内蒙古师范大学地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022 内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010022
植被的光谱反射曲线特征区别于土壤、 水等其他物质, 密切关系于本身的生理性状表现。 由于对冠层植被进行俯视与侧视时的入目效果不一致, 实际角度原因会导致传感器获得的覆盖度信息产生误差。 以内蒙古四子王旗荒漠草原植被为研究对象, 利用自主设计组装的野外在线多角度光谱仪, 开展草原植被多角度实时观测试验。 并结合归一化植被指数（NDVI）、 比值植被指数（RVI）、 优化型土壤调节植被指数（OSAVI）以及光化学植被指数（PRI）共4种指数进行多维的数据比较。 分析了不同传感器观测角度（SVA）和不同太阳高度角（SEA）下的草地生理性状光谱多样性三者间的关联特征。 研究发现, 传感器观测角越大, 不同波段冠层反射率的日内变化程度越弱, 表现出明显的观测角度差异性和角度敏感程度差异性, 当传感器观测角（SVA）在75°附近或垂直向下观测时, 植被的反射率日变化标准差较小。 在固定传感器观测角度的情况下, 植被的反射率与太阳高度角呈正相关关系。 同样, 不同植被指数的角度效应也存在差异, OSAVI指数在传感器观测角（SVA）为45°时表现最为敏感, 不同月份都出现了最低值这一特征, PRI指数的最大值均出现在传感器观测角（SVA）为60°位置以下。 同时发现, 针对不同的太阳高度角（SEA）并基于所观测植被所处的不同生长期而选择一定传感器观测角度更有利于获得有效且精确的数据。 野外在线多角度光谱仪观测结果旨在为卫星影像产品矫正、 植被遥感精准监测、 草原生物量的准确估算等方面提供科学数据支撑。
多角度遥感 植被指数 太阳高度角 Multi-angle remote sensing Vegetation index Sun elevation angle 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3170
1 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
3 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241000
通过分析多角度偏振成像仪（DPC）的后验误差，测试DPC的气溶胶反演效果，为算法改进提供支持。使用GRASP（generalized retrieval of aerosol and surface properties）算法在同等条件下对DPC和POLDER（polarization and directionality of the earth's reflectance）数据进行反演，分析两种传感器的强度（RI）和偏振（RP）的反演残差及气溶胶光学厚度（AOD）误差；讨论山区和非山区AOD的反演精度及加入偏振信息对反演的改进。在多数波段，DPC的AOD反演精度接近POLDER，但在865 nm波段二者有较大正向偏差；RI@565、RI@865及RP@865的绝对值较大且较为离散；非山区上空DPC与POLDER反演精度接近，但在山区二者均出现系统性偏高，DPC尤为明显；偏振信息的加入可以有效改善仅强度条件下的反演结果；扣除干扰因素，非山区上空AOD@670落入期望误差范围的比例为63.7%，相关系数为0.828。
遥感与传感器 气溶胶 偏振 多角度偏振成像仪 光学学报
2023, 43(24): 2428007
1 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中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽 合肥 230012
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。
云检测 冰雪 遥感 多角度 偏振探测 光学学报
2023, 43(24): 2428004
1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000
2 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116
3 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
山区复杂的地形特征会导致地表反射率估算误差增加，降低地气解耦精度，进而影响气溶胶反演精度。当前应用较广泛的反演方法有基于波段关系估算地表反射的暗目标算法 (DT)、基于区域地表反射率库的深蓝算法 (DB) 和基于双向反射分布函数 (BRDF)、双向偏振分布函数 (BPDF) 模型估算地表反射率的GRASP (Generalized retrieval of atmosphere and surface properties) 算法。为探究适合山区气溶胶遥感的地气解耦方法，利用地面气溶胶自动观测网 (AERONET) 气溶胶产品 (AOD_A) 对比分析了2005年至2013年间POLDER-3 (Polarization and directionality of the earth's reflectances) 的GRASP气溶胶产品 (AOD_G)、中等分辨率成像光谱仪 (MODIS) 的DT气溶胶产品 (AOD_DT) 和DB气溶胶产品 (AOD_DB) 在中国区域的精度。结果显示，非山区站点处AOD_G与AOD_A整体相关性最高 (R = 0.921)，AOD_DT和AOD_DB总体精度差异不大，但山区AOD_G高于期望误差的比例达79.87%，AOD_DT和AOD_DB高估程度分别增加了近30%和20%。在河北兴隆和兰州大学半干旱气候与环境观测站 (SACOL) 两个山区站点分季节验证显示，植被覆盖度低的秋冬季节三种卫星产品精度均存在下降趋势，表明除去地表植被对反射率的影响后，山区地形影响了地气解耦精度。进一步分析显示，山区起伏地形对基于BRDF、BPDF模型的地气解耦方法影响较大；在山区等起伏地表上空，多角度观测的地表波段关系更有利于精确估算地表反射，而在城区BRDF、BPDF模型与波段关系估算地表反射的误差水平接近。研究结果为进一步优化多角度观测 (如高分五号DPC) 的山区气溶胶反演算法提供了新的方向。
