第1章光学偏振遥感综述
1.1光学偏振遥感原理
偏振是光的固有特性之一。地球表面和大气中的任何目标物在与光相互作用过程中，由于目标物的表面状态、材料类型、含水量等以及光入射角度的不同，会产生其自身性质决定的出射辐射特征偏振，即光的偏振状态变化包含了这些作用对象的物理状态信息。由于传统光辐射遥感探测只考虑了电磁波的辐射强度特性和空间几何特性，而偏振遥感探测参量是对电磁波的辐射强度、方向、相位以及偏振状态等波谱特性进行描述，是传统光辐射遥感探测的一个有益补充，将信息量从三维空间（光强、光谱和空间）扩充到七维空间（光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转方向），有助于提高目标探测和地物识别的准确度[1]，故光学偏振遥感探测日益受到关注。
完整描述光波偏振态的方法有四种[2]：三角函数表示法、琼斯矢量表示法、斯托克斯（Stokes）矢量表示法、庞加莱（Poincaré）球表示法[3]。1852年Stokes提出用4个Stokes参量来描述任一光波的强度和偏振态的Stokes矢量表示法。被描述的光波可以是完全偏振光、部分偏振光和自然光，并且这4个Stokes参量都是光强的时间平均值，能够直接测量，故在遥感探测过程中多用Stokes矢量表示法。
Stokes矢量定义如下：
（1.1）
式中，分别表示在x和y方向上电场的振幅和相位；表示求电场强度的时间平均值；和分别表示放置在光波传播路径上一理想偏振片在0°、90°、45°、.45°检偏方向上的线偏振光以及右旋（r）和左旋（l）圆偏振光强。
当光波与物质相互作用时，出射光波的Stokes矢量与入射光波呈线性函数关系，即
（1.2）
式中，M是一个4×4阶矩阵，表示这种物质的特性及取向，称作缪勒（Mueller）矩阵。当一束光逐次通过一连串N个装置（光学系统）作用时，总的组合效果由以下缪勒矩阵来描述：
（1.3）
同样，光的偏振度P、偏振角.以及椭率角.的定义分别为
（1.4）
（1.5）
（1.6）
光学偏振测量系统一般都包括相位延迟器和线偏振器两种基本元件，根据不同检偏方向光的强度值，可以求出目标表面反射光的Stokes矢量，从而反演出介质的表面状态和物理、化学性质，此即偏振遥感的理论基础。
1.2偏振遥感历史与现状
国内外关于偏振遥感的研究主要集中在三个方面：偏振遥感仪器、目标偏振特征和偏振信息处理。
1.2.1国外相关研究进展
仪器的研究是偏振遥感的基础。国内外各科研机构根据需要研制了不同类型的仪器，早期的仪器是通过偏振片和1/4波片的组合来实现的，缺点是需要机械传动装置，效率和精度比较低，后来运用光栅或液晶结构进行了改进。总体来看，偏振遥感仪器的发展还不成熟，需要进一步研究改善。
此外，为了提高仪器探测效率，以色列的研究人员指出了偏振仪器中利用机械传动装置控制偏振片的缺点，测试了可以提高转换速度的液晶偏振片，取得了较好的效果[4]。美国西北大学利用光栅和分光系统代替偏振片，研制了一种全息Stokes偏振计，偏振测量装置示意图如图1.1所示[5]，可以有效提高测试效率和精度。
偏振遥感实验研究表明，在热红外波段利用偏振成像可以有效抑制背景影响，提高目标探测效率。纽约大学对飞机以及军事伪装车辆进行偏振特性研究，结果显示偏振度受波长影响很小，受探测方位角影响很大；自然背景如沙滩和林地的偏振度较低，相比之下偏振度较大的军事目标在偏振图像中非常明显。美国陆军利用自主研制的偏振成像仪采集了野外数据，实验发现植被因为随机分布没有偏振散射的取向性，而人造目标却显示出比较一致的偏振取向，可以用偏振角度图像有效地识别。偏振遥感在军事上的应用方兴未艾，目前已经在许多方面显示出独*优势。许多相关科研机构进行大量投入来研究目标和背景偏振特征，为偏振遥感的实际应用做准备。
1.2.2国内相关研究进展
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（以下简称安光所）研制了机载多波段偏振电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）相机样机，采用的是固定偏振片（三块偏振片的透过轴方位相差60°）和旋转滤光片轮结构。通过测试三个不同检偏方向上的光强度，计算Stokes参量中的I、Q、U三个参数。该偏振遥感系统采用三个科学级CCD相机分别输出三个偏振方向的图像数据，通过步进电机带动滤光片轮旋转进行波段切换[6]，这要求三个相机的视场要精确控制在同一个目标上。当然，也可以采用单个相机，利用旋转偏振片的方式进行数据采集，这就要求精确控制偏振片的旋转角度。
中国科学院上海技术物理研究所研制了六通道可见红外偏振计，该仪器增加了圆偏振测量功能，可得到全偏振参数。六个通道各有独立的光学系统，视场角1°，能够同时对同一个目标进行观测。光谱通道范围是0.67～2.15.m，波段宽度0.03～0.12.m[7]。
1.3光学遥感偏振探测系统介绍
