РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2016, том 3, выпуск 3, c. 35–45
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
УДК 681.785
Задачи поляризационного дистанционного зондирования
воптическомдиапазоне
В. А.Селиванов1, Ю.М.Гектин2,В.П.Будак3
1к.т.н., доцент, Московскийтехническийуниверситет связи и информатики
2к. т. н., АО «Российские космические системы»
3д. т. н., проф., Национальныйисследовательский университет «МЭИ»
e-mail: selivanovctc@gmail.com
Аннотация. Проводится анализ работы широкого класса многоугловых видеополяриметрических систем, рассматриваются задачи
повышения надежности поляризационных измеренийатмосферы и подстилающейповерхности и уменьшения размерности
отображаемойинформации.
Ключевые слова: многоугловая видеополяриметрия, параметры Стокса, поляризационно-фазовые кривые, дистанционное зондирование
The
Tasks of Polarization Remote Sensing in Optical Band
V. A. Selivanov1,Yu.M.Gekhtin2, V.P.Budak3
1candidate of engineering science, associate professor,
Moscow technical university of communication and information science
2candidate of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”
3doctor of engineering science, professor, National research university “Moscow energetic institute”
e-mail: selivanovctc@gmail.com
Abstract. The operation analysis of a broad class of multi-angle video polarimeter systems is carried out. The problems of improving
the polarization measurement reliability of the atmosphere and the underlying surface are considered. The possibilities of reducing
the dimension of the display information are analyzed.
Keywords: multi-angle video polarimeter, Stokes parameters, polarization-phase curves, remote sensing
Стр.1
36
В. А.СЕЛИВАНОВ, Ю.М.ГЕКТИН, В.П.БУДАК
Введение
Минуло более 50 лет, как в своейстатье [1]
Г. В.Розенберг констатировал, что измерение поляризации
излучения позволяет получить всю доступную
оптическим методам измерения информацию.
За это время было реализовано несколько фундаментальных
исследовательских программ по пассивному
измерению поляризации отраженного излучения
объектами ближнего и дальнего космоса, Землейсо
спутников и самолетов, разработаны лидары
и выполнены многочисленные измерения матриц
рассеяния различными объектами. Было продемонстрировано,
что измерение поляризующейспособности
природных образований, осуществляемое в дополнение
к измерениям отражательнойспособности,
приближает возможности корректного решения обратнойзадачи
средствами пассивного дистанционного
зондирования (ДЗ): определения физико-химического,
минералогического состава подстилающей
поверхности и атмосферы, определения их микроструктуры.
При
решении прямых задач ДЗ стало возможным
уверенно определять возраст и загрязненность
снежного покрова, состав и увлажненность
почв, физиологическое состояние растительности,
размер и мощность загрязненийакваторий. Спектр
успешно решаемых задач, методологии и варианты
приборнойреализации видеополяриметрических
измерительных систем рассматриваются в ряде обзорных
работ [2–7], анализ которых показывает,
что эффективность метода поляризационного зондирования
наиболее ярко продемонстрирована при
решении задач, связанных с оценкойаэрозоля.
Минимизация систематических и динамических
ошибок в оптико-электронных трактах видеополяриметров
обеспечило возможность реализовать процедуры
измерения поляризованного света с погрешностью
менее 1%, что обеспечило надежную оценку
не только концентрации и размеров частиц, но и их
формы. Такие оценки позволяют судить о происхождении
аэрозоля и его влиянии на атмосферные явления.
Уникальная чувствительность поляризационных
измеренийк малым вариациям аэрозольных параметров
послужила основойсоздания спутниковых
и самолетных видеополяриметрических систем, которые
обеспечивают непрерывныйглобальный мониторинг
загрязненийатмосферы.
При поляризационном ДЗ подстилающих поверхностей,
несмотря на выявленный широкий круг
потенциальных приложений, столь значимых результатов
от применения видеополяризационных
систем пока не удается продемонстрировать. Цель
настоящейработы — выявление естественно-физических
и технологических причин сложившейся ситуации
и определение направленийсовершенствования
технологии видеополяриметрии.
Принцип стокс-видеополяриметрии
Возможности решения прямых и обратных задач
ДЗ на основании данных видеополяриметрических
измеренийявляются прямым следствием стоксовского
формализма, в соответствии с которым
полное описание квазимонохроматического, с длинойволны
λ, частично поляризованного светового
пучка обеспечивается четырьмя параметрами вектора
Стокса [8]
S(λ)=[I,Q,U,V ]T,(1)
имеющими размерность интенсивности — первого
параметра I.Параметры Q и U характеризуют
состояние линейной поляризации, V — эллиптическойполяризации
пучка. Параметры Q и U
индицируют преимущественное направление колебанийэлектрического
вектора в плоскости, например,
перпендикулярнойплоскости «источник
излучения–объект–наблюдатель», и в плоскости,
развернутойна 45◦ относительно этойвыбраннойплоскости
референции. Стокс-параметры измеряются
косвенно, через измерения интенсивности
в оптических каналах после ее модуляции линейными
анализаторами и устройствами сдвига фазы.
