航空遙感大氣多角度偏振輻射計及測試實驗分析

孫曉兵，宋茂新，吳洋，張愛文，提汝芳

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.合肥市農(nóng)業(yè)行業(yè)首席專家工作室，安徽 合肥 230031）

1 引言

地球大氣氣溶膠輻射對氣候變化有著重要影響，且氣溶膠時空變化與環(huán)境大氣質(zhì)量密切相關(guān)，利用遙感手段進(jìn)行氣溶膠探測意義重大。目前，大氣氣溶膠探測主要分為主動和被動兩種方式，主動方式大氣探測以激光雷達(dá)為典型代表，根據(jù)任務(wù)使命不同分為地基、航空和衛(wèi)星等激光雷達(dá)大氣探測平臺，用于獲取包括氣溶膠垂直廓線在內(nèi)的多種大氣探測數(shù)據(jù)。例如國際上CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星配置的氣溶膠和云偏振激光雷達(dá)載荷［1］（The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP），用于氣溶膠和云的偏振輻射探測［2-4］。而大氣氣溶膠被動觀測方式則主要利用氣溶膠的光譜特性差異實施光譜輻射探測，研制專門用途的氣溶膠多光譜探測儀，用于獲取氣溶膠光學(xué)和微物理特性參數(shù)，為大氣環(huán)境監(jiān)測、數(shù)值天氣預(yù)報、氣候變化和大氣科學(xué)研究等領(lǐng)域提供豐富的數(shù)據(jù)源。大氣氣溶膠多光譜遙感技術(shù)研究中，近年來發(fā)展起來的光學(xué)偏振測量技術(shù)較好地應(yīng)用于氣溶膠探測領(lǐng)域，地基、航空和衛(wèi)星平臺均有相應(yīng)的偏振多光譜遙感儀器進(jìn)行氣溶膠特性參數(shù)探測［5-6］，這與氣溶膠散射輻射的偏振光譜敏感性密切相關(guān)。

在被動太陽反射波段遙感中，太陽光入射地表-大氣系統(tǒng)，大氣氣溶膠粒子、地表與之相互作用產(chǎn)生散射、吸收及反射輻射，出射輻射將有一定程度的偏振及其變化，且這種偏振態(tài)的變化與地氣性質(zhì)密切相關(guān)，此即采用光學(xué)偏振遙感技術(shù)進(jìn)行氣溶膠探測的科學(xué)依據(jù)所在。進(jìn)一步考慮氣溶膠遙感探測相對較粗的空間分辨率，氣溶膠散射輻射表現(xiàn)較強的偏振效應(yīng)；相比較而言，大氣探測的下墊面地物，由于遙感空間尺度較大而呈現(xiàn)相對較弱的偏振特性，且地物偏振特性不具有光譜敏感性，這為航空和衛(wèi)星氣溶膠偏振探測的地表干擾信息扣除提供了便利條件［7-8］。

光學(xué)偏振遙感中，可以采用Stokes矢量表示來自目標(biāo)光的偏振態(tài)，而表征目標(biāo)的偏振特征信息參量則需要多個獨立的強度量聯(lián)合計算而得。因此，通過偏振測量獲取目標(biāo)的Stokes參量，其測量方式多為時序和空間調(diào)制測量，當(dāng)然也有光譜調(diào)制或多種方式聯(lián)合測量方式。通常，用于大氣氣溶膠偏振遙感的地基和衛(wèi)星平臺偏振探測，平臺裝載的儀器與被測目標(biāo)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)或運行狀況可控的情形，采用時序測量方式是優(yōu)化選擇。例如，全球氣溶膠自動觀測網(wǎng)AERONET站點的氣溶膠觀測，使用的探測儀是法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE318型太陽光度計，其偏振光譜測量采用濾光片/偏振片轉(zhuǎn)輪的時序測量方式。衛(wèi)星大氣偏振輻射探測載荷法國的POLDER（POLarization and Directionality of the Earth's Reflectances）［9］及 中 國 的DPC（Directional Polarized Camera）［10］也 采 用 時 序 測 量 的 濾 光片/偏振片轉(zhuǎn)輪加光楔光路補償?shù)霓k法，實現(xiàn)偏振光譜高精度測量，像元配準(zhǔn)精度能夠達(dá)到十分之一像元。但是，由于航空遙感平臺及其環(huán)境大氣作業(yè)任務(wù)的特殊性，機載大氣偏振遙感采用偏振光譜同時探測的空間域測量方式非常合適，美國的航空RSP（Research Scanning Polarimeter）［11］儀器，包括星載APS（Aerosol Polarimetery Sensor）［12］和本文討論的航空遙感平臺裝載的航空大氣多角度偏振輻射計AMPR（Atmospheric Multiangle Polarimetric Radiometer）（以下簡稱AMPR或輻射計）即是采用分孔徑結(jié)合偏振分振幅的儀器構(gòu)型。當(dāng)然，也有其他偏振分析體制的偏振光譜儀，如荷蘭采用基于強度調(diào)制方式研制的航空版無動件的SPEX（Spectro-polarimeter for Planetary EXploration）儀器［13］，具有多角度光譜偏振輻射探測能力。

