但是，由于航空遥感平台及其环境大气作业任务的特殊性，机载大气偏振遥感采用偏振光谱同时探测的空间域测量方式非常合适，美国的航空RSP（Research Scanning Polarimeter） ［ 11 11 ］ 仪器，包括星载APS（Aerosol Polarimetery Sensor） ［ 12 12 ］ 和本文讨论的航空遥感平台装载的航空大气多角度偏振辐射计AMPR（Atmospheric Multi-angle Polarimetric Radiometer）（以下简称AMPR或辐射计）即是采用分孔径结合偏振分振幅的仪器构型。当然，也有其他偏振分析体制的偏振光谱仪，如荷兰采用基于强度调制方式研制的航空版无动件的SPEX（Spectro-polarimeter for Planetary EXploration）仪器 ［ 13 13 ］ ，具有多角度光谱偏振辐射探测能力。 本文在介绍航空遥感大气多角度偏振辐射计（AMPR）的气溶胶偏振探测原理、光学系统设计方案之后，利用“最优化估计理论”，分析了AMPR探测角度和定标精度对气溶胶参数反演的影响。并对AMPR进行偏振和辐射定标，研发了AMPR专用多角度多光谱偏振探测数据处理系统，通过航空地面同步观测实验分析等，验证了该仪器的功能和性能指标，也为后续卫星大气偏振探测的扫描类偏振辐射计工程研制和偏振探测数据反演方法及应用提供重要工程和理论方法支撑。 2 航空遥感AMPR偏振探测原理及光学系统方案设计 1 2.1　AMPR偏振探测原理 2 大气气溶胶具有时空变化分布特征，其散射辐射呈现一定程度的偏振光谱变化及探测角度敏感性。对于区域环境大气气溶胶监测来说，机载平台有着便捷、实时高效和多时相的遥感特点，其上装载的AMPR则是有效的气溶胶偏振探测仪器。在进行AMPR构型设计时，分孔径多路平行偏振光谱信息同时获取是优选设计方案，以保证其偏振测量的高精度，利于采用偏振光谱信息反演气溶胶特性参数，比如气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）及Ångström指数等。AMPR采用前置扫描镜结合集束式多路平行子光学系统的仪器主体光机构型，实现航线上气溶胶多角度、多光谱偏振探测功能，进而自行专门研发基于AMPR探测数据的气溶胶特性参数反演算法，实现气溶胶光学厚度等参数的反演。 AMPR设计有可见-近红外至短波红外6个光谱波段。其中，设置的短波红外波段，主要是考虑地气分离及较大粒子气溶胶偏振探测的需求。利用遥感飞机平台开展区域环境气溶胶探测时，驱动辐射计前端的正交消偏振反射镜进行±55°扫描，收集气溶胶目标信号，经集束 式6 式6 路平行望远子光学系统，到达每对通道的渥拉斯顿（Wollaston）棱镜，一对棱镜之间的方位互成45°，构成偏振分析组件进行偏振分束，这样入射光路的气溶胶散射光信号检偏为0°，90°，45°和135°等4个不同电场振动方向的线偏振光。由上述4路偏振分析信号可以解算得到入射目标光的Stokes参数 I ， Q ， U ，如 公式（1） 公式（1） 所示。进而得到线偏振度DoLP（Degree of Linear Polarization）和偏振反射率 <math id="M1"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228295&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228294&type= 3.89466691 3.72533321 ，分别如 式（2） 式（2） 和 式（3） 式（3） 所示： <math display="block" id="M2"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>I</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">45</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">90</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">135</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Q</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">90</mn><mo>°</mo></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>U</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">45</mn><mo>°</mo></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">135</mn><mo>°</mo></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228299&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228297&type= 45.29666519 14.73200035 ， <math display="block" id="M3"><mi>D</mi><mi>o</mi><mi>L</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mroot><mrow><msup><mrow><mi>Q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mi>U</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow/></mroot></mrow><mrow><mi>I</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228303&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228301&type= 31.75000000 8.97466660 ， <math display="block" id="M4"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi><mroot><mrow><msup><mrow><mi>Q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mi>U</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow/></mroot></mrow><mrow><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228308&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228306&type= 28.70199966 10.07533360 ， 其中： I 是总的光强度值， Q 是水平与垂直线偏振分量的差值， U 是45°和135°线偏振分量的差值， <math id="M5"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>°</mo></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228312&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228310&type= 3.04800010 3.72533321 ， <math id="M6"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">45</mn><mo>°</mo></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228318&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228315&type= 4.06400013 3.72533321 ， <math id="M7"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">90</mn><mo>°</mo></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228321&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228319&type= 