Пространственное распределение стокс-параметров
носит название стокс-изображений LS(x, y).Формально
эти параметры предполагают определенную
процедуру их измерения с помощью дискретнойполяризационной
модуляции светового потока,
т. е. требуется проведение шести измеренийинтенсивности
при фиксированных положениях линейных
анализаторов и двух круговых анализаторов,
аименно:
I = I0 +I90, Q = I0 −I90,
U = I45 −I135, V = IL −IR,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
(2)
Стр.2
ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
где индексы 0, 90, 45, 135 обозначают углы плоскости
пропускания линейных поляризаторов, L и R —
лево- и правоциркулярныйполяризаторы.
Амплитудно-угловая зависимость пропускания
линейных поляризаторов нелинейна и имеет косинусквадратичныйхарактер.
Для минимизации погрешностейизмерения
может применяться иная
схема расположения поляризаторов, а число измеренийдолжно
быть увеличено [9]. В пределе линеаризация
угловойчувствительности может быть
достигнута при бесконечном числе угловых измерений,
что означает переход к непрерывной модуляции.
Однако реализация такойсхемы измерения
для относительно подвижных объектов представляет
собойсложную техническую задачу.
Три параметра вектора Стокса, связанные
с поляризацией, линейно зависят от освещенности
исследуемого объекта. В практике поляриметрии
для оценки поляризующейспособности объектов
используются функционалы параметра вектора
Стокса, не имеющие такойзависимости: степень
поляризации P, определяющая долю поляризованного
излучения, измеряемую в относительных единицах;
азимут поляризации θ, определяющийповорот
плоскости поляризации относительно плоскости
референции, измеряемыйв градусах; угол эллиптичности
ε, характеризующийраскрыв эллипса,
измеряемыйв градусах.
P = Q2 +U2 +V 2
I
ε = 1
2 arg sin
, θ = 1
2 arg tanU
V
Q2 +U2 +V 2
.
Эти функционалы в пространстве параметров
вектора Стокса однозначно определяют частично
поляризованныйпучок на единичной сфере Пуанкаре
[10]. Вследствие ограниченного диапазона измеренийфункционалы
P, θ и ε оказываются наиболее
приспособлены для отображения в виде двумерного
распределения яркостей LP,θ,ε(x, y).
Краткая история пассивной стоксвидеополяриметрии
Традиционно
историю видеополяриметрии как
инструмента ДЗ связывают с открытием Arago,
в 1811 г. наблюдавшего поляризации отраженQ
,
(3)
37
ного
Лунойсвета в полярископ, однако планомерные
поляриметрические наблюдения поверхности
Луны начались лишь в 20-х гг. XX столетия [11].
Однако фотополяриметрия планет и подстилающей
поверхности Земли из-за необходимости проведения
вычислительных процедур не смогла получить широкого
распространения до момента появления цифровых
методов обработки изображений[12]. Уже
первые изображения поляризационных функционалов
P и θ естественных и антропогенных объектов
продемонстрировали исследователям качественные
отличия изображенийот привычных изображений
двумерного распределения интенсивности, что стимулировало
разработку телевизионных видеополяриметрических
устройств для лабораторных наземных
[13,14] и самолетных измерений[5] и проведение
спектрополяриметрических исследованийестественных
поверхностей[16].
В результате проведенных исследованийбыл
определен перечисленныйвыше круг потенциальных
задач ДЗ, которые могли бы быть успешно разрешены
с помощью видеополяриметрических систем,
и выявлен ряд феноменов, свойственных поляризационным
наблюдениям. Во-первых, степень
линейной поляризации отраженного от большинства
естественных поверхностейсолнечного излучения
не превышает в среднем 15%, что предъявляет
повышенные требования к дифференциальнойчувствительности
регистрирующих систем.
Во-вторых, степень линейной поляризации имеет
ярко выраженную зависимость от угла визирования
и угла Солнца, даже в пределах поля зрения объектива,
что затрудняет идентификацию оптически
однородных объектов, разнесенных в пространстве.
В-третьих, изображения Lθ(x, y) азимута поляризации
чувствительны к шумам, но эффективно индексируют
границы объектов. В-четвертых, эллиптичность
отраженного излучения естественными
образованиями пренебрежимо мала [17] (исключая
случайотражения тонкими пленками нефтяных загрязненийакваторий).
Этот факт позволил исследователям
сосредоточиться на разрешении проблем
измерения лишь линейной поляризации при разработке
перспективных моделейвидеополяриметров.
Наконец, в-пятых, определились ограничения
потенциально достижимойточности измерений,
связанные с искажающим влиянием атмосферы.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.3
38
В. А.СЕЛИВАНОВ, Ю.М.ГЕКТИН, В.П.БУДАК
Естественное солнечное излучение не является поляризованным,
но, претерпевая рассеяние в толще
атмосферы, оно становится частично линейно поляризованным,
достигая поверхности. Поэтому отраженное
от поверхности объектов излучение содержит
как поляризованную компоненту, обусловленную
собственнойполяризующей способностью по
отношению к падающему неполяризованному излучению,
так и поляризованную компоненту, обусловленную
собственнойдеполяризующей способностью
по отношению к падающему поляризованному
излучению. Отраженное от поверхности поляризованное
излучение частично деполяризуется
за счет рассеяния в атмосфере. Наконец поляризованное
атмосферойизлучение создает аддитивную
помеху поляризованному излучению, отраженному
от объекта, значительно превышающую полезный
поляризованныйсигнал.
