卫星对地遥感观测中，云和冰雪地表是两个重要的观测对象，由于它们辐射特性的相似性，使得冰雪区域上空云检测存在困难。针对高光谱观测卫星（高分五号02星）偏振载荷的数据特征，本文设计了一套冰雪上空云检测算法。该算法利用高分五号偏振载荷大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪的在轨探测多角度多光谱偏振辐射数据，协同进行云检测。首先，通过氧A带吸收通道的表观压强检测进行云和冰雪的初步区分，在此基础上利用多角度偏振散射特性进行冰雪上空的水云检测，利用卷云波段检测提高了冰雪上空的卷云检测效果，最后通过对常用的NDSI归一化雪指数进行改进，提高了冰雪上空的冰云检测精度。以格陵兰岛和南极区域为例，进行了冰雪上空云检测实验，并与成像时间相近的MODIS产品云掩膜产品MOD35进行比对，一致性分别为83.3%和94.4%。结果表明，本文提出的算法能够有效检测冰雪上空的云像元。

针对卫星载荷大气校正仪分系统PSAC在陆地上空气溶胶反演领域的应用需求，基于最优化反演框架，引入信息量和后验误差分析方法，讨论了不同观测模式下气溶胶和地表参数的信号自由度（DFS）的观测角度依赖性，给出了气溶胶和地表参数的后验误差。在此基础上，分析了气溶胶和地表参数的DFS随光学厚度（AOD）和地表反射率的变化趋势。研究表明：1）不同的观测几何下，气溶胶参数总的DFS有很大差异，反演气溶胶参数的最优散射角范围是140°～180°；2）任意观测角度，细粒子为主的细模柱浓度v0f，粗粒子为主的气溶胶柱浓度v0f和v0c能被反演出来，谱分布部分参数以及折射指数部分参数在大散射角能被反演获得；3）对不同AOD和地表反射率下参数的DFS分析，偏振信息的增加有助于亮地表下气溶胶参数的反演，增加短波红外波段能提升在AOD高值条件下对地表参数的获取能力。

大气气溶胶卫星偏振遥感探测中，地表偏振反射率估计是最重要的不确定因素之一，是气溶胶反演过程中地气解耦的重要环节。基于高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪（DPC）近红外波段865 nm的多角度偏振观测数据，利用全球地基气溶胶监测网（AERONET）站点的气溶胶产品AOD L2.0与DPC数据进行时空匹配，筛选气溶胶光学厚度（AOD）低值数据，以减小气溶胶的影响，获取地表多角度偏振反射率数据。针对8种典型地表类型，基于DPC多角度偏振数据定量比较分析了Nadal-Bréon模型、Waquet模型、Maignan模型、Litvinov模型和Xie-Cheng模型5个半经验地表双向偏振反射分布函数（BPDF）模型的性能。研究结果表明，Litvinov模型和Nadal-Bréon模型所得的结果与实测数据可以较好地吻合，两个模型与DPC实测数据的相关性系数均值分别为0.958和0.952，均方根误差均值分别为0.202%和0.223%。研究结果为基于DPC数据估算地表偏振反射率提供了BPDF模型参考，为利用DPC多角度偏振数据反演气溶胶参数等应用提供了先验数据支持。

利用光学成像仪器进行水下资源勘测时,成像质量常因水中气泡干扰而降低。研究水中气泡环境辐射传输特性并分析其对光学仪器成像的干扰,对提升水下成像抗干扰能力具有重要指导意义。首先构建水中单气泡成像环境,模拟光在单气泡传输过程中辐射强度和偏振状态的变化趋势,得出单气泡界面处的传输相位函数;在此基础上,通过增加气泡数量,模拟水中多气泡成像环境下光的辐射强度和偏振状态随气泡分布的变化情况;最后基于几何光学近似理论进行蒙特卡洛模拟,仿真并得出不同气泡半径大小、不同光线传输路径尺度对光线在气泡群中前向和后向传输的影响。气泡理论分析、仿真计算和实测实验表明:光在气泡界面处产生的偏振态变化与观测几何具有强关联,当入射角较小时,光的穿透性较强,辐射强度衰减缓慢;随着传输距离路径增加,前向传输和后向传输的偏振度呈现相反的变化趋势;理论、仿真和实验结果三者基本保持一致。该研究可以为水下复杂环境目标偏振成像领域提供一定的参考。

强对流云团是气象领域重要的研究对象之一。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC) 观测数据对强对流云团进行偏振辐射特性研究,为强对流云团识别提供多维信息。以强对流云团、台风云团和非降水云团为例,研究表明:强对流云团反射率高于非降水云团,且其反射率空间分布更均匀;在发展旺盛的强对流云团中大部分是冰晶粒子,只有边缘部分有液态水存在,而其他非降水云团的相态分布差异较大;在相近的照明和观测几何条件下,强对流云团偏振角空间分布的离散性大于非降水云团,且两者偏振角均值差异大;强对流云团的偏振角图像可以很好地表征其轮廓特征。

云是海洋遥感的一项重要研究内容, 云检测精度对于海洋上空云微物理特性的反演和海洋水体观测具有重要意义。以高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 在轨成像数据为研究对象, 提出了一种基于多角度偏振辐射信息的海洋上空云检测方法。首先用耀光角判别法区分出海洋耀光区域和非耀光区域, 然后利用多角度偏振信息对耀光区域进行云检测, 并基于反射率阈值、可见近红外反射率比值和偏振信息检验等方法对非耀光像元进行云检测。以印度洋和大西洋海域为例, 基于DPC数据进行了海洋上空云检测, 经过时空匹配后, 其结果与 MODIS (Moderate-resolution imaging spectroradiometer) 云掩膜数据一致性分别为 91.39% 和 94.73%。此外, 用法国 POLDER3 (Polarization and directionality of the earth′s reflectances) 数据验证了文中算法的有效性, 将云检测结果和 POLDER3 官方云检测产品对比, 一致性达到 90.40%。文中提出的多角度偏振辐射阈值云检测算法, 可为卫星观测的海洋上空云特性研究和海洋水体观测提供有效云检测数据。

大气气溶胶是气候变化与遥感定量化等的重要影响因素, 研究气溶胶光学特性具有重要意义。基于高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 过境中国区域的数据, 开展了气溶胶光学厚度的反演研究。基于矢量辐射传输模型 6SV 计算构建气溶胶光学特性查找表, 采用 Ross-Li 地表 BRDF 模型和半经验 NB 模型计算地表贡献, 利用标量与偏振的多角度信息和查找表方法, 反演气溶胶光学厚度。DPC 气溶胶光学厚度反演结果与中国区域的 AERONET 地面站点测量结果吻合性较好, 线性拟合度较高, 相关性系数大于 0.8, 验证了算法的可靠性, 为 DPC 有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持。