本文在介紹航空遙感大氣多角度偏振輻射計（AMPR）的氣溶膠偏振探測原理、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案之后，利用“最優(yōu)化估計理論”，分析了AMPR探測角度和定標(biāo)精度對氣溶膠參數(shù)反演的影響。并對AMPR進(jìn)行偏振和輻射定標(biāo)，研發(fā)了AMPR專用多角度多光譜偏振探測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過航空地面同步觀測實驗分析等，驗證了該儀器的功能和性能指標(biāo)，也為后續(xù)衛(wèi)星大氣偏振探測的掃描類偏振輻射計工程研制和偏振探測數(shù)據(jù)反演方法及應(yīng)用提供重要工程和理論方法支撐。

2 航空遙感AMPR偏振探測原理及光學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 AMPR偏振探測原理

大氣氣溶膠具有時空變化分布特征，其散射輻射呈現(xiàn)一定程度的偏振光譜變化及探測角度敏感性。對于區(qū)域環(huán)境大氣氣溶膠監(jiān)測來說，機載平臺有著便捷、實時高效和多時相的遙感特點，其上裝載的AMPR則是有效的氣溶膠偏振探測儀器。在進(jìn)行AMPR構(gòu)型設(shè)計時，分孔徑多路平行偏振光譜信息同時獲取是優(yōu)選設(shè)計方案，以保證其偏振測量的高精度，利于采用偏振光譜信息反演氣溶膠特性參數(shù)，比如氣溶膠光學(xué)厚度AOD（Aerosol Optical Depth）及?ngstr?m指 數(shù)等。AMPR采用前置掃描鏡結(jié)合集束式多路平行子光學(xué)系統(tǒng)的儀器主體光機構(gòu)型，實現(xiàn)航線上氣溶膠多角度、多光譜偏振探測功能，進(jìn)而自行專門研發(fā)基于AMPR探測數(shù)據(jù)的氣溶膠特性參數(shù)反演算法，實現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度等參數(shù)的反演。

AMPR設(shè)計有可見-近紅外至短波紅外6個光譜波段。其中，設(shè)置的短波紅外波段，主要是考慮地氣分離及較大粒子氣溶膠偏振探測的需求。利用遙感飛機平臺開展區(qū)域環(huán)境氣溶膠探測時，驅(qū)動輻射計前端的正交消偏振反射鏡進(jìn)行±55°掃描，收集氣溶膠目標(biāo)信號，經(jīng)集束式6路平行望遠(yuǎn)子光學(xué)系統(tǒng)，到達(dá)每對通道的渥拉斯頓（Wollaston）棱鏡，一對棱鏡之間的方位互成45°，構(gòu)成偏振分析組件進(jìn)行偏振分束，這樣入射光路的氣溶膠散射光信號檢偏為0°，90°，45°和135°等4個不同電場振動方向的線偏振光。由上述4路偏振分析信號可以解算得到入射目標(biāo)光的Stokes參數(shù)I，Q，U，如公式（1）所示。進(jìn)而得到線偏振度DoLP（Degree of Linear Polarization）和偏振反射率Rp，分別如式（2）和式（3）所示：