Обозначенные проблемы охватывают две взаимно
перекрывающиеся области: аппаратные проблемы
обеспечения требуемойточности оценки поляризационных
характеристик отраженного излучения
и проблемы интерпретации результатов.
Аппаратные погрешности измеренийсвязаны
с возникновением специфических поляризационных
искажений, свойственных двум основным схемам
получения поляризационных отсчетов: последовательнойлибо
параллельной. В последовательнойсхеме
за время экспонирования стокс-изображения
перед единственным объективом должно
осуществиться перемещение как минимум четырех
поляризаторов, выполненных на основе широкоапертурных
пленочных поляроидов. В параллельной
схеме, при наличии одного объектива, необходимо
использование светоделителейили увеличение
числа независимых идентичных оптико-электронных
измерительных каналов. Необходимо отметить,
что проблемы минимизации аппаратных погрешностейи
массогабаритных характеристик бортовых
устройств в настоящее время могут быть кардинально
снижены в связи с появлением малогабаритных
активных анализирующих устройств на основе
ферроэлектрических жидких кристаллов [18], устанавливаемых
в фокальнойплоскости, или микрополяризатров
— Metallic Nanowire Polarization Filter,
формируемых непосредственно на светочувствительных
элементах CMOS-фотоприемника [19].
При поляризационных наблюдениях естественных
поверхностейосновная проблема связана с интерпретациейизмерений.
Поляризационные параметры
отраженного излучения от поверхностей
естественных и искусственных образованийоказались
более чувствительны к углам освещения и наблюдения,
нежели к физико-химическому составу
[20]. Подобная проблема, носящая менее принципиальныйхарактер
для интерпретации, имеет
место при измерениях интенсивности излучения,
отраженного от сложных поверхностей, имеющих
анизотропные индикатрисы отражения. Поэтому
для повышения надежности дешифрирования изображенийинтенсивности
используется двунаправленная
функция отражательнойспособности BRDF
(Bidirectional Reflectance Distribution Function), которую
можно оценить лишь при многоугловом методе
измерения. Однако в практике спутникового
ДЗ спектральныйкоэффициент яркости (СКЯ),
оцениваемыйпо ограниченному числу спектральных
отсчетов — результатов измеренийинтенсивности
в узких спектральных каналах, является
надежнойоптическойсигнатуройширочайшего
класса природных образований, инвариантной
к угловым условиям наблюдения. Для пассивных
поляриметрических измеренийоптического диапазона
в качестве сигнатуры, инвариантнойк условиям
наблюдения, используется угловая (также называемая
фазовой) зависимость поляризационных
параметров вектора Стокса и их функционалов.
Фазовыйугол α — это угол между направлением
падения излучения и направлением визирования
в плоскости, задаваемойэтими направлениями.
Эти зависимости носят названия поляризационнофазовых
кривых (ПФК), тесно связанных с понятием
BPDF (Bidirectional Polarization Distribution
Function) [21].
Принцип многоугловой
стокс-видеополяриметрии
В простейшем случае регистрации зеркально
отраженного излучения от границы «воздух–
пространственно однородныйдиэлектрик», в соответствии
с законом Френеля величина линейнойполяризации
отраженного излучения положительна,
имеет одномодовую зависимость от угла
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.4
ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
падения со 100%-м максимумом при угле Брюстера,
однозначно связанного с коэффициентом
преломления. Однако коэффициенты преломления
большинства диэлектриков сосредоточены в узком
диапазоне 1,3–1,6, что, казалось бы, не позволяет
использовать критерийугла Брюстера для решения
задач распознавания широкого класса естественных
объектов. Однако в реальнойситуации
структура поверхности имеет неоднородныйсостав
и отраженное излучение формируется в приповерхностном
объеме вещества порядка длины волны,
в котором происходят переотражения, преломления
и рассеяния светового излучения, что позволяет
рассматривать этот отражающий/рассеивающий
объем как мутную среду. На макроструктуре поверхности
возникают затенения, что в совокупности
обеспечивает сложныйинтегральный эффект,
зависящийот степени пространственного осреднения.
В простейшей модели поверхности, не учитывающейэффекты
рассеяния, поверхность может
быть представлена совокупностью хаотически
ориентированных зеркально отражающих микроплощадок
(фасеток) диэлектрика, расположенных
на плоскойподложке. Отраженное излучение
при пространственном осреднении будет лишь частично
линейно поляризовано, и возникнет зависимость
степени поляризации от фазового угла.
Такаямодельиспользуетсяпри упрощенном анализе
отраженного излучения от снежных или песчаных
поверхностей. Если подобная неоднородная
поверхность будет иметь преобладающее направление
нормалейфасеток при наличии макронеровностейподложки,
то угловое положение максимума
степени поляризации может быть заметно смещено
относительно угла Брюстера. Это смещение будет
характеризовать уклон подложки поверхности.
Возникающая возможность оценки уклона по анализу
угловойзависимости степени поляризации лежит
в основе алгоритма 3D-реконструкции поверхностейна
основе стокс-изображений[22].
При рэлеевском рассеянии на частицах, сравнимых
с длинойволны, что характерно для чистойатмосферы,
угловая зависимость степени поляризации
принимает только положительные значения.
