空间目标的光学偏振特性研究

第37卷第7期 光电工程V ol.37, No.7 2010年7月Opto-Electronic Engineering July, 2010 文章编号：1003-501X(2010)07-0024-06

空间目标的光学偏振特性研究

李雅男，孙晓兵，乔延利，洪津，张荞

( 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室；安徽光学精密机械研究所，合肥 230031 ) 摘要：偏振特性是光与物质相互作用所表现的重要特性之一，与物质的性质密切相关。空间目标偏振特性可能会因为特定空间目标组成材料和空间目标轨道不同而存在差异，因此为空间目标的探测和识别提供了科学依据。本文通过空间目标材料以及典型空间目标模型的多角度偏振成像特性试验测量，分析了空间目标偏振特性及其变化机理。结果表明，空间目标表面材料的偏振特性对于目标的识别具有很重要的作用，太阳能电池板的姿态对卫星的偏振特性影响尤为明显。本文研究可以为空间目标光学偏振探测与识别提供应用基础研究支持。

关键词：物理光学；目标探测；偏振特性；空间目标

中图分类号：O436.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.07.005 Photopolarimetric Characteristic of Space Target

LI Ya-nan，SUN Xiao-bing，QIAO Yan-li，HONG Jin，ZHANG Qiao

( Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of

Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China ) Abstract：Polarization is one of the important optical characteristics of target. Certain materials used in constructing satellites possess unique polarization because of certain space target designs and different orbits. Thus polarization can be considered for target detection and recognition. Photopolarimetric characteristic of space target materials and model are measured and analyzed. Results show that the polarization properties of material are significant for target detection, and the attitude of solar panel has great effect on the polarization of satellite. This research can give support to the application for space target detection and recognition.

Key words：physical optics; target detection; polarization; space target

0 引 言

地基光学探测系统对深空目标的探测有重要的作用，为了达到探测和识别目标的目的目前已经发展了若干种探测手段[1]，例如，Sanchez等根据高轨碎片的光度特性来判断目标的生存状态以及特征[2]，通过同时性的多色测光来判断不同卫星平台[3]。Jorgensen等人表明由于不同材料的空间目标具有不同的光谱反射率，因此采用低色散光谱观测对于目标的识别有重要的作用[4]。而目标的偏振特性由于反映了材料的本征特性也在空间目标的探测中也得到了应用，Stead在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站，在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测，测量到一个卫星的偏振度最大达39％[5]。Kissel研究表明空间目标反射太阳光的偏振程度是很高的，并将偏振结果看成由漫反射和镜反射混合而产生的，按照这种假设理论计算与观测结果符合的比较好，他认为这足以证明偏振特性可以作为研究空间目标材料在太空中所受的影响[6]，Beavers等人通过不同形状的卫星的光学偏振观测，表明偏振观测可以作为测试在轨目标状态、判断目标材料、探测目标在深空中暴露对其光学特性影响的一种手段，并将铝质材料和太阳能板表面的卫

收稿日期：2010-01-11；收到修改稿日期：2010-05-11

基金项目：国家863计划资助课题(2002AA731041)；安徽省红外与低温等离子体重点实验室基金项目资助课题(2007C003018F)

作者简介：李雅男(1984-)，女(汉族)，江西九江人。博士生，主要从事遥感信息定量化的研究。E-mail：yananli@https://www.360docs.net/doc/1711874474.html,。

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星偏振特性与理论计算结果相比较，结果表明卫星在太空中材料确实发生了变化[7]，Sanchez 的文章表明目标的偏振特性与光辐射特性的特征明显不同，在午夜光度信号强的时候约为10％，而到黎明光度特性弱的时候甚至能达到40％，即使有卷云存在的情况下也能探测到[8]。因此空间目标的偏振特性在目标光学探测中能发挥其独特的作用。对于空间目标来说，照明光源是太阳，太阳光是非偏的，而空间目标散射光的偏振分析则表明空间目标的散射光是偏振的[9-10]。空间目标表面材料的散射光偏振特性与目标组成材料和不同材料表面的入射角有关，由于目标与观测者以及光源的相对位置(由目标的轨道和组成部分姿态所引起)的改变，探测到的散射光偏振状态会相应的改变。这些信号可能会由于特定目标的构成而不同，因此可以作为目标识别的特征。但目前对空间目标材料的偏振测量工作却未见报道，且空间目标的形状也不像1970年以前普遍为球形或柱形，更多的是盒装带太阳能电池板的结构，文中给出空间目标几种常见材料的多角度偏振成像特性，最后结合具体的目标模型在实验室测量了其偏振特性的变化，结果表明，空间目标散射的偏振量可以用来提高空间目标的识别能力。

1 理论依据

介质材料的线偏振可表示为

p

s p s R R R R P +?=

(1)