其中：I是總的光強度值，Q是水平與垂直線偏振分量的差值，U是45°和135°線偏振分量的差值，I0°，I45°，I90°和I135°是探測器接收到的偏振光強度值，E0是大氣層外太陽光譜照度值，μ0是太陽天頂角的余弦。

AMPR分為偏振輻射計主體和電控-電源-溫控顯示箱兩部分，其組成原理圖如圖1所示。

圖1 AMPR組成原理圖Fig.1 Block diagram of AMPR

圖1中，AMPR設(shè)計有機上相對輻射定標(biāo)積分球光源即定標(biāo)模塊，以及探測器暗本底測量窗口。在前置正交掃描鏡一個掃描周期內(nèi)，AMPR可對氣溶膠散射信號、相對輻射定標(biāo)信號和探測器暗本底信號等進(jìn)行采樣，得到多角度、多光譜偏振輻射探測信號，解析出偏振態(tài)參量I，Q，U，再使用氣溶膠多角度多光譜偏振輻射信息聯(lián)合反演算法，反演得到氣溶膠光學(xué)厚度AOD等特性參數(shù)［14］。

根據(jù)航空大氣氣溶膠偏振遙感的具體研制和應(yīng)用要求，給出了AMPR的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 AMPR主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of AMPR

2.2 AMPR光學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計

針對區(qū)域環(huán)境大氣氣溶膠航空遙感監(jiān)測需求，設(shè)計了光機結(jié)構(gòu)緊湊的AMPR，方便安裝于遙感飛機機腹位置，用于氣溶膠特性的航空偏振探測。AMPR的光學(xué)前端設(shè)計正交掃描反射鏡，隨著遙感飛機飛行，掃描鏡轉(zhuǎn)掃，獲取航線上氣溶膠散射輻射的偏振信號，儀器瞬時視場（IFOV）為17 mrad，也即1°瞬時探測視場，設(shè)計掃描探測采樣間隔也為1°，這樣在一個掃描周期的±55°探測范圍內(nèi)，可以獲取多達(dá)111個探測角度的氣溶膠偏振輻射信號。考慮到飛機氣密艙光學(xué)探測窗口玻璃的偏振效應(yīng)，不利于氣溶膠高精度偏振探測。因此，AMPR優(yōu)選裝載于飛機后部的非氣密開口，但是飛行作業(yè)時非氣密開口的環(huán)境溫度較低，為了保證輻射計光學(xué)系統(tǒng)，特別是偏振分析棱鏡的性能，相應(yīng)地對AMPR輻射計主體部分的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組件外殼增加了熱控設(shè)計，以保證遙感作業(yè)時低溫環(huán)境儀器的穩(wěn)定可靠。為了實現(xiàn)高精度偏振光譜探測，對其光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計。

AMPR設(shè)計有6個偏振光譜探測波段（分別為490 nm，555 nm，665 nm，865 nm，960 nm和1 640 nm等6個波段），每1個光譜波段的氣溶膠光輻射信號的Stokes參量，需要經(jīng)過雙Wollaston棱鏡偏振解析為4路偏振輻射信號組合解算。

為了實現(xiàn)大氣氣溶膠的6個光譜波段的偏振探測功能，采用集束式結(jié)構(gòu)設(shè)計了6路光學(xué)子系統(tǒng)，分為3組。為了便于6個光譜波段的有效分色，將集束式多光學(xué)子系統(tǒng)的光譜波段設(shè)置為：490 nm，665 nm和960 nm共用一組光學(xué)子系統(tǒng)，555 nm和865 nm波段共用一組光學(xué)子系統(tǒng)，1 640 nm波段占用一組光學(xué)子系統(tǒng)。

