本发明涉及偏振遥感技术领域，具体来说，涉及一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法。
背景技术：
偏振遥感是传统光强遥感的进一步发展。对于经过大气和地表反射后的大气层顶太阳反射光，一般为部分偏振光，需要三个物理量才能更好的描述，一种是使用光强总能量、线偏振度和线偏振方向(i，τ，x)描述，另一种是使用斯托克斯量(i、q、u)描述。太阳光是自然的无偏光，经过地球表面的反射散射吸收等作用后，成为部分偏振光。偏振特性的改变与作用物质特性密切相关，因此利用部分偏振光可以得到光学路径上物质信息，达到遥感的目的。
偏振遥感的瓶颈是偏振遥感数据的匮乏。传统的太阳反射波段的卫星遥感仅仅利用部分偏振光的光强总能量，反演地物信息，比如反演气溶胶光学厚度，二氧化碳柱总量，海洋水色等等。其他偏振信息，如线偏振度和偏振方向等未被有效利用，而高精度偏振遥感数据的匮乏是导致这一状况的重要原因。随着偏振成像仪器的入轨工作，大量的遥感数据可以应用于偏振遥感的研究。
中国的二氧化碳全球监测科学实验卫星的云与气溶胶偏振成像仪，其采用多镜头 滤光片偏振片 线阵推扫的技术路线。如何根据偏振成像仪的遥感数据计算出部分偏振光的偏振信息成为亟待解决的技术问题。
高精度的大气层顶偏振信息计算是偏振遥感数据定量化应用的前提。辐射定标解决遥感器的观测计数值转换为反射率、辐亮度等物理量。传统辐射定标即解决部分偏振光的光强总能量与遥感器输出计数值的转换问题，利用标量公式即可完成。对于全部偏振信息的观测，往往需要对3个偏振通道数据协同处理，需要利用矢量公式，比传统标量定标复杂。
目前，星载偏振遥感器以法国的polder为典型，其采用面阵ccd配合滤光片偏振片轮的技术路线。polder数据处理过程中像元组合方式为同面阵相异探元、暗电流获取方式为挡板暗场获取、以探元组合条件计算偏振参数和对地观测偏振信息计算。
capi采用分通道线阵推扫式成像，通过滤光片和偏振片，实现不同探测器阵列获取对地观测信息。偏振信息通过三个独立的探测器线阵获取，暗电流计数值通过暗电流观测模式获取，偏振参数与偏振通道像元编号相关，因此，polder的偏振信息计算方案不能解决capi的偏振信息计算问题。
技术实现要素：
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，包括如下步骤：
s1：构建静态参数集，用于将遥感器对地观测数据转换为偏振信息的辅助计算；
s2：准备遥感器观测数据；
s3：在对地观测数据中减去静态参数中的暗电流计数值，得到对地观测有效计数值；
s4：依据静态参数中的坏像元编号及订正系数，订正坏像元计数值；
s5：基于静态参数中线阵像元辐射响应均匀性订正系数，订正经过s3和s4处理后的计数值，消除遥感图像的原始观测条纹；
s6：线阵推扫式偏振遥感器通过偏振片获取相同波段上偏振方向为0°、60°、120°三个偏振通道能量，计算卫星遥感偏振信息，即通道斯托克斯量；利用静态参数中的通道配准参数，处理各个偏振通道线阵的数据，得到偏振通道的观测数据，使不同偏振通道相同编号的像元对应于相同的观测目标；
s7：联合s6中的三个偏振通道，构建三元方程组，通过通道辐射定标系数和偏振响应参数，得到偏振波段逐像元的穆勒矩阵，再求得用于对地观测计数值转换成地表目标偏振信息的穆勒逆矩阵；
s8：经过s3、s4、s5、s6处理后，组合偏振波段对地观测数据，以s7中的穆勒逆矩阵为参数，计算对地观测目标的偏振信息。
进一步的，步骤s1中，静态参数集包括，各个通道逐像元的暗电流计数值dc；各个通道的坏像元编号ibad；各个通道的坏像元订正系数fb；各个通道逐像元的均匀性订正系数fu；通道配准参数ishift；3个偏振通道的偏振响应参数p1、p2和p3；各通道全部工况的绝对辐射定标系数集a。
进一步的，步骤s2中，遥感器观测数据接收在轨遥感器同波段3个偏振探测通道的原始对地观测数据dn以及反映遥感器在轨工作环境和自身工作状态的监测数据两类数据。
进一步的，步骤s3中，计算对地观测有效计数值的公式为：