Если многократное рассеяние происходит
на частицах, значительно больших длины волны
(рассеяние Ми), и дополняется поглощением и пе39
реотражением,
то в угловойзависимости степени
поляризации могут возникать дополнительные
максимумы, сопровождаемые инверсиейплоскости
поляризации. Впервые явление «отрицательной»
линейной поляризации, смещенной в область
малых фазовых углов, было обнаружено Бернаром
Лио при поляриметрическом наблюдении поверхности
Луны в 1922 г. [23] и смоделировано
им в лабораторных условиях на мелкодисперсных
порошках. Открытие «отрицательной» ветви линейной
поляризации стимулировало развитие общейтеории
переноса излучения в мутных средах
с учетом поляризации для разрешения обратнойзадачи
определения состава и размеров рассеивающих
частиц при исследовании космических
объектов [11, 24–26]. Было установлено, что влияние
объема вещества слоя сказывается на положительнойветви
ПФК в виде подавления значенийстепени
поляризации в максимуме и в смещении
максимума влево от положенийпод углом
Брюстера. С возрастанием анизотропии рассеяния
возрастает степень поляризации для больших значенийфазового
угла вследствие уменьшения вклада
объемного рассеяния слоем: преобладают отклонения
лучейна малые углы от первоначального
направления, что вызывает их большее поглощение
в толще слоя. Многократные переотражения
от сложнойповерхности приводят к росту «отрицательноймоды»
ПФК. Важнейшим результатом проведенных
исследованийдля практики ДЗ явилось
доказательство высокойчувствительности формы
угловойзависимости параметров вектора Стокса
к появлению малых концентрацийаэрозоля в атмосфере.
Для
восстановления плавных одномодовых
ПФК достаточно 4–6 угловых отсчетов, расположенных
в диапазоне 0–180◦. При наблюдении поверхности
Земли возникают ограничения диапазона
возможных углов зондирования. При сложной
структуре мутнойсреды ПФК также приобретает
сложныйхарактер, что требует увеличения числа
угловых отсчетов.
Для иллюстрации поведения ПФК степени линейной
поляризации на рис. 1 и 2 приведены результаты
моделирования для двух типов объектов:
аэрозоль — «Aer» и облако — «Cloud». Модельные
объекты представлены в виде плоского слоя мутРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.5
40
В. А.СЕЛИВАНОВ, Ю.М.ГЕКТИН, В.П.БУДАК
нойсреды с взвешенными частицами сферической
формы, распределенными по радиусу по закону
f(r)= 1
√2πsr
exp −
ln2 (r/r0)
2s2
.
(4)
– объект «Cloud», r0 = 5,0 мкм, s = 0,4, λ =
= 412 нм, показатель преломления частиц
m = 1,385,
интегрирование по радиусам ограничивалось
r100 мкм. Излучение Солнца направлено на
слойпод углом 60◦ с нормалью к границе слоя.
Фазовыйугол, равный нулю, соответствует углу
визирования из-под Солнца.
Отраженное излучение моделировалось на основе
решения векторного уравнения переноса для
плоского слоя [27–30]. Данная модель плоского
слоя также применима для подстилающейповерхности,
если учитывать поглощение в подложке
на нижнейгранице слоя.
Современное состояние
многоуглового
видеополяризационного ДЗ
Рис. 1. Поляризационно-фазовая кривая для объекта
типа «аэрозоль»
Стремление исследователеймаксимизировать
измерительную информацию об оптических характеристиках
подстилающейповерхности, получаемую
одним прибором, привело к формированию
концепции 3MI (Multi spectral, Multi angle, Multi
polarization Image). Современные и перспективные
спутниковые и самолетные многоугловые видеополяриметры
в тойили инойстепени соответствуют
этойконцепции.
Первым поляриметром, открывшим эру многоРис.
2. Поляризационно-фазовая кривая для объекта
типа «облако»
Расчеты оптических параметров среды (показателейпоглощения
и рассеяния, индикатрисы рассеяния)
проводились по теории Ми:
–объект «Aer», r0 = 0,3 мкм, s = 0,92, λ =
= 412 нм, показатель преломления частиц
m = 1,385;
углового поляриметрического спутникового наблюдения
Земли, стал французскийспутниковый поляриметр
POLDER (POLariztion and Directionality
of the Earth’s Reflectances) [31], запущенныйв двух
версиях POLDER-1 и POLDER-2 на японских спутниках-носителях
ADEOS-1 и ADEOS-2 (Advanced
Earth Observation Satellite — орбита спутника около
800 км) в 1996 и 2002 гг. (последнийвышел из строя
в 2003 г.). POLDER представляет собойширокопольный(±43◦×±51◦)
многоспектральныйпассивныйрадиометр,
предназначенный для измерения характеристик
излучения, диффузно отраженного атмосферойи
поверхностью Земли с учетом поляризации.
Назначение системы — газовыйи аэрозольный
анализы состояния атмосферы и ее облачного покрова,
спектральныйанализ растительного покрова
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.6
ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
и состояния почв, измерение параметров излучения
при отражении от поверхности океанов. Поляризационные
измерения проводятся в спектральных каналах
в районе 443, 670 и 865 нм при ширине полосы
20 нм в каждом из каналов. Относительная точность
измеренийсоставляет 2–3%.
В POLDER используются ПЗС-матрица и широкоугольныйлинзовыйобъектив,
между которыми
установлен вращающийся барабан, снабженный
спектральными фильтрами и линейными анализаторами.