R s 是平行于入射表面的反射光，R p 是垂直于入射表面的反射光，如果是不规则表面，则可看成是许多微面元的反射总和，微面元的反射系数由微面元的局部入射角和菲涅耳系数决定。当表面是涂层或者是多层介质，例如太阳能板，则反射的能量则由以下复杂的反射公式决定[11]

)

2exp(1)2exp()1()1()1()1(i i i r r i r r r R i i i R i i i iR δδ?+?+=

+?+? (2)

其中：i i r )1(?表示第i 层和第i -1层的反射系数，R i r )1(+表示第i +1层和第R 层的反射系数，i δ表示的是由于 介质层带来的相位差。

图1是Beavers [8]给出的两种不同形状的卫星的偏振度曲线，并将其与理论拟合结果相比较。其中，

LCS-1是球形卫星，表面材料为抛光的铝，复折射率为i 23.598.0?+=n

，在空间中暴露后根据实测结果拟合获得i 25.52.3?+=n

，COMSTAR D4是柱形卫星，表面覆盖着太阳能板。

由于卫星结构简单，Beavers 的理论计算中的反射系数用的是菲涅耳反射系数，目前的卫星普遍为盒状结构，由于结构的复杂性，理论性分析也变得困难。本文从实验仿真的角度来给出各种常见卫星材料的偏振特性。

2 实验材料与实验方法

2.1 实验材料与装置

实验样品选取空间目标常用的组成材料铝板，太阳能电池板，银色镀铝聚酯薄膜，黄色镀铝聚酯薄膜。实验样品如图2。实验模拟光源由三角架、卤钨灯泡、光源箱、散热风扇、直流稳流稳压电源等组成。实验光源可以三维调整。偏振成像测量装置采用的是安徽光机所自行研制的地面可调波段偏振CCD 相机[12]，偏振探测波段中心波长665 nm ，带宽50 nm 。

光电工程 2010年7月

262.2 实验测量方法

偏振探测公式如下[12]：

)2sin 2cos (2

1

)(αααU Q I I ++=

(3) 式中：)(αI 为仪器测量值，它表示在xoy 平面内偏振片透过轴与X 轴夹角为α的方向上进行观测所得到的

光强；I 表示总的光强值；Q 表示水平和垂直线偏振分量之差；U 表示45°和135°线偏振分量之差。

在偏振测量时，采用分时的方式获取空间目标实验样品的三个偏振方向(0°，60°和120°)上的强度值。由式(3)就可以求出来自目标光波的Stokes 参数，进而求出偏振度，偏振角等参数，对应的线偏振度P 为

I

U Q P 2

2+= (10≤≤P ) (4)

3 实验结果与数据分析

3.1 空间目标材料偏振特性

图3(a)～3(d)给出了黄色镀铝聚酯薄膜，银色镀铝聚酯薄膜，太阳能电池板，铝板的偏振度特性随入射角和观测角变化曲面图。其中x 轴为天顶角，y 轴为观测角，z 轴表示材料的偏振度。在实际应用过程中，可根据观测情况选择合适的条件，例如相同观测角时，入射角变化，或者相位角(光源－目标－探测器夹角)变化将数据进行组合比较。

由于太阳能电池板的偏振特性显著，图4给出了两个封装不同的太阳能电池板的偏振特性随入射角的变化曲线，一个表面是采用聚酯玻璃封装，另一个表面则是采用钢化玻璃封装。两种不同材料封装的太阳能电池板都有明显的镜反射特性，变化趋势相似，但是聚酯玻璃封装的太阳能电池板要较钢化玻璃封装的太阳能电池板的偏振度小，这个差别是由于组成材料不同引起的。由于太阳能电池板的表面非常光滑，其偏振特性可根据式(1)计算菲涅耳反射系数获得。 3.2 空间目标缩比模型偏振特性

了解了空间目标材料偏振成像数据后。接着进一步探讨空间目标缩比模型的偏振特性。实验中测量的空间目标缩比模型有三个，一个是仿照东方红三号卫星，尺寸大小为卫星模拟样品主体尺寸为21 cm×24

cm×24 cm ，太阳能电池板尺寸120 cm×40 cm ，主体为铝块外面包覆着黄色镀铝聚酯薄膜，太阳能电池板粘贴在薄铝片上，一共有两块，并用螺钉紧固在卫星主体的两侧，太阳能电池板可以绕着本体转动。第二个是包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体目标，直径5 cm ，高5 cm ，第三个则是模拟体装式卫星，表面完全被太阳能电池板覆盖，实物图如图5。

实验过程中，探测器与空间目标本体的方向保持不变，采用垂直测量，对于带两个太阳能电池板的卫星模型，光源变化模拟一个晚上太阳相对于空间目标的入射角变化，光源照射在本体上的天顶角变化为从