4.06400013 3.72533321 和 <math id="M8"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">135</mn><mo>°</mo></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228325&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228323&type= 4.99533367 3.72533321 是探测器接收到的偏振光强度值， <math id="M9"><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228329&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228327&type= 3.80999994 3.72533321 是大气层外太阳光谱照度值， <math id="M10"><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228333&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228331&type= 3.30200005 4.57200003 是太阳天顶角的余弦。 AMPR分为偏振辐射计主体和电控-电源-温控显示箱两部分，其组成原理图如 图1 图1 所示。 图1 图1 中，AMPR设计有机上相对辐射定标积分球光源即定标模块，以及探测器暗本底测量窗口。在前置正交扫描镜一个扫描周期内，AMPR可对气溶胶散射信号、相对辐射定标信号和探测器暗本底信号等进行采样，得到多角度、多光谱偏振辐射探测信号，解析出偏振态参量 I ， Q ， U ，再使用气溶胶多角度多光谱偏振辐射信息联合反演算法，反演得到气溶胶光学厚度AOD等特性参数 ［ 14 14 ］ 。 根据航空大气气溶胶偏振遥感的具体研制和应用要求，给出了AMPR的主要技术指标如 表1 表1 所示。 名称 指标 中心波长/nm 490，555，665，865，960，1640 带宽/nm 20~60 瞬时视场（IFOV） 17 mrad 扫描范围/（°） 沿飞行方向扫描最大角度范围：-55°~+55°，采样间隔1° 偏振检测方向/（°） 线偏振，4方向：0°，45°，90°，135° 探测器 双元Si Pin探测器（<1 100 nm） 双元InGaAs探测器（>1 100 nm） 量化精度 12 bits 工作方式 沿飞行方向扫描 绝对辐射定标不确定度 优于4% 偏振测量精度 优于0.5% 2.2　AMPR光学系统方案设计 2 针对区域环境大气气溶胶航空遥感监测需求，设计了光机结构紧凑的AMPR，方便安装于遥感飞机机腹位置，用于气溶胶特性的航空偏振探测。AMPR的光学前端设计正交扫描反射镜，随着遥感飞机飞行，扫描镜转扫，获取航线上气溶胶散射辐射的偏振信号，仪器瞬时视场（IFOV）为17 mrad，也即1°瞬时探测视场，设计扫描探测采样间隔也为1°，这样在一个扫描周期的±55°探测范围内，可以获取多达111个探测角度的气溶胶偏振辐射信号。考虑到飞机气密舱光学探测窗口玻璃的偏振效应，不利于气溶胶高精度偏振探测。因此，AMPR优选装载于飞机后部的非气密开口，但是飞行作业时非气密开口的环境温度较低，为了保证辐射计光学系统，特别是偏振分析棱镜的性能，相应地对AMPR辐射计主体部分的光学系统结构组件外壳增加了热控设计，以保证遥感作业时低温环境仪器的稳定可靠。为了实现高精度偏振光谱探测，对其光学系统关键模块进行了设计。 AMPR设计有6个偏振光谱探测波段（分别为490 nm，555 nm，665 nm，865 nm，960 nm和1 640 nm等6个波段），每1个光谱波段的气溶胶光辐射信号的Stokes参量，需要经过双Wollaston棱镜偏振解析为4路偏振辐射信号组合解算。 为了实现大气气溶胶的6个光谱波段的偏振探测功能，采用集束式结构设计了6路光学子系统，分为3组。为了便于6个光谱波段的有效分色，将集束式多光学子系统的光谱波段设置为：490 nm，665 nm和960 nm共用一组光学子系统，555 nm和865 nm波段共用一组光学子系统，1 640 nm波段占用一组光学子系统。 图2 图2 给出了AMPR的单组3波段（包括490nm，665nm和960nm等3个光谱波段）光路示意图。在望远光学镜组之后，先设置Wollaston棱镜进行入射光辐射的偏振分析，单组2路光信号经过互成45°放置的Wollaston棱镜（2块棱镜的放置位置如 图2 图2 最右端示意），出射4路电场振动方向分别为0°，45°，90°和135°的偏振辐射信号，再经过分色、聚焦、滤波后，被2只双元探测器接收。其中，Wollaston棱镜的分束角需要根据双元探测器的2个探元的间距设计，其分束角 <math id="M11"><mi>ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228348&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228346&type= 2.20133328 3.64066648 计算如 式（4） 式（4） 所示。 <math display="block" id="M12"><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">g</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi><mo stretchy="false">]</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228358&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228356&type= 42.07933044 4.82600021 ， 其中： <math id="M13"><mi>α</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228362&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228360&type= 1.94733346 2.79399991 是棱镜结构角， <math id="M14"><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228366&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228364&type= 3.04800010 3.72533321 和 <math id="M15"><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>e</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228370&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228368&type= 2.87866688 3.72533321 分别对应 <math id="M16"><mi>o</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228373&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228372&type= 1.86266661 2.79399991 光和 <math id="M17"><mi>e</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228375&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228374&type= 1.52400005 2.79399991 光在棱镜晶体中的主折射率。 3组光学子系统装配于集束式结构中，考虑到光路中渥拉斯顿棱镜方位角的装调精度是影响AMPR的高精度偏振测量的因素，在光机装调中采用科学级CCD相机结合安装偏振片的高精度转台完成了6个通道的棱镜精细装调，装调结果误差小于0.05°，满足要求。 AMPR实现6个光谱波段的同时偏振探测，随着正交扫描镜转扫，可以获取航线上高精度多角度偏振辐射信息、暗本底和相对辐射定标数据。经过偏振/辐射定标，可进行基于多角度多光谱偏振辐射的区域环境气溶胶的特性参数反演。 3 AMPR探测角度与定标精度对气溶胶参数反演的影响分析 1 3.1　最优化估计理论简述及模拟条件设置 2 3 . 1 . 