Вторая спутниковая программа Франции
и Японии, направленная на исследование поляризационных
и анизотропных свойств отраженного атмосферойизлучения
при помощи лидара PARASOL
(Polarization & Anisotropy of Reflectances for Atmospheric
Sciences coupled with Observations from
a Lidar), была запущена в 2004 г. Она реализуется
группировкоймалых спутников (орбита около
700 км), получающих данные в узких спектральных
диапазонах. Разнородные данные обрабатываются
совместно на земных станциях [32].
Основным инструментом даннойспутниковой программы
является аналогичныйпассивныйполяриметр
POLDER с увеличеннойскоростью передачи
данных. Однако работа даннойсистемы совместно
с космическим лидаром CALIPSO [33] позволяет
использовать PARASOL и как активную поляриметрическую
систему.
В 2011 г. в NASA планировался запуск спутника
по программе GLORY [34] (масса 553 кг, орбита
705 км), оснащенного прибором ДЗ аэрозолей
и облаков на основании данных поляризационных
измерений— орбитальным сканирующим фотополяриметром
Aerosol Polarimetry Sensor (APS) [35].
Запуск оказался неудачным, однако предполагается,
что миссия будет выполнена до 2020 г. Задачи
миссии — дистанционныйконтроль антропогенного
и естественного атмосферных аэрозолей, анализ
их влияния на климат за счет измерения полной
яркости и состояния линейной поляризации излучения
в девяти спектральных каналах APS, расположенных
в диапазоне от 0,41 мкм до 2,25 мкм.
Сканирование призвано обеспечить многоугловой
(более 200 направлений) метод измерения. Прототип
APS — RSP (Research Scanning Polarimeter)
активно используется при зондировании аэрозоля
и поверхности Земли с борта самолета.
41
По программе NASA после 2020 г. на орбите
должен начать работать малогабаритныйгиперугловойполяриметр
HARP — Hyper-Angular Rainbow
Polarimeter, нацеленныйна решение аналогичного
круга задач, прототип которого отрабатывается
при самолетных исследованиях [36]. В отличие
от POLDER, поляризационное разделение
в нем осуществляется за счет призм. Измерения
проводятся в трех спектральных каналах: 550, 670,
870 нм, при этом обеспечиваются наблюдения для
60 углов с разрешением на поверхности 2,5 км.
Необходимо отметить, что революционнойтехнологическойвехой
в развитии поляриметрических
устройств для космических исследований станет
выведение на орбиту JamesWebb Telescope, в оптическойсхеме
интерферометра которого используется
CMOS с микрополяризаторами, произведенными
компаниейMOXTEK [37].
Долговременное функционирование космических
миссийи общедоступность постоянно пополняемых
результатов измеренийспособствовали
разработке разнообразных приборов самолетного
базирования как для целейпроведения подспутниковых
исследований, что имеет самостоятельное
значение из-за относительно высокого пространственного
разрешения и значительно меньшего искажающего
влияния атмосферы, так и в качестве
прототипов перспективных спутниковых приборов.
К таким многоугловым видеополяриметрам относятся:
–
упомянутыйпрототип для миссии GLORY
[38];
– прототип российского спутникового многоуглового
видеополяриметра с 4 углами визирования
в диапазоне от −60◦ до +60◦ относительно
надира, использующийлинейные фотоприемники,
размещенные вместе с объективами внутри вращающегося
барабана с пленочными поляроидами [39];
– индийский многоугловой видеополяриметр
(multi-angle polarization imager — MAPI), осуществляющийполяризационное
зондирование
в нескольких спектральных диапазонах — 0,4,
0,5, 0,65, 0,75, 0,85, 0,935 мкм под несколькими
углами в диапазоне от 0 до 70◦. Пространственное
разрешение прибора в надире составляет 5 км для
высоты 1000 км [40].
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.7
42
В. А.СЕЛИВАНОВ, Ю.М.ГЕКТИН, В.П.БУДАК
В Китае разработан сверхширокоугольныйвидеополяриметр,
получившишийназвание Directional
Polarimetric Camera (DPC) и Advanced
Atmosphere Multi-angle Polarization Radiometer
(AMPR). С их помощью проводятся регулярные
измерения аэрозольного состава приземного слоя
в различных городах и исследования отражательных
характеристик различных природных образований[41,42].
Обсуждение
Проведенныйобзор
научных исследованийдемонстрирует
перспективность многоугловойстоксвидеополяриметрии
как в качестве средства повышения
точности методов классического оптического
ДЗ, так и в качестве универсального метода,
обеспечивающего исчерпывающую информацию об
оптических свойствах объектов в узком спектральном
диапазоне. Тем не менее, обращает на себя
внимание имеющееся несоответствие числа находящихся
в опытнойэксплуатации бортовых многоугловых
видеополяриметров и количества опубликованных
и систематизированных результатов угловых
измеренийразличных природных образований. Нам
представляется, что сложившаяся ситуация обусловлена
по крайней мере тремя причинами.