偏振探测成像系统是成像技术、光谱探测技术和偏振探测技术的有机结合，可以获取目标的数据立方体，即在二维空间上每一点的偏振特性以及光谱特性。传统的偏振光谱成像技术有波长扫描法（单独获取每个波长位置的偏振图像）和空间扫描法（单独获取一维空间上的偏振光谱曲线）。近年来，为适应遥感探测领域的集约化发展趋势，该领域备受国内外相关科研人员的关注，新型的偏振成像光谱探测技术方案不断问世。
1.3.1非成像偏振探测系统
安光所研制的航空多角度偏振辐射计（aviation multi-angle polarimetric radiometer，AMPR）采用多光谱分孔径的强度/偏振辐射同步观测模式，是一种系统误差可忽略不计的新型遥感偏振探测仪器，用于抑制偏振测量的系统误差和随机误差，实现高精度测量；同时，可以对现有的其他偏振仪器和偏振光源的精确度进行检测和评估，测量波段覆盖可见至短波红外波段。
安光所设计了新型的无系统偏振误差的高精度线偏振辐射计（high precision polarization radiator，HPR）。舍弃同时性的追求，采用共光路和共同探测器设计实现多光谱和多偏振通道测量，保证了各个偏振探测通道完全的一致性，不存在异光路引起的系统误差，因此不需要偏振定标，原理如图1.2所示。
1.3.2成像偏振探测系统
偏振成像的研究始于20世纪70年代，美国、法国、英国、瑞典、荷兰等西方发达国家在这方面进行了大量的研究。随着各国对偏振光探测技术研究的不断深入，偏振光成像探测系统开始向体积小、成本低、精度高和适用范围广等方向高速发展。从偏振光探测设备类型和结构方面，可将成像偏振探测系统分为以下几类。
1.分时型成像偏振探测系统
分时型成像偏振探测系统包括机械旋转型和电控液晶型两种。机械旋转型，通过旋转偏振片，获得不同角度的偏振信息，需要运动部件进行偏振时序测量。法国已研制了机械旋转分时型偏振仪器（Polarization and Directionality of the Earth’sReflectances，POLDER），主要目的是探测云和大气气溶胶以及陆地表面和海洋状况。POLDER于1996年由日本ADEOS卫星携带进入空间轨道运行。2002年12月14日，POLDER-Ⅱ再次搭载日本的ADEOS-2卫星发射升空，并于2003年2月首次发回了光谱偏振卫星图像数据。自1999年起，法国国家空间研究中心（CNES）还开始了源于POLDER的PARASOL仪器的基础研究，并于2004年12月18日在法属圭亚那发射升空。利用获取的数据进行了大气偏振特性研究以及大气气溶胶粒子反演，主要用于大气科学研究和气象灾害预警。美国哥伦比亚大学、以色列工业大学等机构在相关部门资助下，开展了偏振光成像探测雾中目标的研究，研制了分时型可见光波段偏振相机，根据大气散射辐射是部分偏振的特性，发展了基于大气偏振特性的目标清晰化方法。
2.分振幅型成像偏振探测系统
美国SpecTIR公司研制的偏振光谱仪，有9个光谱偏振通道，用其进行了地面验证试验及航空飞行试验，获取了超过100h的偏振扫描成像数据，主要用于陆地和海洋上空气溶胶光学特性和微物理特性研究。该类设备结构复杂、体积大，不符合轻小型化应用需求。美国的气溶胶偏振测量仪（Aerosol Polarimetry Sensor，APS）采用沃拉斯顿棱镜实现偏振分光，采用36个探测单元，可同时获取目标9个波段（443～2250nm）、4个检偏方向的光谱偏振信息[8]。图1.3为APS的整机实物图和光学系统布局示意图，图1.4则给出了探测系统布局。APS是一种扫描型的偏振探测系统，相比于面阵型成像系统，它消除了多路信息分时获取带来的观测误差，更容易实现在轨偏振定标和多角度探测，由于采用了单元探测器，其探测波段范围更广，并且在反演大气特性参数时精度得到提高[9-11]。
3.分波前型成像偏振探测系统
分波前型成像偏振探测系统又叫分孔径型成像偏振探测系统，采用多光路、单探测器结构，可实时获取偏振信息。2008年美国陆军研究发展工程中心（ARDEC）下属的精确武器实验室（PAL）、洛克希德 马丁公司先进技术中心等进行了仪器性能测试。
4.分焦平面型成像偏振探测系统
分焦平面型成像偏振探测系统采用单光路、单探测器结构，能够实时获取偏振信息。2008年，美国在红石兵工厂进行了红外线偏振成像实时探测试验；2010年，美国华盛顿大学相关团队为了研究材料的偏振特性，设计了一种新型的偏振探测器件，中心波长为550nm，该探测系统将偏振元件集成到互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）焦平面探测器阵列上，并且划分为1000×1000个微小单元，每相邻的四个单元偏振方向分别为0°、45°、90°和135°，并组成一组，实现偏振信息探测[12]。美国华盛顿大学研制的分焦平面探测器原理图如图1.5所示。
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