日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪偏振响应抑制与测试

崔程光 安宁 于宗伟 张生杰 王伟刚 徐彭梅

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪偏振响应抑制与测试

崔程光 安宁 于宗伟 张生杰 王伟刚 徐彭梅

（北京空间机电研究所，北京 100094）

为提高陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪（简称超光谱探测仪）植被荧光探测精度，需降低光学系统偏振灵敏度，即对超光谱探测仪偏振响应进行抑制。文章利用斯托克斯-穆勒体系对超光谱探测仪光学系统进行偏振特性分析，对前置光学系统引起的偏振响应进行理论分析，从而确定采用双巴比涅消偏器实现全光路消偏的方案；同时对偏振测试系统中主要误差源（即测试系统残余偏振度）的影响进行理论分析，建立了“积分球光源+扩束系统+偏振元件”的低残余偏振度的偏振测试系统，对超光谱探测仪偏振灵敏度进行了测试。测试结果表明，超光谱探测仪偏振度为0.65%，满足高精度植被荧光探测需求。

偏振抑制 偏振灵敏度测试 超光谱 荧光探测 星载成像仪 陆地生态系统碳监测卫星

0 引言

陆地生态系统碳监测卫星（Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite，TECIS）日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪（简称超光谱探测仪）采用光栅分光实现超高光谱分辨率，获取空间连续分布的植被荧光信号，实现对植被光合作用能力的分析。其中光栅具有很强的双向衰减偏振效应，会改变入射光的偏振态，使得仪器响应输出不仅仅与目标辐射强度相关，还会依赖于入射光的偏振态，这使得超光谱探测仪成为一个偏振敏感系统[1-2]。由于太阳光经过大气分子和气溶胶瑞利散射作用之后会变为偏振光或部分偏振光[3]，使得偏振敏感系统的偏振响应更加明显，直接影响星载成像光谱仪的定量化精度[4]，降低仪器辐射测量和反演的精度，因此，进行星载成像光谱仪的偏振响应抑制十分必要。

随着相关理论的发展，目前已经形成了通过仪器设计来控制偏振像差引入的偏振影响，即根据偏振产生机理，采取相应方法来降低或消除仪器的偏振响应。设计方案主要包括如下几种：1）针对光学元件，一般通过减小每一个界面的偏振像差或者低偏振膜设计；2）针对光学系统，一般在系统中引入偏振像差进行补偿，或者在光学系统中加入光学消偏器；3）针对入射光，一般通过入射光偏振测量进行偏振校正。其中消偏器方案结构简单，基本不改变原有光学设计。国内外很多星载光栅光谱仪均采用了消偏器方案，同时还涉及了矩形光瞳、会聚光路等非传统成像光路条件下的消偏器设计[5-6]。光学消偏器会导致光学系统像质、传函等指标的降低，无法校正前置光学系统偏振影响，但其作为一种重要的偏振抑制手段，在星载成像光谱仪上已得到广泛应用，如臭氧总量测绘光谱仪（Total Ozone Mapping Spectrometer，TOMS）[7]、太阳后向散射紫外光谱仪（Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer，SBUV）[8]、大气臭氧制图和廓线仪（The Ozone Mapping and Profiler Suite，OMPS）[9]、“海洋一号”C/D（HY-1 C/D）卫星的定标光谱仪等。

目前比较常用的消偏器有Lyot型、双光楔H-V（Horizontal-Vertical）型、双光楔旋光型、双巴比涅型等[10]。其中Lyot型消偏器可对所有形式偏振光退偏，但无法满足窄带光谱范围内的退偏要求[11]；H-V型消偏器不能对所有形式偏振光退偏，且要求晶轴与光栅刻线方向角度固定，监测和装调难度较大；双光楔旋光消偏器不能对圆偏振光退偏，且受输入约束条件限制，难以满足系统偏振灵敏度要求；双巴比涅型消偏器可对所有形式偏振光退偏，装调相对简单，但结构和加工较复杂[12]。考虑到大气探测需对所有偏振光退偏的要求，并结合消偏器优势以及空间光学遥感器的研制特点，双巴比涅型消偏器在空间光学遥感器中应用最为广泛。