圖2給出了AMPR的單組3波段（包括490nm，665nm和960nm等3個光譜波段）光路示意圖。在望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組之后，先設(shè)置Wollaston棱鏡進(jìn)行入射光輻射的偏振分析，單組2路光信號經(jīng)過互成45°放置的Wollaston棱鏡（2塊棱鏡的放置位置如圖2最右端示意），出射4路電場振動方向分別為0°，45°，90°和135°的偏振輻射信號，再經(jīng)過分色、聚焦、濾波后，被2只雙元探測器接收。其中，Wollaston棱鏡的分束角需要根據(jù)雙元探測器的2個探元的間距設(shè)計，其分束角φ計算如式（4）所示。

圖2 輻射計主體含正交掃描鏡的單組3波段光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of a single group of 3-band optical path of radiometer main body with orthogonal scanning mirror

其中：α是棱鏡結(jié)構(gòu)角，no和ne分別對應(yīng)o光和e光在棱鏡晶體中的主折射率。

3組光學(xué)子系統(tǒng)裝配于集束式結(jié)構(gòu)中，考慮到光路中渥拉斯頓棱鏡方位角的裝調(diào)精度是影響AMPR的高精度偏振測量的因素，在光機裝調(diào)中采用科學(xué)級CCD相機結(jié)合安裝偏振片的高精度轉(zhuǎn)臺完成了6個通道的棱鏡精細(xì)裝調(diào)，裝調(diào)結(jié)果誤差小于0.05°，滿足要求。

AMPR實現(xiàn)6個光譜波段的同時偏振探測，隨著正交掃描鏡轉(zhuǎn)掃，可以獲取航線上高精度多角度偏振輻射信息、暗本底和相對輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過偏振/輻射定標(biāo)，可進(jìn)行基于多角度多光譜偏振輻射的區(qū)域環(huán)境氣溶膠的特性參數(shù)反演。

3 AMPR探測角度與定標(biāo)精度對氣溶膠參數(shù)反演的影響分析

3.1 最優(yōu)化估計理論簡述及模擬條件設(shè)置

3.1.1 最優(yōu)化估計理論概述

在最優(yōu)化估計理論的框架下，利用信號自由度（Degree of Freedom for Signal，DFS）和后驗誤差定量分析AMPR探測角度個數(shù)及定標(biāo)精度對氣溶膠柱濃度反演的影響。后驗誤差如式（5）所示［15-16］：

其 中：K為 雅 可 比 矩 陣，矩 陣 中 的 元 素Ki，j如 式（6）所示：

其中，m，n分別為測量矢量和狀態(tài)矢量的個數(shù)。

Sa，S∈分別為反演參量的先驗誤差協(xié)方差矩陣和測量誤差協(xié)方差矩陣。

DFS的數(shù)學(xué)描述如式（7）所示：

其中：A為平均核矩陣，是后驗狀態(tài)向量相對于真實狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)［17-18］，數(shù)學(xué)描述如式（8）所示：

通常，當(dāng)某個參數(shù)的DFS＞0.5，可以認(rèn)為該參數(shù)能夠通過觀測反演得到［19-20］。

3.1.2 模擬條件設(shè)置

模擬條件設(shè)置：太陽天頂角30°，相對方位角為0°和180°，氣溶膠模式如圖3所示，氣溶膠光學(xué)厚度為：AOD@550 nm=0.5。

圖3 兩種氣溶膠的粒子譜分布Fig.3 Particle spectral distributions of two aerosols

3.2 AMPR多角度探測優(yōu)勢分析

AMPR遙感作業(yè)沿航線飛行掃描探測角度范圍為：-55°～55°，探測間隔為1°，分析AMPR的多角度探測條件下的總的DFS和氣溶膠柱濃度反演后驗誤差情況。對于粗粒子和細(xì)粒子分別占優(yōu)勢的氣溶膠模型，總的DFS和氣溶膠柱濃度反演后驗誤差隨探測角度數(shù)的變化分別如圖4和圖5所示。

由圖4可知，隨著AMPR探測角度數(shù)的增加，總的DFS逐漸增大，表明AMPR對大氣氣溶膠參數(shù)的反演能力增強。

圖4 氣溶膠總的DFS隨探測角度數(shù)變化Fig.4 Variation of total aerosol DFS with the number of detection angles