1　最优化估计理论概述 3 在最优化估计理论的框架下，利用信号自由度（Degree of Freedom for Signal， DFS）和后验误差定量分析AMPR探测角度个数及定标精度对气溶胶柱浓度反演的影响。后验误差如 式（5） 式（5） 所示 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ ： <math display="block" id="M18"><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">S</mi><mo>̂</mo></mover><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">K</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mo>∈</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msubsup><mi mathvariant="bold-italic">K</mi><mo>+</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msubsup><msup><mrow><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228377&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228376&type= 36.91466904 5.33400011 ， 其中： K 为雅可比矩阵，矩阵中的元素 K i ， j 如 式（6） 式（6） 所示： <math display="block" id="M19"><msub><mrow><mi>K</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1,2</mn><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mi>m</mi><mo>;</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228379&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228378&type= 67.90267181 4.91066647 ， 其中， m ， n 分别为测量矢量和状态矢量的个数。 <math id="M20"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228383&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228381&type= 3.47133350 3.72533321 ， <math id="M21"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mo>∈</mo></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228389&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228386&type= 3.80999994 3.72533321 分别为反演参量的先验误差协方差矩阵和测量误差协方差矩阵。 DFS的数学描述如 式（7） 式（7） 所示： <math display="block" id="M22"><mi>D</mi><mi>F</mi><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>T</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mi>e</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="bold-italic">A</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228393&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228391&type= 42.07933044 8.55133343 ， 其中： A 为平均核矩阵，是后验状态向量相对于真实状态的导数 ［ 17 17 - 18 18 17-18 ］ ，数学描述如 式（8） 式（8） 所示： <math display="block" id="M23"><mi mathvariant="bold-italic">A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">K</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mo>∈</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msubsup><mi mathvariant="bold-italic">K</mi><mo>+</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msubsup><msup><mrow><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msup><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">K</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mo>∈</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msubsup><mi mathvariant="bold-italic">K</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228396&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228395&type= 61.04467010 8.04333401 ， 通常，当某个参数的DFS > 0.5，可以认为该参数能够通过观测反演得到 ［ 19 19 - 20 20 19-20 ］ 。 3 . 1 . 2　模拟条件设置 3 模拟条件设置：太阳天顶角30°，相对方位角为0°和180°，气溶胶模式如 图3 图3 所示，气溶胶光学厚度为：AOD@550 nm=0.5。 3.2　AMPR多角度探测优势分析 2 AMPR遥感作业沿航线飞行扫描探测角度范围为： - 55°~55°，探测间隔为1°，分析AMPR的多角度探测条件下的总的DFS和气溶胶柱浓度反演后验误差情况。对于粗粒子和细粒子分别占优势的气溶胶模型，总的DFS和气溶胶柱浓度反演后验误差随探测角度数的变化分别如 图4 图4 和 图5 图5 所示。 由 图4 图4 可知，随着AMPR探测角度数的增加，总的DFS逐渐增大，表明AMPR对大气气溶胶参数的反演能力增强。 图5 图5 为大气气溶胶柱浓度反演的后验相对误差随AMPR探测角度数变化的趋势，其中VOL_F和VOL_C分别为细模态柱浓度和粗模态柱浓度，与气溶胶光学厚度具有对应关系。 由 图5 图5 可知，随着AMPR观测角度数的增加，后验相对误差逐渐降低。后验相对误差越小，表明气溶胶参数反演结果越准确，不确定度越小。 3.3　AMPR偏振/辐射测量精度对气溶胶柱浓度反演后验误差的影响 2 3 . 3 . 1　AMPR偏振测量精度对气溶胶柱浓度反演后验误差的影响 3 设AMPR的辐射测量误差为4%，偏振测量精度在0.2%~2%之间变化，间隔0.2%，气溶胶柱浓度反演的后验相对误差变化如 图6 图6 所示。 由 图6 图6 可知，在设置AMPR的辐射测量误差为4%条件下，偏振测量误差对气溶胶柱浓度反演的后验相对误差几乎呈线性增加。AMPR经过偏振定标后，其偏振测量的高精度，使得气溶胶柱浓度反演的误差显著减小。 3 . 3 . 2　AMPR辐射测量精度对气溶胶柱浓度反演后验误差的影响 3 设置AMPR的偏振测量精度为0.5%，辐射定标精度从2%~7%之间变化，间隔1%，气溶胶柱浓度反演的后验误差变化如 图7 图7 所示。 由 图7 图7 可知，随着AMPR辐射测量误差的增大，气溶胶柱浓度的反演后验相对误差呈线性增加。AMPR的高精度绝对辐射定标有利于其高精度辐射测量，从而得以保证大气气溶胶柱浓度的反演精度。 