完成光学系统偏振响应抑制之后，需要通过实验测试来确定其实际的偏振响应，目前国际上一般采用光源结合偏振组件的形式来完成偏振响应测试。如美国NASA的可见光红外成像辐射仪（Visible Infrared Imager Radiometer Suite’s，VIIRS），根据获取遥感器的偏振响应曲线计算得到线偏振灵敏度[13]；欧洲航天局研制的高分辨率荧光成像光谱仪（The Fluorescence Imaging Spectrometer，FLORIS）将稳定均匀性光源通过起偏器产生线偏振光实现偏振测试[14]；NASA研制的海洋颜色仪（Ocean Color Instrument，OCI）以及美国蒙大拿州立大学进行的多台高光谱成像仪偏振响应比较研究，均采用积分球光源系统通过线偏振片产生线偏振光的方式来完成偏振测试[15-16]。国内中国科学院西安光学精密机械研究所采用太阳模拟器出射均匀漫射光，再经准直镜照亮偏振片来完成空间调制干涉光谱成像仪的偏振测试[17]；中国科学院国家空间科学中心采用以氙灯作为光源，经光阑、中性衰减片、格兰—汤姆森棱镜产生线偏振光束的方式，来完成紫外可见高分辨率成像光谱仪的偏振测试[18]；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用片堆起偏器来实现对紫外可见高光谱探测仪的偏振测试[19]；北京空间机电研究所采用线偏振片作为起偏器，再通过扩束系统来实现对可见近红外光学遥感器的偏振测试[20]。

荧光超光谱探测仪的偏振响应抑制与测试主要面临两个难题：1）光学系统内部双巴比涅型消偏器无法消除前置光学系统的影响，直接影响光学系统偏振响应抑制效果；2）偏振测试系统自身的残余偏振度会使不同方位角下线偏振光束存在一定差异，降低偏振测试精度。本文依据偏振光学理论，采用斯托克斯-穆勒体系对前置光学系统引起的偏振响应进行理论分析，确定采用双巴比涅消偏器位于光学系统光路最前端，进而实现全光路消偏的方案；同时通过偏振测试验证偏振响应抑制效果，并对偏振测试中主要误差源（即测试系统残余偏振度）进行分析。

1 理论分析

1.1 偏振响应对探测精度影响分析

一般采用偏振灵敏度来描述光谱探测仪的偏振响应，表征仪器光学系统对入射光中偏振成分的敏感程度。根据相关理论研究，荧光超光谱探测仪的光电响应数字输出信号为[21]

式中0为光学系统的辐射量数字响应信号；2，3为成像仪的归一化穆勒元素，分别代表荧光超光谱探测仪对入射光水平、垂直方向的双向衰减能力；为入射光束的偏振度；为偏振光束的方位角。当入射光偏振特性已知时，偏振响应引起的定量化误差为

1.2 光学系统偏振响应分析

为了进一步分析光学系统的偏振响应，设定光学系统采用双巴比涅消偏器，并以双巴比涅消偏器为分界，将光学系统分为前置、后置光学系统，从而分析前置光学系统对荧光超光谱探测仪的偏振响应影响。

光学系统穆勒矩阵optical可表示为

式中F为前置光学系统穆勒矩阵；DB为消偏器穆勒矩阵；L为后置光学系统穆勒矩阵。对于双巴比涅消偏器，其穆勒矩阵DB可以表示为[22]

前置及后置光学系统的归一化穆勒矩阵可分别表示为[23]：

（6）

经过消偏器之后，出射光束的斯托克斯矢量out2为

假设仪器为线性系统，探测器无偏振响应，则有经过后置光学系统之后，荧光超光谱探测仪的响应输出为

分别定义荧光超光谱探测仪穆勒矩阵的第一行穆勒元素为0、1、2，即

（10）

则荧光超光谱探测仪的响应输出可表示为

式中为两个正交方向偏振光分量的相位差。

采用线偏振灵敏度分析荧光超光谱探测仪的偏振响应，即

式中max和min分别为探测仪的光电响应数字输出信号的最大值和最小值。

当=0°，=1时，式（8）可转化为

由式（12）可知，荧光超光谱探测仪的响应输出与前置光学系统、后置光学系统以及消偏器有关。根据以上全参量的偏振分析以及特殊入射偏振态分析可知，提高荧光超光谱探测仪的探测精度需要降低光学系统整体的穆勒元素数值，而消偏器无法校正前置光学系统偏振效应。