圖5為大氣氣溶膠柱濃度反演的后驗相對誤差隨AMPR探測角度數(shù)變化的趨勢，其中VOL_F和VOL_C分別為細(xì)模態(tài)柱濃度和粗模態(tài)柱濃度，與氣溶膠光學(xué)厚度具有對應(yīng)關(guān)系。

由圖5可知，隨著AMPR觀測角度數(shù)的增加，后驗相對誤差逐漸降低。后驗相對誤差越小，表明氣溶膠參數(shù)反演結(jié)果越準(zhǔn)確，不確定度越小。

圖5 氣溶膠柱濃度反演后驗相對誤差隨探測角度數(shù)變化Fig.5 Variation of posterior relative error of aerosol column concentration retrieval with number of detection angles

3.3 AMPR偏振/輻射測量精度對氣溶膠柱濃度反演后驗誤差的影響

3.3.1 AMPR偏振測量精度對氣溶膠柱濃度反演后驗誤差的影響

設(shè)AMPR的輻射測量誤差為4%，偏振測量精度在0.2%～2%之間變化，間隔0.2%，氣溶膠柱濃度反演的后驗相對誤差變化如圖6所示。

由圖6可知，在設(shè)置AMPR的輻射測量誤差為4%條件下，偏振測量誤差對氣溶膠柱濃度反演的后驗相對誤差幾乎呈線性增加。AMPR經(jīng)過偏振定標(biāo)后，其偏振測量的高精度，使得氣溶膠柱濃度反演的誤差顯著減小。

圖6 氣溶膠柱濃度反演后驗相對誤差隨偏振測量精度變化Fig.6 Variation of posterior relative error of aerosol column concentration retrieval with polarized measurement accuracy

3.3.2 AMPR輻射測量精度對氣溶膠柱濃度反演后驗誤差的影響

設(shè)置AMPR的偏振測量精度為0.5%，輻射定標(biāo)精度從2%～7%之間變化，間隔1%，氣溶膠柱濃度反演的后驗誤差變化如圖7所示。

由圖7可知，隨著AMPR輻射測量誤差的增大，氣溶膠柱濃度的反演后驗相對誤差呈線性增加。AMPR的高精度絕對輻射定標(biāo)有利于其高精度輻射測量，從而得以保證大氣氣溶膠柱濃度的反演精度。

圖7 氣溶膠柱濃度反演后驗相對誤差隨輻射測量精度變化Fig.7 Variation of posterior relative error of aerosol column concentration retrieval with radiation measurement accuracy

4 AMPR偏振測量精度驗證及輻射定標(biāo)

AMPR用于航空大氣氣溶膠偏振探測，利用獲取的偏振光譜輻射數(shù)據(jù)用于反演氣溶膠光學(xué)厚度等特性參數(shù)，參與反演的探測數(shù)據(jù)需要定量化處理，即輻射計的偏振測量精度和絕對輻射定標(biāo)精度是重要的前提保障。因此，在整機裝調(diào)完成之后，對其進(jìn)行偏振定標(biāo)、偏振測量精度驗證和輻射定標(biāo)檢測，后者主要分為實驗室絕對輻射定標(biāo)和飛行遙感觀測過程的相對輻射定標(biāo)兩部分。

4.1 AMPR偏振測量精度驗證

AMPR設(shè)計時，考慮了自身偏振效應(yīng)問題。采用正交掃描鏡消除了掃描反射鏡帶來的偏振效應(yīng)，而設(shè)計的17 mrad儀器小瞬時視場和相對簡單的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得其偏振效應(yīng)相對較低。因此，輻射計的偏振定標(biāo)主要在于望遠(yuǎn)光學(xué)子系統(tǒng)的安裝應(yīng)力和Wollaston棱鏡安裝方位偏差引起儀器Mueller矩陣的非理想性。設(shè)正交掃描鏡的Mueller矩陣為Mm，望遠(yuǎn)光學(xué)組件的Mueller矩陣為Mr，Wollaston棱鏡等效的4路偏振片的Mueller矩陣為Mp，則雙元探測器的每1個探元接收到的光輻射的Stokes矢量So為公式（9）所示：