Первая причина связана с обсуждавшимся выше
искажающим влиянием атмосферы на структуру
сигнала. По оценкам, полученным на основании
данных POLDER [40], носящим иллюстративныйхарактер,
вклад помехи обратного рассеяния
в длинноволновом участке видимого диапазона,
при измерении интенсивности излучения,
отраженного от подстилающейповерхности в суммарныйсигнал,
возрастает линейно от направления
в надир с 20% до 40% при угле визирования
в 700. При этом при измерении линейной поляризации
уже в надирном направлении доля поляризованного
атмосферойизлучения составляет 55 %,
однако с ростом угла визирования увеличивается
незначительнодо60%.Значительнаядоля «поляризационнойдымки»
в структуре сигнала приводит
к уменьшению отношения сигнал/шум изображенийи
нелинейному возрастанию шумов в изображениях
при вычислении степени поляризации.
Вторая причина имеет фундаментальныйхарактер
и связана с осреднением информации по
пространству. Поскольку «тонкие» поляризационные
эффекты обусловлены взаимодействием излучения
с микроструктуройвещества, то они нивелируются
при осреднении по разнороднойповерхности.
Эти обстоятельства затрудняют интерпретацию
результатов измеренийотраженного от поверхности
Земли излучения при малом пространственном
разрешении, как, например, данных, получаемых
от POLDER. Напротив, распределение
аэрозоля представляет собойпротяженную однородную
пространственную структуру. По этойже
причине наиболее успешными и повторяемыми являются
результаты самолетных поляризационных
измеренийснежного покрова, песков, протяженных
пространств, открытых почв, растительности,
акваторий. Такие поверхности являются квазиоднородными,
их статистические характеристики мало
меняются при осреднении по площадям от десятков
сантиметров до сотен метров. Для этого
класса поверхностеймогут быть получены оценки
связи физико-минералогических и структурных
свойств с данными поляриметрических измеренийв
лабораторных условиях. Тем не менее,
даже для таких поверхностейвозможности решения
обратнойзадачи ДЗ на основании поляризационных
данных затруднено вследствие низкого отношения
сигнал/шум. Математические трудности
связаны некорректностью задачи обращения интегрального
оператора первого рода [43]. При обращении
подобных операторов появляется возможность
возникновения ложных решенийи осцилляцийрешения
вследствие его крайнейчувствительности
к малым вариациям исходных параметров обратнойзадачи.
Физически речь идет о необходимости
привлечения дополнительнойинформации для
создания алгоритма, фильтрующего ложные решения,
а математически — об огрублении решения до
соответствующего реальному объему исходнойинформации.
В
этом смысле особое место в теории переноса
занимают малопараметрические модели, в рамках
которых прямая задача допускает приближенное
аналитическое решение в общем виде без априорнойинформации
о свойствах среды и последующее
обращение этого аналитического решения,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.8
ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
поскольку численные решения не допускают подобнойоперации.
При этом неизвестные фотометрические
свойства среды выступают в качестве немногих
эмпирически определяемых параметров решения,
а вид последнего диктует необходимыйсостав
вспомогательнойэкспериментальной информации
для определения этих параметров.
Малопараметрическая модель уже не является
некорректнойматематической задачей, если малые
изменения совокупности ее параметров приводят
к малым изменениям измеряемых характеристик,
т. е. процесс создания такоймодели представляет
собойрегуляризацию решения обратной
задачи [43]. Следовательно, при условии, что число
угловых отсчетов ПФК и соответствующее число
уравненийпревышают количество неизвестных
в малопараметрическоймодели подстилающейповерхности,
то возможно однозначное обращение.
Для решения прямых и обратных задач многоугловойвидеополяриметрии
разработан специализированныйматематический
аппарат, приспособленный
для реализации быстрых алгоритмов [44–47].
Эффективность быстрого решения прямойзадачи
коррекции атмосферных искаженийв темпе поступления
информации определяется объемом дополнительнойдинамической
информации об оптических
свойствах слоя атмосферы между видеополяриметром
и подстилающейповерхностью. Такая динамическая
оценка атмосферы может быть получена
косвенно от несканирующего датчика, чувствительного
в ближнем УФ-диапазоне (0,3–0,35 мкм), в котором
отражением солнечного излучения от поверхности
можно пренебречь, а сигнал определяется доминирующим
рассеянием Рэлея [48].
Третьей причинойнезначительного числа результатов
оценки пространственного распределения
поляризационных параметров является избыточность
информации, генерируемая многоугловыми
многоспектральными видеополяриметрами,
не позволяющая использовать ее для визуального
анализа. Единичные стокс-изображения, полученные
под любым из углов, непригодны для анализа,
а непрерывные (восстановленные) ПФК —
поляризационные сигнатуры, соотнесенные с каждым
пикселом стокс-изображения, — невозможно
отобразить. Единственным выходом из противоречия
является нахождение характерных признаков
43
(скалярных величин) ПФК, которые были бы инвариантны
к угловым условиям наблюдения и могли
бы быть отображены в виде двумерного распределения.
Модельные
эксперименты на ряде сыпучих
микроструктурных объектов выявили, что наиболее
вариативным признаком ПФК служит максимальная
величина «отрицательнойветви» степени
линейной поляризации. Поляризационными признаками
(инвариантами) могут служить также максимальное
значение положительнойветви степени
поляризации, угол инверсии азимута поляризации,
крутизна ПФК в точке прохождения через нуль.