80°向0°递减，然后再由0°向80°递增(在图中标为(-80°～0°～80°))，并使太阳能电池板随入射光源的方向转动，使入射光始终垂直照射在太阳能电池板上。而两个柱状目标则是使相位角(光源-目标-探测器的夹角)

(a) Yellow Al plating polyester (b) Sliver Al plating polyester (c) Solar panel (d) Aluminium sheet

图2 实验用的空间目标样品

Fig.2 Space target material

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的变化从0°～170°，偏振测量结果如图6。

图6(a)是带有两个太阳能电池板的卫星模型在490 nm ，555 nm ，665 nm 波段的偏振特性曲线，可以看出当入射方向和观测方向的相位到70°～80°的时候，偏振度达到13％以上，甚至能达到20％，而在其他相位角条件下，偏振度很小，偏振度在2％～7％之间，图6(b)给出了卫星模型、太阳能电池板、本体三者的偏振特性曲线，可以看出由于卫星本体的偏振度很小，约为5％，又由于卫星本体的面积在整个目标面积中所占的比例小，所以卫星模型的偏振特性主要反映了太阳能电池板的偏振特性。

图6(c)是包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体的偏振特性，可以看出目标整体偏振度很小，大约在4％左右，偏振度随相位角的增大有下降趋势，图6(d)将包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体的偏振特性与黄色镀铝聚酯薄膜平面的偏振特性曲线绘制在一个图中加以比较，可以看出柱体的偏振特性与平面的偏振特性变化趋势相

D e g r e

e

o f p o l a r i z a t i o n

D e g r e e o f p o l a r i z a t i o n

图5 空间目标缩比模型

Fig.5 Space target model

Solar zenith angle/degrees

D e g r e e o f p o l a r i z a t i o n

Solar plane with plexiglass

图4 两种不同的太阳能电池板偏振随入射角

的变化特性曲线, λ＝665 nm

Fig.4 Poarization of two kinds of solar panel

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28同，但包有黄色薄膜的柱状目标的偏振度小于薄膜平面的偏振度，这主要是由于柱状目标表面的曲面性，探测器接收到的光包括镜面反射和漫反射两部分，另外又由于在曲面上各部分反射光的偏振相位角不同，所以会起到一个消偏的作用。

图6(e)所示目标是贴有太阳能电池板的多面体，两个面间的夹角约为60°，所以在相位角为120°附近的时候偏振度最大值98％，这是由于太阳能电池板的镜反射偏振度很大的原因。图6(f)是柱体目标的偏振特性与太阳能板的偏振特性比较，可以看出变化趋势相似，因此当这个多面体的面越多，逐渐趋近于圆柱体的时候，其偏振特性也越接近于太阳能电池板的偏振特性。

从以上的结果可以看出，虽然黄色薄膜的表面与太阳能电池板都是光滑表面，但它们的偏振特性截然不同。这是由于黄色薄膜是柔性的，表面不平整，它整个平面的偏振特性是许多微面元偏振特性叠加的结果，由于各个微面元的偏振相位角不同，因此整体上会消偏。而太阳能电池板的表面偏振特性则很显著，可以用式(1)的理论结果来描述，因此偏振特性对于探测空间碎片尤其是太阳能电池板的姿态以及生存状态有重要的作用。

4 结 论

综上所述，测量了空间目标材料的多角度偏振成像特性，并测量了空间目标缩比模型的偏振特性，结果表明空间目标材料的偏振特性由入射角，观测角以及材料本身的性质决定。

空间目标缩比模型的偏振特性由空间目标材料的偏振特性决定，表面材料单一的柱形目标在某个相位角时的偏振特性主要由该材料在相同相位角时的镜面反射的偏振特性决定。

对于带两片太阳能板的卫星缩比模型，由于黄色镀铝聚酯薄膜的偏振度很小，而太阳能电池板的偏振特性显著，卫星缩比模型的偏振特性主要由太阳能板的偏振特性决定。

由于空间目标偏振特性反映了目标组成材料的特性，因此对于探测空间目标材料以及目标的姿态有重要的作用。太阳能电池板的偏振特性显著，可以用菲涅耳定律推导的偏振公式来描述，因此偏振特性在探

Phase angle/° D e g r e e o f p o l a r i z a t i o n

0 -40

-80

40

80

Phase angle/° 4020

60

80

Phase angle/°

80

40

120160

D e g r e e o f p o l a r i z a t i o n

0.0450.0350.025

0.055D e g r e e o f p o l a r i z a t i o n

Phase angle/°

Phase angle/°

Phase angle/°

40 0

80 120160

图6 空间目标缩比模型的偏振特性

Fig.6 Polarization of space target model

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

第37卷第7期李雅男等：空间目标的光学偏振特性研究29测太阳能电池板的物理特性极其姿态有重要的作用。

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