假定前置光学系统为旋转对称的望远系统，则其穆勒矩阵中有13=14=23=24=31=41=32=42=0[25]。由于入射光为线偏振光，即=0°，=1，则经过前置光学系统和消偏器之后光束的斯托克斯矢量为

则式（13）可表示为

如果后置光学系统也为旋转对称系统，即其穆勒矩阵中有13=14=23=24=31=41=32=42=0，则式（15）可表示为

当前置光学系统为旋转对称系统且为无偏系统时，则其穆勒矩阵中有12=21=0，22=1，则此时荧光超光谱探测仪的响应输出为

从上述分析可知，如果将消偏器置于荧光超光谱探测仪光路中间，前置光学系统将会引起荧光超光谱探测仪响应输出变化，且变化值与前置光学系统的穆勒矩阵元素相关，而非仅仅受消偏器影响。

2 超光谱探测仪偏振抑制

2.1 消偏器设计

图1 双巴比涅型消偏器示意

Fig.1 Schematic diagram of double Babinet depolarizer

当某一偏振方向的线偏振光经过消偏器后，出射光的偏振度与入射光的偏振状态（与轴夹角）、波长、晶体材料双折射率差、楔角、口径形状和大小等相关，而与厚度无关。在已知折射率差、光瞳尺寸及波长时，根据出射光偏振度要求，可以计算得到楔角，并进行公差分析，确定消偏器参数。因此，在进行双巴比涅型消偏器仿真分析时，首先需确定出射光偏振度最大时入射光偏振方向所对应的角度；再根据此条件下出射光偏振度与楔角的变化关系确定最佳楔角，并分析最佳楔角条件下全谱段范围内的出射光偏振度；然后对楔角、中心厚度差公差进行分析，最终确定双巴比涅型消偏器参数。由于组成双巴比涅型消偏器的两块H-V型消偏器加工时存在一定误差，而中心厚度差会引起相位变化，影响偏振度[28]，因此需要对中心厚度差公差进行分析。

如图2所示，在中心波长下线偏振光经消偏器后，出射光偏振度随线偏振光偏振方向发生周期性变化，变化周期为π/2，变化规律与波长、楔角大小无关；当入射线偏振光偏振方向与第一块晶体光轴方向夹角为45°、135°、225°、315°时，残余偏振度最大。因此选取以入射偏振态与轴夹角为45°时的位置，对消偏器最大出射光残余偏振度进行不同状态下的仿真分析。

为了寻求最优楔角，对多波长下最大出射光偏振度随楔角的变化（如图3所示）进行分析可知，残余偏振度随楔角增大而逐渐振荡减小。当楔角取1.2°时，满足最大出射光残余偏振度不大于1%的要求。对670～780nm连续谱段范围内出射光偏振度的分析表明，出射光偏振度优于1%。楔角1.2°、两组H-V型消偏器中心厚度相等时出射光偏振度随波长的变化如图4所示。

图2 中心波长下消偏器出射光偏振度随不同入射线偏振光偏振方位角的变化曲线

图3 消偏器出射光最大出射光偏振度随楔角的变化 曲线

图4 消偏器出射光偏振度随波长的变化曲线

对楔角、中心厚度差进行公差分析，约束消偏器的加工工艺参数。如图5所示，通过变化消偏器楔角，分析对应的出射光偏振度的变化，可知楔角公差为±0.01°时，虽然曲线存在移动，但出射光偏振度最大值小于1%，仍能满足指标要求。

设定楔角为1.2°，根据消偏器的出射光偏振度要求，分析中心厚度差公差在±0.5mm内变化时消偏器出射光偏振度的变化，结果如图6所示，其中±0.5mm处的残余偏振度曲线一致。可以看出，此时消偏器的出射光偏振度减小，最大值小于1%。