式（9）中，T(θ)為旋轉(zhuǎn)Mueller矩陣，用于各個Mueller矩陣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。Si是入射光輻射的Stokes矢量。當(dāng)然，公式（9）是探測方程的一般形式，其中還需要對較多的誤差項進(jìn)行偏振定標(biāo)。主要包括：正交雙反射鏡的正交誤差，望遠(yuǎn)鏡組的相位延遲，Wollaston棱鏡的消光系數(shù)以及由Wollaston棱鏡出射互為90°線偏振輻射的相對定標(biāo)系數(shù)，單組中的2個單光學(xué)子系統(tǒng)之間的相對定標(biāo)系數(shù)，還有集束式3組平行光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成的6個光譜波段的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)等［21］。

在AMPR偏振輻射定標(biāo)完成之后，采用標(biāo)準(zhǔn)偏振發(fā)生器對輻射計進(jìn)行偏振測量精度驗證測試。標(biāo)準(zhǔn)偏振光發(fā)生器為中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機所自研設(shè)備，其出射光的偏振角為0°～360°方位可調(diào)，偏振度為0～70%無級可調(diào)。

AMPR設(shè)計時考慮了不同下墊面的大氣氣溶膠航空探測，可以根據(jù)下墊面反射率分布情況，AMPR儀器相應(yīng)設(shè)置低增益和高增益2個檔位，以滿足探測需求。

同樣，在2個增益檔位上對AMPR的偏振測量精度進(jìn)行了驗證，結(jié)果類似，本文給出了低增益檔位的偏振測量精度結(jié)果，如表2所示。

表2 AMPR低增益檔位的偏振測量精度驗證結(jié)果Tab.2 Verification results of polarization measurement accuracy of AMPR with low gain state （%）

由表2可知，AMPR的6個光譜偏振波段的偏振測量精度優(yōu)于0.5%，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，具有非常高的偏振測量精度，高精度的多角度偏振光譜輻射探測數(shù)據(jù)，有利于滿足區(qū)域環(huán)境大氣遙感探測領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

4.2 AMPR輻射定標(biāo)不確定度分析

在AMPR偏振測量精度驗證的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)不確定度的評估，主要使用標(biāo)準(zhǔn)燈－漫反射參考板定標(biāo)系統(tǒng)。輻射計的絕對輻射定標(biāo)不確定度ui計算公式如式（10）所示。

其 中：ua，i是 輻 射 定 標(biāo) 系 統(tǒng) 不 確 定 度。u1，i是i探測通道非線性，u2，i是i探測通道的非穩(wěn)定性。

輻射定標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)燈采用嗅鎢燈，其輻射量值是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)溯源傳遞得到的，標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考板具有BRDF數(shù)據(jù)支持。在低增益和高增益檔位，分別對AMPR的絕對輻射定標(biāo)不確定度進(jìn)行了評估，測試了輻射計響應(yīng)的非線性和非穩(wěn)定性參數(shù)，得到AMPR在兩個增益檔位的絕對輻射定標(biāo)不確定度，表3給出了低增益檔位的結(jié)果。

表3 AMPR低增益檔位的絕對輻射定標(biāo)不確定度結(jié)果Tab.3 Absolute radiometric calibration uncertainty results of AMPR with low gain state

由表3可知，AMPR的6個光譜波段的絕對輻射定標(biāo)不確定度在2.74%～3.65%之間。

5 AMPR專用多角度偏振探測數(shù)據(jù)處理流程及航空校飛實驗分析

AMPR裝載于遙感飛機進(jìn)行航空飛行探測，可以同時獲取大氣目標(biāo)的6個光譜波段24路偏振輻射信號，并通過掃描獲取±55°范圍的111個探測角度數(shù)據(jù)。對飛行探測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和后續(xù)數(shù)據(jù)的氣溶膠特性參數(shù)反演，完成整個數(shù)據(jù)的自動處理流程。