4 AMPR偏振测量精度验证及辐射定标 1 AMPR用于航空大气气溶胶偏振探测，利用获取的偏振光谱辐射数据用于反演气溶胶光学厚度等特性参数，参与反演的探测数据需要定量化处理，即辐射计的偏振测量精度和绝对辐射定标精度是重要的前提保障。因此，在整机装调完成之后，对其进行偏振定标、偏振测量精度验证和辐射定标检测，后者主要分为实验室绝对辐射定标和飞行遥感观测过程的相对辐射定标两部分。 4.1　AMPR偏振测量精度验证 2 AMPR设计时，考虑了自身偏振效应问题。采用正交扫描镜消除了扫描反射镜带来的偏振效应，而设计的17 mrad仪器小瞬时视场和相对简单的光学系统结构使得其偏振效应相对较低。因此，辐射计的偏振定标主要在于望远光学子系统的安装应力和Wollaston棱镜安装方位偏差引起仪器Mueller矩阵的非理想性。设正交扫描镜的Mueller矩阵为 <math id="M24"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228433&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228431&type= 5.41866684 3.80999994 ，望远光学组件的Mueller矩阵为 <math id="M25"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228436&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228434&type= 4.57200003 3.80999994 ，Wollaston棱镜等效的4路偏振片的Mueller矩阵为 <math id="M26"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228440&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228438&type= 4.82600021 3.80999994 ，则双元探测器的每1个探元接收到的光辐射的Stokes矢量 <math id="M27"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>o</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228444&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228442&type= 3.47133350 3.72533321 为 公式（9） 公式（9） 所示： <math display="block" id="M28"><mtable><mtr><mtd><mi mathvariant="bold-italic">S</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">M</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228448&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228446&type= 63.24599838 9.82133293 式（9） 式（9） 中， <math id="M29"><mi mathvariant="bold-italic">T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228453&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228451&type= 8.29733276 3.55599999 为旋转Mueller矩阵，用于各个Mueller矩阵的坐标转换。 <math id="M30"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">S</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228458&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228455&type= 3.13266683 3.72533321 是入射光辐射的Stokes矢量。当然， 公式（9） 公式（9） 是探测方程的一般形式，其中还需要对较多的误差项进行偏振定标。主要包括：正交双反射镜的正交误差，望远镜组的相位延迟，Wollaston棱镜的消光系数以及由Wollaston棱镜出射互为90°线偏振辐射的相对定标系数，单组中的2个单光学子系统之间的相对定标系数，还有集束 式3 式3 组平行光学子系统构成的6个光谱波段的绝对辐射定标系数等 ［ 21 21 ］ 。 在AMPR偏振辐射定标完成之后，采用标准偏振发生器对辐射计进行偏振测量精度验证测试。标准偏振光发生器为中科院合肥物质科学研究院安徽光机所自研设备，其出射光的偏振角为0°~360°方位可调，偏振度为0~70%无级可调。 AMPR设计时考虑了不同下垫面的大气气溶胶航空探测，可以根据下垫面反射率分布情况，AMPR仪器相应设置低增益和高增益2个档位，以满足探测需求。 同样，在2个增益档位上对AMPR的偏振测量精度进行了验证，结果类似，本文给出了低增益档位的偏振测量精度结果，如 表2 表2 所示。 2 波段与玻片 调整角度 4 490 nm 4 555 nm 4 665 mm 10° 20° 40° 60° 10° 20° 40° 60° 10° 20° 40° 60° 理论值（标准偏振发生器输出偏振度） 0.7 2.88 13.17 35.33 0.69 2.85 13.06 35.09 0.68 2.82 12.93 34.82 测量值 0.62 2.73 12.76 34.69 0.68 2.79 12.92 35.33 0.56 2.68 12.77 34.65 偏差 -0.08 -0.15 -0.41 -0.64 -0.01 -0.06 -0.14 0.24 -0.12 -0.14 -0.16 -0.17 平均偏差 4 0.32 4 0.11 4 0.14 2 波段与玻片 调整角度 4 865 nm 4 960 nm 4 1 640 nm 10° 20° 40° 60° 10° 20° 40° 60° 10° 20° 40° 60° 理论值（标准偏振发生器输出偏振度） 0.67 2.79 12.8 34.53 0.67 2.79 12.78 34.48 0.66 2.73 12.52 33.9 测量值 0.46 2.55 12.63 34.79 0.48 2.54 12.51 34.23 0.47 2.55 12.42 34.38 偏差 -0.21 -0.24 -0.17 0.26 -0.19 -0.25 -0.27 -0.25 -0.18 -0.18 -0.1 0.48 平均偏差 4 0.22 4 0.24 4 0.24 % 由 表2 表2 可知，AMPR的6个光谱偏振波段的偏振测量精度优于0.5%，达到了设计指标，具有非常高的偏振测量精度，高精度的多角度偏振光谱辐射探测数据，有利于满足区域环境大气遥感探测领域的应用需求。 4.2　AMPR辐射定标不确定度分析 2 在AMPR偏振测量精度验证的基础上，对其进行绝对辐射定标不确定度的评估，主要使用标准灯－漫反射参考板定标系统。辐射计的绝对辐射定标不确定度 u i 计算公式如 式（10） 式（10） 所示。 <math display="block" id="M31"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><msubsup><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow><mrow/></mroot></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228465&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228463&type= 34.20533371 4.99533367 ， 其中： <math id="M32"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228469&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228467&type= 4.57200003 3.72533321 是辐射定标系统不确定度。 <math id="M33"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228473&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228471&type= 4.57200003 3.72533321 是 i 探测通道非线性， <math id="M34"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228476&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37228475&type= 4.57200003 3.72533321 是 i 探测通道的非稳定性。 辐射定标系统的标准灯采用嗅钨灯，其辐射量值是经过标准溯源传递得到的，标准漫反射参考板具有BRDF数据支持。在低增益和高增益档位，分别对AMPR的绝对辐射定标不确定度进行了评估，测试了辐射计响应的非线性和非稳定性参数，得到AMPR在两个增益档位的绝对辐射定标不确定度， 表3 表3 给出了低增益档位的结果。 2 波段/nm 3 不确定性因素及贡献 2 合成标准 不确定度/% 标准灯－漫反射参考板定标系统的不确定度/% AMPR响应的 非线性/% AMPR响应的 非稳定性/% 490 3.25 0.36 0.13 3.27 555 3.25 0.28 0.21 3.26 665 3.25 0.17 0.19 3.25 865 2.73 0.28 0.07 2.74 960 2.73 1.1 0.11 2.94 1 640 3.58 0.75 0.07 3.65 由 表3 表3 可知，AMPR的6个光谱波段的绝对辐射定标不确定度在2.74%~3.65%之间。 5 AMPR专用多角度偏振探测数据处理流程及航空校飞实验分析 1 AMPR装载于遥感飞机进行航空飞行探测，可以同时获取大气目标的6个光谱波段24路偏振辐射信号，并通过扫描获取±55°范围的111个探测角度数据。对飞行探测数据进行预处理和后续数据的气溶胶特性参数反演，完成整个数据的自动处理流程。 此外，大气多角度偏振辐射计AMPR是按照我国《航空遥感系统——遥感设备设计与建造规范》实施设计等研制工作的，AMPR通过了相关的随机振动及冲击试验、高低温试验和电磁兼容试验等环境适应性试验，由于AMPR安装于遥感飞机的非气密舱，还根据试验规范完成了低气压试验，结果满足要求，具体结果就不赘述了。在此基础上，开展了AMPR航空与地面同步观测比对实验。 5.1　AMPR探测数据预处理流程 2 AMPR随遥感飞机飞行进行大气偏振探测，获取大气多角度多光谱偏振辐射数据，以DN值形式保存为原始数据文件。 在AMPR航空遥感探测时，由于飞机的位置和姿态会发生变化，直接影响AMPR探测数据的观测几何。因此，在AMPR进行探测作业时，配置了POS AV5.0定位定向系统，用于记录遥感飞机的飞行位置和姿态（含偏航、俯仰和横滚等参数），对AMPR的探测数据几何定位非常重要，是多角度多光谱偏振辐射数据预处理的重要环节。在AMPR的原始数据到0级数据处理时赋值到辅助信息中，生成AMPR的0级数据。 5 . 1 . 1　AMPR的0级数据处理 3 结合AMPR探测的辅助信息，例如：数据采样时间、采样增益、GPS信息（经度，纬度）、POS信息（航迹、偏航、横滚、俯仰、飞行高度 、飞行速度）、探测器本底数据、机上相对定标数据等，将原始数据格式化为AMPR的0级数据，以XML文件形式保存。0级数据以AMPR的一个扫描周期（约1秒钟）存储1条数据，共113个采样点数据，含一个采样周期111个目标采样点、1个定标采样点、1个暗电流采样点。 5 . 1 . 2　AMPR的1级数据处理 3 对AMPR的0级数据，进行数据归一化、暗背景扣除、姿态几何校正、机上相对定标修正、实验室辐射定标修正、实验室偏振定标修正等，生产1级产品，并对生成的1级产品做格式正确性和完整性校验，并输出预处理的处理进度、错误等信息。 5.2　基于AMPR偏振探测数据的气溶胶光学厚度反演流程 2 5 . 2 . 1　AMPR观测量模拟计算 3 在气溶胶反演过程中，需要模拟AMPR入瞳辐射量，包括大气程辐射、地表反射辐射和地气耦合辐射。实际上，对反演精度影响最大的是气溶胶模型估计和地气解耦合方法。为了提升气溶胶模型估计精度，在计算时采用由Lee等 ［ 22 22 ］ 利用AERONET观测数据提取的东亚地区气溶胶模型参数，该参数组包括六种细粒子类型和六种粗粒子类型，有利于提升东亚地区气溶胶反演精度。在此基础上使用RT3矢量辐射传输程序建立查找表，以备反演使用。 5 . 2 . 2　AMPR观测量的地气解耦合及气溶胶偏振反演 3 利用AMPR获取的865 nm和665 nm波段数据，计算得到下垫面的NDVI参数，再结合BPDF模型参数，实现基于实际观测的地表反射率动态获取，实现地气解耦。并构建反演流程，采用最小二乘残差的方法，达到模拟量与测量值的匹配，实现气溶胶光学厚度反演。 5.3　AMPR航空校飞实验分析 2 将AMPR装载于遥感飞机下部的非气密开口，开展了多架次航空校飞实验分析。AMPR的实物图及遥感飞行过程中机上AMPR遥感实验作业场景如 图8 图8 所示。 在飞行试验开始之前，根据飞机飞行的速高比事先设置AMPR的正交扫描镜扫描速度，以匹配偏振探测对观测目标的地面空间分辨率要求。 航空实验获取区域环境气溶胶偏振探测数据，采用AMPR专用的气溶胶特性参数偏振反演系统，进行气溶胶AOD的反演。在实验过程中，地面设置同步观测站点，采用CE318型太阳光度计同步站点观测数据反演的气溶胶光学厚度AOD作为比对参数。 表4 表4 是在天津-唐山地区一带开展的航空地面同步观测数据的比对结果 ［ 23 23 - 24 24 23-24 ］ 。 日期 时间 站点 AOD（670 nm）CE318 AOD（665 nm）AMPR 偏差 2013-04-29 11：11 曹妃甸 0.23 0.19 -0.04 2013-04-30 10：23 曹妃甸 0.14 0.12 -0.02 2013-05-01 10：37 曹妃甸 0.33 0.31 -0.02 2014-09-18 11：36 曹妃甸 0.15 0.12 -0.03 2014-09-18 12：02 丰南 0.19 0.17 -0.02 2014-09-18 12：23 宝坻 0.32 0.33 0.01 由 表4 表4 可知，AMPR飞行观测的气溶胶AOD与地面站点CE318太阳光度计观测数据作比对，其偏差均小于0.05。同时，利用航飞数据对多角度、多光谱偏振信息反演气溶胶AOD的算法进行了优化，即利用1 640 nm波段的偏振探测数据，对地气分离方法优化，提高了气溶胶AOD反演精度 ［ 25 25 - 26 26 25-26 ］ 。 2019年9月5日，实验区域选择我国西北部的阎良-白水-汾西一带，进行了AMPR的气溶胶偏振遥感探测实验，获取了航线上的气溶胶偏振辐射探测数据，截取了约20 min时长航空飞行的气溶胶探测数据，反演了航线上的气溶胶AOD。 图9 图9 是665 nm波段的气溶胶AOD在航线上的分布情况。 6 结 论 1 针对区域环境大气监测应用需求，研制了扫描+集束偏振分析光路+机上定标器构型的航空遥感大气多角度偏振辐射计AMPR，保证了航空大气探测的偏振和辐射探测精度。利用自行研发的多角度偏振反演及下垫面扣除算法，反演得到气溶胶光学厚度。研究结果表明，AMPR的绝对辐射定标不确定度好于4%，偏振测量精度优于0.5%，同步比对站点的气溶胶光学厚度反演精度优于0.05。 基于航空遥感平台的AMPR有着重要的应用前景，可以针对区域环境大气进行多频次快速监测，及时获取气溶胶光学厚度等特性参数，作为突发多区域雾霾污染事件航空遥感的新技术手段，实时有效获取气溶胶动态分布状况信息。此外，AMPR航空大气偏振探测还可实现相同观测模式的卫星遥感数据校验。 参考文献 WINKER D M ， HUNT W H ， HOSTETLER C A . Status and performance of the CALIOP lidar ［C］. Laser Radar Techniques for Atmospheric Sensing" ， " SPIE Proceedings. Maspalomas， Canary Islands， Spain. SPIE ， 2004 ， 5575 ： 8 - 15 . Status and performance of the CALIOP lidar FILONCHYK M . Characteristics of the severe March 2021 Gobi Desert dust storm and its impact on air pollution in China ［J］. Chemosphere ， 2022 ， 287 ： 132219 . doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132219 http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132219 Characteristics of the