图5 楔角公差±0.01°，消偏器出射光残余偏振度随波长的变化曲线

图6 中心厚度差±0.5mm，消偏器出射光残余偏振度随波长的变化曲线

通过以上分析，确定消偏器楔角为1.2°、楔角公差为±0.01°、中心厚度差公差为±0.5 mm时，最大出射光偏振度为1%。

2.2 消偏器对像质影响分析

光学消偏器两块晶体间的楔形斜面会引入一定的像差，对于像差校正要求较高的空间光谱成像仪，消偏器引入的像差必须考虑。利用光学设计软件建立双巴比涅型消偏器模型（如图7所示），分析其像差特性。双巴比涅型消偏器由两组双光楔（4块楔板）H-V型消偏器构成。消偏器与光谱仪系统光路如图8所示，设入射光为45°线偏振光，经过消偏器后入瞳处偏振态分布如图9所示。

图7 双巴比涅型消偏器示意

图8 消偏器与光谱仪系统光路

图9 线偏振光经过消偏器前/后偏振态分布示意

由于双折射效应，视场0°的入射光垂直入射，偏振光常光（o光）和异常光（e光）分离，单一视场点分离产生多个像，导致弥散斑增大，如图10所示。通过仿真分析可计算出空间方向像分离的最大距离约为120μm，小于像元尺寸，说明单个像元接收的能量没有损失。光学系统中加入消偏器后，像分离引起的MTF变化如图11所示。对比图11（a）和图11（b）可以看出，在奈奎斯特频率2.8线对/mm处，带有消偏器时弧矢方向（红色和绿色实线）MTF下降至约0.75，与无消偏器时相比下降了约0.2，说明在弧矢方向像分离比较严重，与图10的像分离现象一致。因此消偏器引起的像分离会降低空间方向MTF，但能够满足指标要求。

图10 消偏器引起的像分离

图11 消偏器对光学系统MTF影响

3 超光谱探测仪测试

3.1 偏振测试系统

偏振测试系统设计的目的在于产生可进行方位角调整的线偏振光束，测试时的实验布局如图12所示。受限于偏振元件尺寸，需要采用平行光管对光束进行扩束，进而实现对超光谱探测仪的全口径覆盖，同时平行光管可约束入射光束的发散角。目前典型的扩束系统为反射式平行光管和透射式平行光管两种，需要对其进行偏振残余度分析，选择残余偏振度较低的平行光管进行偏振测试。由于积分球内部进行了多次反射，可实现光束的消偏，从而降低光源带来的偏振误差，因此宜选积分球光源作为偏振光源，然后通过光阑约束成像仪视场，最后照亮线偏振片进行偏振测试。该测试系统中的线偏振片安装于电动旋转台，可实现偏振方位角0°～360°的调整。

图12 偏振测试实验布局

为了分析前置光学系统带来的光谱仪响应输出的变化，在偏振测试时，将偏振测试系统作为光学系统的前置光学系统，采用两种典型平行光管进行仿真分析，如图13所示。

图13 两种典型平行光管

根据仿真得到的穆勒矩阵分别计算不同平行光管的残余偏振度，透射式平行光管和反射式平行光管在超光谱探测仪中心波长下的平均归一化穆勒矩阵T、R分别为：

由式（20）～（21）可以看到，两个穆勒矩阵中13=14=23=24=31=41=32=42=0，两种典型平行光管均为旋转对称系统。根据式（18）所示前置光学系统引起光谱仪响应输出的相对偏差与穆勒矩阵的关系，在超光谱探测仪特征波长650nm时，可得透射式平行光管引起的相对偏差为0.002%，几乎可以忽略，而反射式平行光管引起的相对偏差1.37%。为了约束偏振测试系统的残余偏振度，因此需要采用低残余偏振度的透射式平行光管测试系统。

3.2 偏振测试试验

选取残余偏振度较低的透射式平行光管进行扩束。利用标校系统对不同偏振方位角下的线偏振光强度进行标定，测试结果如图14所示。根据测得的最大值和最小值计算得到测试系统残余偏振度优于0.4%，进而完成超光谱探测仪不同视场下的偏振测试。