При проведении многоугловых измеренийвовсе
не обязателен переход к оптическим параметрам
слоя при обращении выражения для матрицы
отражения. Напротив, названные параметры ПФК
линейной поляризации сами по себе являются
уникальными характеристиками подстилающейповерхности
и пригодны для целейзондирования. Однако
для перехода от них к физико-минералогическому
составу вещества подстилающейповерхности
необходимо создание банка соответствующих
им параметров различных типов поверхности
на базе их лабораторных измерений.
Заключение
Таким образом, в настоящее время имеются
теоретические и экспериментальные предпосылки
для более активного внедрения методов многоугловойвидеополяриметрии
в практику дистанционного
зондирования подстилающих поверхностей.
Необходимо активизировать работы в области накопления
данных для формирования отечественного
атласа поляризационных характеристик природных
образований.
Авторы благодарят профессоров А.А.Романова
и А.С.Селиванова за обсуждение материалов
статьи.
Список литературы
1. Розенберг Г.В. Рассеяние света в земнойатмосфере
(Очерк к 150-летию открытия Араго поляризации
света дневного неба и 100-летию открытия Гови
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.9
44
В. А.СЕЛИВАНОВ, Ю.М.ГЕКТИН, В.П.БУДАК
поляризации света при рассеянии) // УФН, 1960,
т. 81, вып. 2. С. 173–213.
2. Tyo J.S., Goldstein D.L., Chenault D.B., Shaw J.A.
Review of passive imaging polarimetry for remote
sensing applications // Appl. Opt., 2006, vol. 45,
no. 22. P. 5453–5469.
3. Schott J. R. Fundamentals of Polarimetric Remote
Sensing. SPIE Press, 2009.
4. Sun Xiao-bing, Qiao Yan-li, Hong Jin.Review of Polarization
Remote Sensing Techniques and Applications
in the Visible and Infrared.//Journal of Atmospheric
and Environmental Optics, 2010, № 3.
5. Gong Jie-qiong, Zhan Hai-gang, Liu Da-zhao.AReview
on Polarization Information in the Remote Sensing
Detection // Spectroscopy and Spectral Analysis,
2010, vol. 30, no. 4. P. 1088–1095(8).
6. Snik F., Craven-Jones J., Escuti M., Fineschi S.,
Harrington D., Martino A., Mawet D., Riedi J.,
Tyo J.S. An Overview of Polarimetric Sensing Techniques
and Technology with Applications to Different
Research Fields // SPIE Proceedings Vol. 9099:
Polarization: Measurement, Analysis, and Remote
Sensing XI, May 2014.
7. Zhao Y.G., Yi C., Kong S.G.Multi-band Polarization
Imaging and Applications (Advances in Computer Vision
and Pattern Recognitionс), Springer, 2016, 206 p.
8. Розенберг Г.В. Луч света (К теории светового
поля) // УФН, 1977, т. 121, вып. 1. С. 97–138.
9. Tyo J.S. Design of optimal polarimeter: maximization
of signal-to-noise ratio and minimization of error //
Applied Optics, 2002, vol. 41, no 4. P. 619–630
10. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованныйсвет.
М.: Мир, с. 79.
11. 200 лет астрономии в Харьковском университете
/ Под ред. Ю.Г.Шкуратова. Харьков: ХНУ
им. В.Н.Каразина, 2008. 632 с.
12. Walraven R.Polarizationimagery // SPIE.Optical
polarimetry, 1977, v. 112. P. 164–167.
13. Prosh T., Hennigs D. Rascheke E.Video polarimetry:
a new imaging technique in atmospheric science //
Appl. Opt., 1983, v. 22. P. 1360–1362.
14. Селиванов В.А., Джаппаркулов Б.К., Цветков
А.И., идр. Техника телевизионнойполяриметрии
// Техника кино и телевидения, 1992, № 3.
С. 38–43.
15. Egan W.G., Johnson W.R., Whitehead V.S.Terrestrial
Polarization Imagery Obtained from the Space
Shuttle: Characterization and Interpretation // Appl.
Opt., 1991, vol. 30, no 4. P. 435–442.
16. Беляев Б.И., Зайцева В.А., Комар П.В.Б., Плюта
В.И. Малогабаритныйскоростной спектрометрполяриметр
«МСС-СТОКС» // Приборы и техника
эксперимента, 1989, № 1. С. 239.
17. Plass G.N., Kattawar G.W., Hitzfelder S. J.Multiple
scattered radiation emerging from Rayleigh and continental
haze layers. 2: Ellipticity and direction of polarization
// Appl. Opt. 1976, 15, 1003–1010.
18. Vedel M., Breugnot S., Lechocinski N.FullStokes
polarization camera // SPIE Proc. Vol9160-33, Optical
Engineering+Application, San Diego, Aug 21–25,
2011.
19. Brock N. J., Crandall C. Millerd J.E.Snap-shot Imaging
Polarimeter: Performance and Applications //
Proc. SPIE 9099, Polarization: Measurement, Analysis,
and Remote Sensing XI, 21 May 2014.
20. Devaraj C., Gartley M., Schott J.Influence of polarization
phenomenology on material discriminability
using multi-view polarimetric imagery // SPIE Proc.
Polarization Science and Remote Sensing VI, 2013,
vol. 88730C.
21. Rivaere N., Ceolato R., Nespel L.Multispectral polarized
BRDF: design of highly resolved reflecometer
and development of data inversion method // Optica
Applicata, 2012, vol. XXLII, no 1. P. 7–22.