山区 多角度偏振 气溶胶光学厚度 地气解耦 mountainous areas multi-angle polarization aerosol optical depth land-atmospheric decoupling 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 339
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
4 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
5 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, 安徽 合肥 230031
2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。
高分五号 02 星 多角度偏振成像仪 绝对辐射系数 相对辐射系数 瑞利散射定标 “偏振交火”定标 Gaofen-5(02) satellite directional polarimetric camera absolute radiometric coefficient relative radiometric coefficient Rayleigh scattering calibration "polarization crossfire" cross calibration 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 310
华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用，但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法，限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法，设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法，可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型，通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明，与传统的正则化Tikhonov算法相比，所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明，仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。
散射 多角度动态光散射 颗粒系粒径分布 广义回归神经网络 非球形颗粒分析
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
4 佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528051
5 粤港澳智能微纳光电技术联合实验室，广东 佛山 528051
针对GF-5卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）平台上气溶胶细粒子反演算法中半经验模型不适用于城市地表偏振反射率估算的问题。基于DPC的经验正交函数方法，开展了气溶胶细粒子光学厚度反演研究。基于米散射计算气溶胶辐射贡献，采用经验正交函数方法计算地表贡献，利用多角度偏振数据以及矢量辐射传输方程，反演气溶胶细粒子光学厚度。本研究的反演结果与中分辨率成像光谱仪的气溶胶细粒子光学厚度产品分布趋势具有一致性，然后与AERONET北京、香河、香港站点的测量结果进行定量对比，相关系数为0.97、0.96、0.9，平均绝对误差为0.08、0.07、0.12，均方根误差为0.12、0.11、0.17，验证了算法的高精度与合理性。最后呈现2019年中国部分地区的气溶胶细粒子光学厚度月平均数据，并分析山东地区气溶胶细粒子光学厚度变化情况，发现6月是全年最高的时期，均值为0.7。上述结果验证了本文算法的可靠性，可为DPC有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持
大气光学 多角度偏振探测仪 反演 地表偏振反射率 气溶胶细粒子 光学厚度 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0901003
1 中国海洋大学物理与光电工程学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学电子工程学院，山东 青岛 266100
为了在耀光干扰下提升粗糙海面溢油的检测效果，基于Cox-Munk粗糙海面概率统计模型，对不同入射和观测几何下海水与油膜反射耀光的偏振度及其差异进行仿真研究。结果表明：入射和观测几何以及海面介质的折射率是海面耀光偏振度空间分布的主要影响因素；当满足一定太阳入射角时，海面介质折射率差异是水/油反射耀光偏振度差出现“正负反转”的主要原因；入射平面内水面溢油最佳偏振观测角度与太阳入射天顶角和溢油折射率相关。
测量 线偏振度 太阳耀光 水面溢油 多角度
超声无损检测为航空航天、石油化工、轨道交通等领域的设备正常运行提供保障，具有十分重要的意义。横波超声检测因其振动模态衰减小、传播速度低、空间分辨率高等优势成为固体内部缺陷检测的重要手段。然而，常规的超声换能器因压电晶片的振动特性，无法直接发射和接收横波，需要借助斜入射折射出横波。由于斜入射的特殊性，需要同时考虑折射效应和斜面检测的问题，这给超声成像重建计算增加了负担。为此，提出一种超声扫查横波成像的波数域快速重建技术。该方法在传统波数域超声图像重建技术的基础上，结合波数域坐标变换以及横波波场外推实现斜入射横波成像的快速重建。仿真和实验结果表明，利用本文方法，在以20°~60°左右的折射角检测横通孔、裂纹和半球面平底孔时，均能展现优良的检测效果。并且相较于时域合成孔径聚焦技术，在不损失重建精度的条件下，该方法的计算效率至少提高100倍。
仪器，测量与计量 超声无损检测 斜入射 横波 小型孔 多角度 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312020