图14 不同偏振方位角下标校系统响应信号（透射式平行光管偏振测试方案）

（1）无消偏器时超光谱探测仪偏振测试

为验证具有光栅的超光谱探测仪为偏振敏感系统，对未加消偏器的光学系统进行偏振测试。无消偏器时不同波长下的偏振灵敏度为1%～16%，如图15所示。超光谱探测仪具有明显的偏振响应，因此如果不采用偏振抑制手段，将大大降低超光谱探测仪的探测精度。

（2）加入消偏器时超光谱探测仪偏振测试

利用所建立的偏振测试系统，对研制完成的加入消偏器的超光谱探测仪进行偏振测试，并利用基本定义法得到超光谱探测仪的偏振灵敏度，测试结果如图16所示。

图15 无消偏器时超光谱探测仪的偏振灵敏度

图16 有消偏器时超光谱探测仪的偏振灵敏度

从图16可知，采用消偏器消偏后，超光谱探测仪偏振灵敏度小于0.65%，根据前文理论分析可知，仪器偏振响应引起的定量化误差不大于0.65%，偏振响应得到有效抑制。

（3）测试精度分析

偏振测试误差源主要包括光源稳定性、扩束系统残余偏振度、标校系统误差，以及超光谱探测仪自身的误差，具体误差项如表1所示。其中光源采用的是积分球光源，光源稳定性通过计量得到，即0.5%；光轴非一致性指测试系统光学部组件的调整误差，通过理论分析得到，优于0.14%；扩束系统的偏振残余度则通过标校系统进行校准得到，经测试为0.40%；标校系统误差可通过计量得到，即0.3%；超光谱探测仪自身的误差项通过辐射定标、杂光测试得到，具体结果见表1。

表1 偏振测量精度分析

4 结束语

超光谱探测仪以光栅为色散元件，这使其具有明显的偏振响应，而且反射镜的反射率在不同偏振方向也会发生变化。因此超光谱探测仪的偏振响应抑制和测试，是实现超光谱探测仪进行植被荧光高精度探测的关键。本文基于斯托克斯-穆勒体系的相关偏振理论，对采用消偏器方案的光学系统偏振特性进行仿真分析，并对前置光学系统偏振响应进行理论计算，确定了将消偏器直接置于全光路之前的偏振抑制方案；然后，分析了测试系统残余偏振度对偏振测试结果的影响，并进行了相关试验验证，提出了低残余偏振度测试系统的方案；最后通过双巴比涅消偏器实现超光谱探测仪的偏振抑制，并通过偏振测试进行了超光谱探测仪偏振灵敏度评价，为空间荧光探测光谱成像仪研制提供重要思路。

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Suppression and Measurement of Polarization Response of the Solar- induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS)

CUI Chengguang AN Ning YU Zongwei ZHANG Shengjie WANG Weigang XU Pengmei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to improve the accuracy of vegetation fluorescence detection by the Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer(SIFIS), the polarization sensitivity of the optical system should be reduced. In particular, the polarization response of SIFIS should be suppressed. In this paper, the Stokes-Muller theory is used to analyze the polarization characteristics of the optical system with a double Babinet depolarizer. At the same time, the influence of the polarization residual degree of the polarization test is analyzed, which is the main error source. And the polarization test system with low polarization residual degree is established, including an integrating sphere light source, a polarization element and a beam expander system. Then the polarization sensitivity of SIFIS is tested, and the results show that the polarization degree of SIFIS is 0.65%, which can meet the requirements of high-precision vegetation fluorescence detection.

polarization suppression; polarization test; hyperspectral; fluorescence detection, imaging spectrometer onboard; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite

P407

A

1009-8518(2022)06-0085-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.009

2022-06-15

国家重大科技专项工程

崔程光, 安宁, 于宗伟, 等. 日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪偏振响应抑制与测试[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(6): 85-96.

CUI Chengguang, AN Ning, YU Zongwei, et al. Suppression and Measurement of Polarization Response of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS)[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 85-96. (in Chinese)

崔程光，男，1988年生，2011年获南开大学理学学士学位与天津大学管理学学士学位，2016年获中国科学院长春光学精密机械与物理研究所工学博士学位，高级工程师。研究领域为空间光学遥感技术。E-mail：chgcui@126.com。

（编辑：夏淑密）