其中，dn*为对地观测有效计数值，band为通道编号，pixels为像元编号。
进一步的，步骤s4中，对于单像元输出线阵，采用相邻有效像元线性插值结果，替代坏像元的原始输出值；对于多像元合并输出线阵，依据合并像元中坏像元个数，按比例放大原始输出值，计算式如下：
其中，dn′i为订正坏像元后的计数值，ibad为坏像元编号，fb为坏像元订正系数。
进一步的，步骤s5中，对处理后的计数值进行均匀性订正的计算公式为：
dn″i＝dn′i·fuii∈{pixels}，
其中，fu为均匀性订正系数，dn″i为辐射响应均匀性订正后的计数值。
进一步的，步骤s6中，卫星遥感偏振信息包括光强总能量、偏振度和偏振方向三种信息，用斯托克斯量i、q、u等效表示光强总能量、偏振度和偏振方向。
进一步的，步骤s6中，偏振通道的观测数据的计算公式为：
则组合偏振波段偏振通道的观测数据为：
进一步的，步骤s7中，偏振通道光学系统对部分偏振光的辐射响应为：
其中，i(α)为到达探测器探元的能量，α为偏振通道的起偏角度；
探测器对能量的响应为：
联合3个偏振通道组成方程组：
其中，m为穆勒矩阵，具体为：
则穆勒逆矩阵为：
进一步的，步骤s8中，对地观测目标的偏振信息的计算公式为：
则线偏振度p表达式为：
本发明的有益效果：本发明针对线阵推扫式偏振遥感器的偏振信息计算问题，提供了一套适用于卫星数据地面应用系统业务运行系统的计算方法，该方法稳定可靠，结果数据的应用效果良好，实现了我国偏振遥感器对地观测数据偏振信息的计算，完成了标量定标算法向矢量定标算法的改进，所生产的偏振信息数据，为后续的研究和应用提供了数据资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的计算流程图；
图2是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的原始观测计数值分布图；
图3是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的暗电流计数值分布图；
图4是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的订正暗电流后的计数值分布图；
图5是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的坏像元订正因子分布图；
图6是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的坏像元订正后的计数值分布图；
图7是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的辐射响应均匀性订正系数分布图；
图8是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的辐射响应均匀性订正后的计数值分布图；
图9是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的偏振通道像元配准后的计数值分布图；
图10是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的斯托克斯反射率分布图；
图11是根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法的线偏振度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，包括如下步骤：
s1：构建静态参数集，用于将遥感器对地观测数据转换为偏振信息的辅助计算；
s2：准备遥感器观测数据；
s3：在对地观测数据中减去静态参数中的暗电流计数值，得到对地观测有效计数值；
s4：依据静态参数中的坏像元编号及订正系数，订正坏像元计数值；
s5：基于静态参数中线阵像元辐射响应均匀性订正系数，订正经过s3和s4处理后的计数值，消除遥感图像的原始观测条纹；