severe March 2021 Gobi Desert dust storm and its impact on air pollution in China CHEN B ， SONG Z H ， PAN F ， et al . Obtaining vertical distribution of PM 2.5 from CALIOP data and machine learning algorithms ［J］. Science of the Total Environment ， 2022 ， 805 ： 150338 . doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150338 http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150338 Obtaining vertical distribution of PM2.5 from CALIOP data and machine learning algorithms BRAKHASI F ， HAJEB M ， MIELONEN T ， et al . Investigating aerosol vertical distribution using CALIPSO time series over the Middle East and North Africa （MENA）， Europe， and India： a BFAST-based gradual and abrupt change detection ［J］. Remote Sensing of Environment ， 2021 ， 264 ： 112619 . doi: 10.1016/j.rse.2021.112619 http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2021.112619 Investigating aerosol vertical distribution using CALIPSO time series over the Middle East and North Africa （MENA）， Europe， and India： a BFAST-based gradual and abrupt change detection LEVIS A ， DAVIS A B ， LOVERIDGE J R ， et al . 3D cloud tomography and droplet size retrieval from multi-angle polarimetric imaging of scattered sunlight from above ［C］. SPIE Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 11833， Polarization Science and Remote Sensing X ， San Diego， California， USA . 2021 ， 1183305 . doi: 10.1117/12.2593369 http://dx.doi.org/10.1117/12.2593369 3D cloud tomography and droplet size retrieval from multi-angle polarimetric imaging of scattered sunlight from above EL-HABASHI A ， BOWLES J ， FOSTER R ， et al . Polarized observations for advanced atmosphere-ocean algorithms using airborne multi-spectral hyper-angular polarimetric imager ［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer ， 2021 ， 262 ： 107515 . doi: 10.1016/j.jqsrt.2021.107515 http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107515 Polarized observations for advanced atmosphere-ocean algorithms using airborne multi-spectral hyper-angular polarimetric imager DUBOVIK O ， LI Z Q ， MISHCHENKO M I ， et al . Polarimetric remote sensing of atmospheric aerosols： Instruments， methodologies， results， and perspectives ［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer ， 2019 ， 224 ： 474 - 511 . doi: 10.1016/j.jqsrt.2018.11.024 http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.11.024 Polarimetric remote sensing of atmospheric aerosols： Instruments， methodologies， results， and perspectives WAQUET F ， LÉON J F ， CAIRNS B ， et al . Analysis of the spectral and angular response of the vegetated surface polarization for the purpose of aerosol remote sensing over land ［J］. Applied Optics ， 2009 ， 48 （ 6 ）： 1228 - 1236 . doi: 10.1364/ao.48.001228 http://dx.doi.org/10.1364/ao.48.001228 Analysis of the spectral and angular response of the vegetated surface polarization for the purpose of aerosol remote sensing over land SALYUK P A ， STEPOCHKIN I E ， SHMIRKO K A ， et al . Use of polarization multi-angular measurements of the parasol satellite radiometer for detection of Asian dust storms over the marine surface ［C］. Proc SPIE 11560 ， 2020 ， 11560 ： 7L . doi: 10.1117/12.2576251 http://dx.doi.org/10.1117/12.2576251 Use of polarization multi-angular measurements of the parasol satellite radiometer for detection of Asian dust storms over the marine surface ZHENG F X ， LI Z Q ， HOU W Z ， et al . Aerosol retrieval study from multiangle polarimetric satellite data based on optimal estimation method ［J］. Journal of Applied Remote Sensing ， 2020 ， 14 ： 014516 . doi: 10.1117/1.jrs.14.014516 http://dx.doi.org/10.1117/1.jrs.14.014516 Aerosol retrieval study from multiangle polarimetric satellite data based on optimal estimation method CAIRNS B ， RUSSELL E E ， LAVEIGNE J D ， et al . Research scanning polarimeter and airborne usage for remote sensing of aerosols ［C］. Optical Science and Technology ， SPIE's 48th Annual Meeting. Proc SPIE 5158 ， Polarization Science and Remote Sensing ， San Diego ， California ， USA . 