此外，大氣多角度偏振輻射計AMPR是按照我國《航空遙感系統(tǒng)——遙感設(shè)備設(shè)計與建造規(guī)范》實施設(shè)計等研制工作的，AMPR通過了相關(guān)的隨機振動及沖擊試驗、高低溫試驗和電磁兼容試驗等環(huán)境適應(yīng)性試驗，由于AMPR安裝于遙感飛機的非氣密艙，還根據(jù)試驗規(guī)范完成了低氣壓試驗，結(jié)果滿足要求，具體結(jié)果就不贅述了。在此基礎(chǔ)上，開展了AMPR航空與地面同步觀測比對實驗。

5.1 AMPR探測數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

AMPR隨遙感飛機飛行進(jìn)行大氣偏振探測，獲取大氣多角度多光譜偏振輻射數(shù)據(jù)，以DN值形式保存為原始數(shù)據(jù)文件。

在AMPR航空遙感探測時，由于飛機的位置和姿態(tài)會發(fā)生變化，直接影響AMPR探測數(shù)據(jù)的觀測幾何。因此，在AMPR進(jìn)行探測作業(yè)時，配置了POS AV5.0定位定向系統(tǒng)，用于記錄遙感飛機的飛行位置和姿態(tài)（含偏航、俯仰和橫滾等參數(shù)），對AMPR的探測數(shù)據(jù)幾何定位非常重要，是多角度多光譜偏振輻射數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)。在AMPR的原始數(shù)據(jù)到0級數(shù)據(jù)處理時賦值到輔助信息中，生成AMPR的0級數(shù)據(jù)。

5.1.1 AMPR的0級 數(shù) 據(jù) 處 理

結(jié)合AMPR探測的輔助信息，例如：數(shù)據(jù)采樣時間、采樣增益、GPS信息（經(jīng)度，緯度）、POS信息（航跡、偏航、橫滾、俯仰、飛行高度、飛行速度）、探測器本底數(shù)據(jù)、機上相對定標(biāo)數(shù)據(jù)等，將原始數(shù)據(jù)格式化為AMPR的0級數(shù)據(jù)，以XML文件形式保存。0級數(shù)據(jù)以AMPR的一個掃描周期（約1秒鐘）存儲1條數(shù)據(jù)，共113個采樣點數(shù)據(jù)，含一個采樣周期111個目標(biāo)采樣點、1個定標(biāo)采樣點、1個暗電流采樣點。

5.1.2 AMPR的1級 數(shù) 據(jù) 處 理

對AMPR的0級數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化、暗背景扣除、姿態(tài)幾何校正、機上相對定標(biāo)修正、實驗室輻射定標(biāo)修正、實驗室偏振定標(biāo)修正等，生產(chǎn)1級產(chǎn)品，并對生成的1級產(chǎn)品做格式正確性和完整性校驗，并輸出預(yù)處理的處理進(jìn)度、錯誤等信息。

5.2 基于AMPR偏振探測數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演流程

5.2.1 AMPR觀測量模擬計算

在氣溶膠反演過程中，需要模擬AMPR入瞳輻射量，包括大氣程輻射、地表反射輻射和地氣耦合輻射。實際上，對反演精度影響最大的是氣溶膠模型估計和地氣解耦合方法。為了提升氣溶膠模型估計精度，在計算時采用由Lee等［22］利用AERONET觀測數(shù)據(jù)提取的東亞地區(qū)氣溶膠模型參數(shù)，該參數(shù)組包括六種細(xì)粒子類型和六種粗粒子類型，有利于提升東亞地區(qū)氣溶膠反演精度。在此基礎(chǔ)上使用RT3矢量輻射傳輸程序建立查找表，以備反演使用。

5.2.2 AMPR觀測量的地氣解耦合及氣溶膠偏振反演

利用AMPR獲取的865 nm和665 nm波段數(shù)據(jù)，計算得到下墊面的NDVI參數(shù)，再結(jié)合BPDF模型參數(shù)，實現(xiàn)基于實際觀測的地表反射率動態(tài)獲取，實現(xiàn)地氣解耦。并構(gòu)建反演流程，采用最小二乘殘差的方法，達(dá)到模擬量與測量值的匹配，實現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度反演。

