为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490 nm和670 nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865 nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。

根据高精度线偏振辐射计应用需求, 设计了基于电容积分法的可见光至短波红外波段偏振辐射计信号采集系统。简要介绍了高精度线偏振辐射计的工作原理, 分析其采集系统具有的探测信号动态范围大、采样频率低和探测精度高的特点; 建立了基于跨阻放大法和电容积分法的2种放大电路噪声模型, 并推导出信噪比公式, 采用DDC112的电容积分法放大电路的数据采集系统能够有效减小系统噪声、简化电路设计、提高系统灵活性和系统信噪比; 实验测试了系统的动态范围、等效噪声辐亮度、信噪比、稳定性和线偏振度, 并进行了外场试验。实验结果表明: 该数据采集系统具有较高的响应动态范围, 等效噪声辐亮度比较理想, 常规气溶胶探测波段信噪比≥127, 典型地表探测波段信噪比≥147, 仪器稳定性优越, 线偏振度测量精度优于0.5%, 达到仪器设计指标。

航空大气多角度偏振辐射计(AMPR)可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区(工业发达、人口集中)的气溶胶进行观测,经过 数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640 nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多 角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。

为精确评估航空多角度偏振辐射计的性能, 分析了航空多角度偏振辐射计的信号与噪声, 给出了估算其探测器信噪比的过程。介绍了航空多角度偏振辐射计的工作原理, 推导了探测器信噪比与系统信噪比的估算表达式。结果显示: 系统信噪比与强度信噪比成正比, 探测器信噪比需求与偏振探测精度成反比, 航空多角度偏振辐射计的探测器信噪比应不小于245, 得到的结果弥补了一直以来偏振遥感仪器只计算探测器信噪比的不足。最后, 根据推导的表达式, 通过矢量传输模拟估算了用航空多角度偏振辐射计探测典型场景时的探测器信噪比与系统信噪比, 并在暗室中利用积分球与偏振盒进行了测量。结果表明, 航空多角度偏振辐射计各个探测器的信噪比均满足偏振探测的需求。

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先, 介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后, 从矢量传输模型出发, 说明大气状况不变时, 偏振模式主要取决于地表特征与观测几何, 并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后, 在考虑平台姿态与地表特征的情况下, 利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度, 并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示: 偏振度预测误差小于1%, 影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身, 而是姿态改变造成的观测地表特性变化。

运用新研制的大气多角度偏振辐射计（AMPR）获得航空遥感数据并结合实验室测量数据对常用的三种地表偏振模型进行评估，分析地表偏振反射率的波段响应和角度响应特征。实验发现偏振反射率对波段变化的响应很小，该结论得到85%以上飞行数据的气溶胶反演结果支持。实验室数据中，波长变化1 nm的黄棕壤和红沙土的偏振反射率改变量仅分别为2.43×10-6和1.47×10-6。在角度响应特征上，三种模型都与实验数据符合得很好，高植被覆盖率时三种模型与实际测量数据的偏差较小。分别对三种模型的航空数据进行拟合，Nadal和Bréon（NB）开发的地表偏振反射率模型与飞行数据符合得最好，拟合偏差约是其他两个模型的一半，NB模型能够更精确地描述地表偏振反射的特性。

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求，根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源，并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中，一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量；均匀性的检测考虑积分球出口小，采用了透镜加光阑扫描的方法；偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明，采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%，面均匀性优于99%，偏振度低于1%，这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法， 以消除其自身引入的偏振效应，提高偏振辐射计的测量精度。首先，根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程，由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式，并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法。最后，分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数，使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果。结果显示，该仪器偏振测量精度不低于0.5%，满足仪器精度指标要求。

介绍了多角度偏振辐射计的光机系统组成及其工作原理。根据仪器的工作原理,进行了光学系统的设计,从保证偏 振测量精度和满足光学设计要求出发, 重点解决了集束系统光轴平行性、视场对准的一致性问题,给出了多角度偏振辐射计的光机设计结果。