2003 ， 5158 ： 33 - 44 . doi: 10.1117/12.518320 http://dx.doi.org/10.1117/12.518320 Research scanning polarimeter and airborne usage for remote sensing of aerosols PERALTA R J ， NARDELL C ， CAIRNS B ， et al . Aerosol polarimetry sensor for the glory mission ［C］. SPIE Proceedings" 6786 ， "MIPPR 2007： Automatic Target Recognition and Image Analysis； and Multispectral Image Acquisition. Wuhan， China. SPIE ， 20076786 L. Aerosol polarimetry sensor for the glory mission SMIT J M ， RIETJENS J H H ， NOIA A D ， et al . In-flight validation of SPEX airborne spectro-polarimeter onboard NASA's research aircraft ER-2 ［C］. Proc SPIE 11180 ， International Conference on Space Optics-ICSO 2018 ， 111800 N. In-flight validation of SPEX airborne spectro-polarimeter onboard NASA's research aircraft ER-2 王涵 . 陆地上空气溶胶的航空多角度偏振反演研究 ［D］. 北京 ： 中国科学院大学 ， 2014 . doi: 10.1117/12.2177561 http://dx.doi.org/10.1117/12.2177561 陆地上空气溶胶的航空多角度偏振反演研究 WANG H . Study on the Retrieval of Aerosol Over Land Surface from Airborne Directional Polarized Measurements ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2014 . （in Chinese） . doi: 10.1117/12.2177561 http://dx.doi.org/10.1117/12.2177561 Study on the Retrieval of Aerosol Over Land Surface from Airborne Directional Polarized Measurements HASEKAMP O P ， LANDGRAF J . Retrieval of aerosol properties over the ocean from multispectral single-viewing-angle measurements of intensity and polarization： retrieval approach， information content， and sensitivity study ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres ， 2005 ， 110 （ D20 ）： D20207 . doi: 10.1029/2005jd006212 http://dx.doi.org/10.1029/2005jd006212 Retrieval of aerosol properties over the ocean from multispectral single-viewing-angle measurements of intensity and polarization： retrieval approach， information content， and sensitivity study FRANKENBERG C ， HASEKAMP O ， O'DELL C ， et al . Aerosol information content analysis of multi-angle high spectral resolution measurements and its benefit for high accuracy greenhouse gas retrievals ［J］. Atmospheric Measurement Techniques ， 2012 ， 5 （ 7 ）： 1809 - 1821 . doi: 10.5194/amt-5-1809-2012 http://dx.doi.org/10.5194/amt-5-1809-2012 Aerosol information content analysis of multi-angle high spectral resolution measurements and its benefit for high accuracy greenhouse gas retrievals MARTYNENKO D ， HOLZER-POPP T ， ELBERN H ， et al . Understanding the aerosol information content in multi-spectral reflectance measurements using a synergetic retrieval algorithm ［J］. Atmospheric Measurement Techniques ， 2010 ， 3 （ 6 ）： 1589 - 1598 . doi: 10.5194/amt-3-1589-2010 http://dx.doi.org/10.5194/amt-3-1589-2010 Understanding the aerosol information content in multi-spectral reflectance measurements using a synergetic retrieval algorithm XU X G ， WANG J . Retrieval of aerosol microphysical properties from AERONET photopolarimetric measurements： 1. Information content analysis ［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres ， 2015 ， 120 （ 14 ）： 7059 - 7078 . doi: 10.1002/2015jd023108 http://dx.doi.org/10.1002/2015jd023108 Retrieval of aerosol microphysical properties from AERONET photopolarimetric measurements： 1. Information content analysis ZHENG F X ， HOU W Z ， LI Z Q ， et al . Optimal estimation retrieval for directional polarimetric camera onboard Chinese Gaofen-5 satellite： an analysis on multi-angle dependence and a posteriori error ［J］. Acta Physica Sinica ， 2019 ， 68 （ 4 ）： 040701 . doi: 10.7498/aps.68.20181682 http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181682 Optimal estimation retrieval for directional polarimetric camera onboard Chinese Gaofen-5 satellite： an analysis on multi-angle dependence and a posteriori error HOU W Z ， LI Z Q ， WANG J ， et al . Improving remote sensing of aerosol microphysical properties by near-infrared polarimetric measurements over vegetated land： information content analysis ［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres ， 2018 ， 123 （ 4 ）： 2215 - 2243 . doi: 10.1002/2017jd027388 http://dx.doi.org/10.1002/2017jd027388 Improving remote sensing of aerosol microphysical properties by near-infrared polarimetric measurements over vegetated land： information content analysis 宋茂新 ， 孙斌 ， 孙晓兵 ， 等 . 