22. Atkinson G.A., Hancock E.R.RecoveryofSurface
Orientation From Diffuse Polarization // IEEE
Ttransactions on image processing, 2006, vol. 15,
no. 6. P. 1653–1664.
23. Lyot B. Recherches sur la polarisation de la lumiere
desplanetesetdequelduessubstances terrestres //
Ann. Obs. Meudon, 1929, vol. 8, no 1. P. 1–161.
24. Mishchenko M. I., Rosenbush V.K., Kiselev N.N.,
Lupishko D.F., Tishkovets V.P., Kaydash V.G., Belskaya
I.N., Efimov Yu.S., Shakhovskoy N.M.Polarimetric
remote sensing of solar system objects. Kyiv:
Akademperiodyka, 2010.
25. Kolokolova L. Dependence of Polarization on Optical
and Structural Properties of the Surfaces of Atmosphereless
Bodies // ICARUS 84, 1990. P. 305–314.
26. Kolokolova L., Petrova E., Kimura H. Effects of interactionofelectromagnetic
waves in complex particles/
Electromagnetic Waves (Ed. by V.Zhurbenko).
InTech, 2011, 522 p.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.10
ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
27. Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В., Селиванов
В.А. Моделирование фотометрических и поляриметрических
характеристик сыпучих веществ //
Тезисы докладов: Международныйсеминар «МЭИ.
Светотехника-1992». С. 142–143.
28. Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В., Селиванов
В.А. Решение векторного уравнения переноса
в малоугловоймодификации метода сферических
гармоник // Оптика атмосферы и океана, 1994, т. 7,
№ 6. С. 753–761.
29. Будак В.П., КозельскийА.В., СавицкийЕ.Н.
Улучшение сходимости метода сферических гармоник
при сильно анизотропном рассеянии // Оптика
атмосферы и океана, 2004, т. 17, № 1. С. 36–41.
30. Budak V.P., Korkin S.V.Mathematical model
of the polarized light reflection by the turbid medium
slab with an anisotropic scattering // Proc. SPIE,
2005, v. 5888. P. 363–370.
31. http://smsc.cnes.fr/POLDER/
32. http://smsc.cnes.fr/PARASOL/
33. http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/atrain.php
34. http://glory.gsfc.nasa.gov/a-train.html
35. http://glory.gsfc.nasa.gov/overview-aps.html
36. http://spacedynamics.org/programs/harp
37. Morris M.N., Millerd J., Brock N., Hayes J., Saif B.
Dynamic phase-shifting electronic speckle pattern interferometer
// http://www.4dtechnoloy.com/reflib/
38. Alexandrov M.D., Cairns B., Mishchenko M. I., Ackerman
A.S.Characterization of Cloud Microphysical
Parameters Using Airborne Measurements by the Research
Scanning Polarimeter // International Radiation
Symposium 2012, Berlin, Germany, 06–10 August
2012.
39. Будак В.П., Гектин Ю.М., Лисицин Д.В., Селиванов
В.А., Цветков А.И., Церетели Г.Г.Многоугловойвидеополяриметр
для дистанционного зондирования
подстилающейповерхности / Тезисы
45
докладов: Симпозиум «Прикладная оптика-94» //
СПб.: ИТМО, 1995. С. 86.
40. Satheesh S.K., Moorthy K.K.Multi-angle polarization
imager: A satellite sensor for studies of continental
aerosols // Сurrent Сience, 2007, 174, vol. 92,
no. 2.
41. Han W., Xiaobing S., Jin H., Fangbin W.Review
of Air-Borne and Space-Borne Polarized Remote Sensing
of Aerosol over Land // Journal of Atmospheric
and Environmental Optics, 2015, Issue: 2. P. 186–196.
42. Hai Х.D., Fa G.X., Hai C.T., Tao Y., Qiang Li Z.,
Feng C.X., Hao C., Jing G.Initial researchon the
polarized reflectance of typical urban surface types
measured by the Directional Polarimetric Camera //
Science China Earth Sciences, 2011 Issue: 8. P. 1199–
1205.
43. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения
некорректных задач. М.: Наука, 1974. 223 с.
44. Boudak V.P., Selivanov V.A. Multiangular videopolarimetry
of an underlying surface // Proc. 31 Int.
Symp. On Remote Sensing of Environment, June 20,
Saint Petersburg, 2004.
45. Budak V.P., Korkin S.V.Onthe solution of a vectorial
radiative transfer equation in an arbitrary threedimensional
turbid medium with anisotropic scattering
// JQSRT, 2008, v. 109. P. 220–234.
46. Budak V.P., Korkin S.V. The spatial polarization distribution
over the dome of the sky for abnormal irradiance
of the atmosphere // JQSRT, 2008, v. 109.
P. 1347–1362.
47. Kokhanovsky A.A., Budak V.P., Cornet C. et al.
Benchmark results in vector atmospheric radiative
transfer// JQSRT, 2010, vol. 111. P. 1931–1946.
48. Boudak V.P., Selivanov V.A. Videocorrection
of the images of the underlying surface with use
of the reference channel in the UV-spectrum region //
Proc. 31 Int. Symp. On Remote Sensing of Environment,
June 20, Saint Petersburg, 2004.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.11