s6：线阵推扫式偏振遥感器通过偏振片获取相同波段上偏振方向为0°、60°、120°三个偏振通道能量，计算卫星遥感偏振信息，即通道斯托克斯量；利用静态参数中的通道配准参数，处理各个偏振通道线阵的数据，得到偏振通道的观测数据，使不同偏振通道相同编号的像元对应于相同的观测目标；
s7：联合s6中的三个偏振通道，构建三元方程组，通过通道辐射定标系数和偏振响应参数，得到偏振波段逐像元的穆勒矩阵，再求得用于对地观测计数值转换成地表目标偏振信息的穆勒逆矩阵；
s8：经过s3、s4、s5、s6处理后，组合偏振波段对地观测数据，以s7中的穆勒逆矩阵为参数，计算对地观测目标的偏振信息。
在一具体实施例中，以
tan1_capix_1b_sci_tg_ge01k_orbt_01842201704270636_nul_170113.hdf为实施样例，基于该样例中1640nm波段的通道7、通道8和通道9三个偏振通道的第1000行原始观测计数值计算偏振信息，斯托克斯反射率以及线偏振度。
如表1所示，优选的，使用云与气溶胶偏振成像仪(cloudandaerosolpolarizationimager，capi)作为线阵推扫式偏振成像仪器，获取紫外到近红外波段的太阳反射能量，在670nm和1640nm波段设置了偏振探测通道，实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能；在380nm、870nm和1375nm等波段设置非偏振通道；capi幅宽为375km，可以得到250m和1000m的两种空间分辨率对地观测数据。
表1通道技术指标
在一具体实施例中，步骤s1中，静态参数描述线阵推扫式偏振探测器的性能属性，用于将遥感器对地观测数据转换为偏振信息的辅助计算。
优选的，静态参数集包括，各个通道逐像元的暗电流计数值dc；各个通道的坏像元编号ibad；各个通道的坏像元订正系数fb；各个通道逐像元的均匀性订正系数fu；通道配准参数ishift；670nm波段各偏振通道的偏振响应参数p1、p2和p3；各通道全部工况的绝对辐射定标系数集a。
如图2所示，在一具体实施例中，步骤s2中，遥感器观测数据接收在轨遥感器同波段3个偏振探测通道的原始对地观测数据dn以及反映遥感器在轨工作环境和自身工作状态的监测数据两类数据。
优选的，自身工作状态的监测数据包括对地观测积分时间等。
在一具体实施例中，步骤s3中，获取暗电流计数值，如图3所示，在原始对地观测数据dn中去除暗电流计数值后，计算对地观测有效计数值，公式为：
优选的，取capi的1640nm波段3个通道内的全部像元计数值作为原始对地观测数据dn。
优选的，暗电流计数值是遥感器在入射光能量为零的情况下的输出值，反映了遥感器本底输出，不包括对地观测信息。
在一具体实施例中，步骤s4中，对于单像元输出线阵，采用相邻有效像元线性插值结果，替代坏像元的原始输出值；对于多像元合并输出线阵，依据合并像元中坏像元个数，按比例放大原始输出值，计算式如下：
其中，dn′i为订正坏像元后的计数值，如图6所示，ibad为坏像元编号，fb为坏像元订正系数，如图5所示。
优选的，坏像元是长线阵探测器中不能对入射能量正常响应的像元，坏像元表现为输出值明显小于正常像元输出值的情况，在遥感图像中表现为列方向的黑线或暗线，对于1640nm波段，其采用4元合并输出的工作模式，利用订正系数法订正坏像元。
在一具体实施例中，步骤s5中，对处理后的计数值进行均匀性订正的计算公式为：
dn″i＝dn′i·fuii∈{pixels}，
其中，fu为均匀性订正系数，如图7所示，dn″i为辐射响应均匀性订正后的计数值，如图8所示。
优选的，均匀性订正系数fu是针对探测器线阵的辐射响应响应不均匀性，以参考探元的辐射响应性能为基准，描述线阵上其他探元的辐射响应相对于参考探元的相对比例关系。
在一具体实施例中，步骤s6中，卫星遥感偏振信息包括光强总能量、偏振度和偏振方向三种信息，用斯托克斯量i、q、u等效表示光强总能量、偏振度和偏振方向，如图10所示。
优选的，保证三个偏振通道的数据对应为相同的观测目标是计算偏振信息的前提。
在一具体实施例中，步骤s6中，偏振通道的观测数据的计算公式为：
则组合偏振波段偏振通道的观测数据为：
在一具体实施例中，步骤s7中，偏振通道光学系统对部分偏振光的辐射响应为：