航空多角度偏振辐射计的偏振定标 ［J］. 光学 精密工程 ， 2012 ， 20 （ 6 ）： 1153 - 1158 . doi: 10.3788/ope.20122006.1153 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122006.1153 航空多角度偏振辐射计的偏振定标 SONG M X ， SUN B ， SUN X B ， et al . Polarization calibration of airborne Muti-angle polarimetric radiometer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 6 ）： 1153 - 1158 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20122006.1153 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122006.1153 Polarization calibration of airborne Muti-angle polarimetric radiometer LEE K H ， KIM Y J . Satellite remote sensing of Asian aerosols： a case study of clean， polluted， and Asian dust storm days ［J］. Atmospheric Measurement Techniques ， 2010 ， 3 （ 6 ）： 1771 - 1784 . doi: 10.5194/amt-3-1771-2010 http://dx.doi.org/10.5194/amt-3-1771-2010 Satellite remote sensing of Asian aerosols： a case study of clean， polluted， and Asian dust storm days WANG H ， SUN X B ， SUN B ， et al . Retrieval of aerosol optical properties over a vegetation surface using multi-angular， multi-spectral， and polarized data ［J］. Advances in Atmospheric Sciences ， 2014 ， 31 （ 4 ）： 879 - 887 . doi: 10.1007/s00376-013-3100-5 http://dx.doi.org/10.1007/s00376-013-3100-5 Retrieval of aerosol optical properties over a vegetation surface using multi-angular， multi-spectral， and polarized data WANG H ， YANG L K ， DENG A J ， et al . Remote sensing of aerosol optical depth using an airborne polarimeter over North China ［J］. Remote Sensing ， 2017 ， 9 ： 979 . doi: 10.3390/rs9100979 http://dx.doi.org/10.3390/rs9100979 Remote sensing of aerosol optical depth using an airborne polarimeter over North China QIE L L ， LI Z Q ， SUN X B ， et al . Improving remote sensing of aerosol optical depth over land by polarimetric measurements at 1640 nm： airborne test in North China ［J］. Remote Sensing ， 2015 ， 7 ： 6240 - 6256 . doi: 10.3390/rs70506240 http://dx.doi.org/10.3390/rs70506240 Improving remote sensing of aerosol optical depth over land by polarimetric measurements at 1640 nm： airborne test in North China WANG H ， SUN X B ， YANG L K ， et al . Aerosol retrieval algorithm based on adaptive land-atmospheric decoupling for polarized remote sensing over land surfaces ［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer ， 2018 ， 219 ： 74 - 84 . doi: 10.1016/j.jqsrt.2018.08.011 http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.08.011 Aerosol retrieval algorithm based on adaptive land-atmospheric decoupling for polarized remote sensing over land surfaces 10.37188/OPE.20223022.2847 O436.3 A 1004-924X（2022）22-2847-13 孙晓兵,宋茂新,吴洋等.航空遥感大气多角度偏振辐射计及测试实验分析[J].光学精密工程,2022,30(22):2847-2859. 孙晓兵,宋茂新,吴洋等.航空遥感大气多角度偏振辐射计及测试实验分析[J].光学精密工程,2022,30(22):2847-2859. SUN Xiaobing,SONG Maoxin,WU Yang,et al.Analysis of the atmospheric multi-angle polarimetric radiometer for aerial remote sensing and its test experiments[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(22):2847-2859. SUN Xiaobing,SONG Maoxin,WU Yang,et al.Analysis of the atmospheric multi-angle polarimetric radiometer for aerial remote sensing and its test experiments[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(22):2847-2859. 国家重点研发计划资助项目（No.2016YFE0201400）；国家重大基础设施建设项目——航空遥感系统建设项目（No.O93AG44551）；航天科技创新应用研究项目（No.E23Y0H555S1） 2022-03-29 2022-06-07 2022-11-25 2022-11-24 光学精密工程 22 30