5.3 AMPR航空校飛實驗分析

將AMPR裝載于遙感飛機下部的非氣密開口，開展了多架次航空校飛實驗分析。AMPR的實物圖及遙感飛行過程中機上AMPR遙感實驗作業(yè)場景如圖8所示。

圖8 AMPR實物圖及航飛實驗場景Fig.8 Physical picture of AMPR and its aerial flight experiment scene

在飛行試驗開始之前，根據(jù)飛機飛行的速高比事先設(shè)置AMPR的正交掃描鏡掃描速度，以匹配偏振探測對觀測目標(biāo)的地面空間分辨率要求。

航空實驗獲取區(qū)域環(huán)境氣溶膠偏振探測數(shù)據(jù)，采用AMPR專用的氣溶膠特性參數(shù)偏振反演系統(tǒng)，進(jìn)行氣溶膠AOD的反演。在實驗過程中，地面設(shè)置同步觀測站點，采用CE318型太陽光度計同步站點觀測數(shù)據(jù)反演的氣溶膠光學(xué)厚度AOD作為比對參數(shù)。表4是在天津-唐山地區(qū)一帶開展的航空地面同步觀測數(shù)據(jù)的比對結(jié)果［23-24］。

由表4可知，AMPR飛行觀測的氣溶膠AOD與地面站點CE318太陽光度計觀測數(shù)據(jù)作比對，其偏差均小于0.05。同時，利用航飛數(shù)據(jù)對多角度、多光譜偏振信息反演氣溶膠AOD的算法進(jìn)行了優(yōu)化，即利用1 640 nm波段的偏振探測數(shù)據(jù)，對地氣分離方法優(yōu)化，提高了氣溶膠AOD反演精度［25-26］。

表4 航空飛行AMPR與地面CE318型太陽光度計同步觀測實驗氣溶膠AOD結(jié)果比對Tab.4 Comparison of aerosol AOD inversion results from aerial flight AMPR and ground-based CE318 solar photometer simultaneous observation experiments

2019年9月5 日，實驗區(qū)域選擇我國西北部的閻良-白水-汾西一帶，進(jìn)行了AMPR的氣溶膠偏振遙感探測實驗，獲取了航線上的氣溶膠偏振輻射探測數(shù)據(jù)，截取了約20 min時長航空飛行的氣溶膠探測數(shù)據(jù)，反演了航線上的氣溶膠AOD。圖9是665 nm波段的氣溶膠AOD在航線上的分布情況。

圖9 AMPR獲取航線上665 nm波段氣溶膠AOD反演結(jié)果Fig.9 Aerosol AOD inversion results in the 665 nm waveband acquired by AMPR on the flight path

6 結(jié)論

針對區(qū)域環(huán)境大氣監(jiān)測應(yīng)用需求，研制了掃描+集束偏振分析光路+機上定標(biāo)器構(gòu)型的航空遙感大氣多角度偏振輻射計AMPR，保證了航空大氣探測的偏振和輻射探測精度。利用自行研發(fā)的多角度偏振反演及下墊面扣除算法，反演得到氣溶膠光學(xué)厚度。研究結(jié)果表明，AMPR的絕對輻射定標(biāo)不確定度好于4%，偏振測量精度優(yōu)于0.5%，同步比對站點的氣溶膠光學(xué)厚度反演精度優(yōu)于0.05。

基于航空遙感平臺的AMPR有著重要的應(yīng)用前景，可以針對區(qū)域環(huán)境大氣進(jìn)行多頻次快速監(jiān)測，及時獲取氣溶膠光學(xué)厚度等特性參數(shù)，作為突發(fā)多區(qū)域霧霾污染事件航空遙感的新技術(shù)手段，實時有效獲取氣溶膠動態(tài)分布狀況信息。此外，AMPR航空大氣偏振探測還可實現(xiàn)相同觀測模式的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)校驗。