i(α)i＝[p1α·ii p2α·qi p3α·ui]i∈{pixels}，α∈[0，60，120]，
其中，i(α)为到达探测器探元的能量，α为偏振通道的起偏角度；
探测器对能量的响应为：
辐射定标参数和偏振响应参数根据对地观测时通道的积分时间，提取静态参数中该积分时间对应的辐射定标系数，联合3个偏振通道组成方程组：
其中，m为穆勒矩阵，具体为：
则穆勒逆矩阵为：
优选的，i(α)是根据部分偏振光进入偏振遥感器的物理原理，iqu与光学系统作用后，到达探测器探元的能量。
在一具体实施例中，步骤s8中，对地观测目标的偏振信息的计算公式为：
则线偏振度表达式为：
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，首先构建静态参数集，用于将遥感器对地观测数据转换为偏振信息的辅助计算。然后准备遥感器观测数据，遥感器观测数据接收两类数据，一是在轨遥感器同波段3个偏振探测通道的对地观测数据，二是反映遥感器在轨工作环境和自身工作状态的监测数据，如对地观测积分时间等。准备好遥感器观测数据后，在对地观测数据中减去静态参数中的暗电流计数值，得到对地观测有效计数值；由于暗电流计数值是遥感器在入射光能量为零的情况下的输出值，反映了遥感器本底输出，而对地观测数据中包含了暗电流计数值，这部分数值并没有对地观测信息，因此予以移除。然后依据静态参数中的坏像元编号及订正系数，订正坏像元计数值，由于坏像元是长线阵探测器中不能对入射能量正常响应的像元，因此需要订正坏像元计数值；分两种情况，一是对于单像元输出线阵，采用相邻有效像元线性插值结果，替代坏像元的原始输出值；二是对于多像元合并输出线阵，依据合并像元中坏像元个数，按比例放大原始输出值。然后对去除暗电流计数值和订正坏像元计数值后的像元计数值进行均匀性订正；由于探测器线阵的探元对相同能量入射光输出的计数值存在差异，导致对均匀目标的观测出现条纹现象，而通过基于静态参数中线阵像元辐射响应均匀性订正系数对线阵计数值进行均匀性订正，可以消除这种图像条纹现象。然后通过线阵推扫式偏振遥感器通过偏振片获取相同波段上偏振方向为0°、60°、120°三个偏振通道能量，计算卫星遥感偏振信息，利用静态参数中的通道配准参数，处理各个偏振通道线阵的数据，得到偏振通道的观测数据，使不同偏振通道相同编号的像元对应于相同的观测目标；而这其中，保证三个偏振通道的数据对应为相同的观测目标是计算偏振信息的前提。然后进行穆勒矩阵计算；根据部分偏振光进入偏振遥感器的物理过程，斯托克斯量(i、q、u)与偏振通道光学系统作用后，经过探测器的辐射响应将能量转换为计数值，可以构建一个物理方程，再联合三个偏振通道，可以构建三元方程组，在方程组中，需要通道辐射定标系数和偏振响应参数，组成穆勒矩阵；辐射定标参数和偏振响应参数根据对地观测时遥感器的积分时间，提取静态参数集中对应的数值，由于穆勒矩阵是入射光iqu分量与偏振波段通道输出计数值换算的中间桥梁，可以此为基础求得用于观测计数值转换成地表目标偏振信息的穆勒逆矩阵。最后进行偏振信息的矢量计算；组合偏振波段对地观测数据，以上一步中的穆勒逆矩阵为参数，计算对地观测目标的偏振信息，即完成偏振波段偏振通道输出计数值转换为斯托克斯量的计算，也即得到星载推扫式偏振成像仪的偏振信息。
综上所述，本发明使用capi作为线阵推扫式偏振成像仪器，获取紫外到近红外波段的太阳反射能量，在670nm和1640nm波段设置了偏振探测通道，实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能，且在380nm、870nm和1375nm等波段设置非偏振通道，提供了一套适用于卫星数据地面应用系统业务运行系统的计算方法，应用于云与气溶胶偏振成像仪遥感数据的地面业务处理。目前已经业务化运行，全自动的计算capi的对地观测数据，且该方法稳定可靠，结果数据进一步的应用云检测产品和全球气溶胶反演产品，效果良好。本发明实现了我国偏振遥感器对地观测数据偏振信息的计算，完成了标量定标算法向矢量定标算法的改进，所生产的偏振信息数据，为后续的研究和应用提供了数据资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：构建静态参数集，用于将遥感器对地观测数据转换为偏振信息的辅助计算；
s2：准备遥感器观测数据；
s3：在对地观测数据中减去静态参数中的暗电流计数值，得到对地观测有效计数值；
s4：依据静态参数中的坏像元编号及订正系数，订正坏像元计数值；
s5：基于静态参数中线阵像元辐射响应均匀性订正系数，订正经过s3和s4处理后的计数值，消除遥感图像的原始观测条纹；
s6：线阵推扫式偏振遥感器通过偏振片获取相同波段上偏振方向为0°、60°、120°三个偏振通道能量，计算卫星遥感偏振信息，即通道斯托克斯量；利用静态参数中的通道配准参数，处理各个偏振通道线阵的数据，得到偏振通道的观测数据，使不同偏振通道相同编号的像元对应于相同的观测目标；
s7：联合s6中的三个偏振通道，构建三元方程组，通过通道辐射定标系数和偏振响应参数，得到偏振波段逐像元的穆勒矩阵，再求得用于对地观测计数值转换成地表目标偏振信息的穆勒逆矩阵；
s8：经过s3、s4、s5、s6处理后，组合偏振波段对地观测数据，以s7中的穆勒逆矩阵为参数，计算对地观测目标的偏振信息。
2.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s1中，静态参数集包括，各个通道逐像元的暗电流计数值dc；各个通道的坏像元编号ibad；各个通道的坏像元订正系数fb；各个通道逐像元的均匀性订正系数fu；通道配准参数ishift；670nm波段各偏振通道的偏振响应参数p1、p2和p3；各通道全部工况的绝对辐射定标系数集a。
3.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s2中，遥感器观测数据接收在轨遥感器同波段3个偏振探测通道的原始对地观测数据dn以及反映遥感器在轨工作环境和自身工作状态的监测数据两类数据。
4.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s3中，计算对地观测有效计数值的公式为：
其中，dn*为对地观测有效计数值，band为通道编号，pixels为像元编号。
5.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s4中，对于单像元输出线阵，采用相邻有效像元线性插值结果，替代坏像元的原始输出值；对于多像元合并输出线阵，依据合并像元中坏像元个数，按比例放大原始输出值，计算式如下：
其中，dn′i为订正坏像元后的计数值，ibad为坏像元编号，fb为坏像元订正系数。
6.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s5中，对处理后的计数值进行均匀性订正的计算公式为：
dn″i＝dn′i·fuii∈{pixels}，
其中，fu为均匀性订正系数，dn″i为辐射响应均匀性订正后的计数值。
7.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s6中，卫星遥感偏振信息包括光强总能量、偏振度和偏振方向三种信息，用斯托克斯量i、q、u等效表示光强总能量、偏振度和偏振方向。
8.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s6中，偏振通道的观测数据的计算公式为：
则组合偏振波段偏振通道的观测数据为：
9.根据权利要求1任一所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s7中，偏振通道光学系统对部分偏振光的辐射响应为：
其中，i(α)为到达探测器探元的能量，α为偏振通道的起偏角度；
探测器对能量的响应为：
联合3个偏振通道组成方程组：
其中，m为穆勒矩阵，具体为：
则穆勒逆矩阵为：
10.根据权利要求1所述的一种星载推扫式偏振成像仪的偏振信息计算方法，其特征在于，步骤s8中，对地观测目标的偏振信息的计算公式为：
则线偏振度p表达式为：
