基于光源相对光谱功率分布的颜色真值获取方法

嫦娥三号全景相机具有彩色成像模式,在发射前需先进行彩色定标,样本真值的获取是彩色定标的前提。传统方法获取的颜色真值在色差值和视觉感知上都与实际值存在明显的偏差。若直接采用该颜色值作为真值进行彩色定标,影响定标后的色差大小和定标校正后颜色的人眼视觉感知效果。为探索更好的颜色真值获取方法,利用实验室内测得的D65定标光源的相对光谱功率分布,重新定义了转换矩阵中的白点坐标,然后基于CIE颜色计算公式,根据格拉斯曼颜色混合定律,对XYZ与sRGB颜色空间之间的转换矩阵进行了修正,提高了样本真值获取的准确度。另外利用修正后的转换矩阵对sRGB空间的三刺激值曲线进行了重新计算,对标准转换值偏离实际值的原因进行了分析。通过地面试验验证,相对于传统样本真值获取方法,利用该真值获取方法定标后A,B两相机的色差值分别降低了0.8和0.73;定标矩阵校正在轨图像时,色差分别降低了26.50%和34.47%,且校正后的颜色与人眼的视觉感知效果更接近。     

敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标

为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度,针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标,开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响,将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测,气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%,表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.     

紫外波段高光谱太阳参考光谱时变模型研究

太阳参考光谱是星上辐射定标和波长定标的基准。太阳活动周期内,太阳辐照度光谱幅值存在周期性波动,紫外波段光谱幅值变化达10%以上,相对于3%的星上绝对定标需求,太阳的时变特性不可忽略。针对不同分辨率和采样率的太阳参考光谱,首先研究了插值间隔和卷积间隔对计算MgII参数的数值影响,通过分析比较后选择合适的插值、卷积间隔,并基于Climate和SORCE的MgII参数时间序列完成太阳周期性变化建模。然后选择2003年8月21日至2012年4月15日期间80组数据,每组包含2个不同日期的不同波长的辐照度光谱幅值和MgII值,针对该80组数据使用一阶拟合取代比值方法计算得到转换因子,将不同日期的太阳参考光谱幅值修正到同一日期并与实际观测真值比较;结果表明了一阶拟合与比值方法相比有着更高的反演精度及预测精度。最后,基于一阶拟合转换因子和MgII参数时间序列对现有光谱进行时间和格式归一化,通过分波段筛除偏离较大光谱数据的方法构建了2008年6月25日,分辨率为1 nm、采样率为0.1 nm的太阳参考光谱。原有的12条光谱经过筛除后,留下全波段均位于中位的光谱6条,所构建的光谱同筛选出的6条光谱平均值相比,绝对误差在0.982%以内。所构建的光谱可以通过MgII参数时间序列和转换因子计算得到任意日期下的光谱。针对该参考光谱利用KNMI高光谱进行分辨率和采样率提升,最终基于我国计划发射的风云三号紫外高光谱臭氧探测仪(OMS)在轨观测和星上定标需求,构建得到了波长范围250～500 nm,分辨率0.1 nm,采样率0.01 nm的太阳参考光谱。     

非均匀扩展光源辐射定标特性分析

积分球和漫反射板是定标常用的扩展光源,其非均匀性在不同条件下会对定标产生不同的影响。该文根据辐射传输理论和定标原理,建立数学模型,以均匀性比较差的灯-板定标系统为例,计算CCD不同像元上的辐照度和定标系数,并以理想情况和非理想情况下定标系数矩阵的相关性作为评价函数,分析非均匀性对定标的影响。结果表明,由于扩展光源的非均匀性,观测角度和光轴与漫反射板交点的位置对定标系数的影响比较大,而观测距离的影响比较小;在不同观测角度下,可以找到一个偏离值使得定标结果最接近理想结果。因此用灯-板定标系统标定成像光谱仪时根据观测角度选择合适的偏离值,可以减小定标误差。     

交叉定标中的不确定度分析及定标系数计算改进

一般交叉定标方法是利用普通最小二乘法的回归方式对时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对来计算定标系数,该方法忽略了各数据点对的质量差异,降低了定标系数的有效性。针对此问题,本文提出了基于不确定度计算的定标改进方法,利用不确定度分析方法计算数据点对中各辐射基准值的不确定度并给出权重系数,采用加权最小二乘法回归定标系数。选取与在研的基准载荷参数最为接近的HYPERION作为辐射基准替代载荷,分别利用普通最小二乘法和加权最小二乘法对MODIS CH1～7进行了定标,采用MODIS官方定标系数作为真值对定标结果进行验证。结果表明,采用加权最小二乘法对MODIS的1、2、4、5、6、7通道回归的定标系数更接近真值,定标结果的最大相对误差与传统方法相比降低了3%～5%,平均相对误差降低了0.5%～1.5%,说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标精度。     

基于敦煌场地定标的FY-3 MERSI反射太阳波段在轨响应变化分析

鉴于中分辨率光谱成像仪不能实现反射太阳波段的星上绝对辐射定标,提出了基于地表方向模型、矢量辐射传输模型6SV并联合MODTRAN吸收透过率校正的敦煌场替代定标新方法,4年的同步定标结果表明,除了水汽吸收中心波段之外,定标不确定度小于5%,而多数波段优于3%。以Aqua MODIS为辐射基准的大气顶辐射计算试验表明,正演与卫星观测间的平均偏差在波长<1 μm的窗区波段小于3%,波长>1 μm的小于5%(除了2.1 μm波段);此外,经场地定标的MERSI 表观反射率与MODIS具有很好的一致性。基于多年的场地定标结果发现：可采用二次多项式拟合定标系数的时间变化,进而实现逐天的定标更新;波长<0.6 μm的波段衰变较大,波段8(0.41 μm)入轨第一年的衰变率约为14%;在轨初期衰变最大,一年后趋缓,两年后部分波长>0.6 μm的波段出现响应增加现象。     

Hyperion高光谱遥感器的在轨自动化定标

利用布设在敦煌辐射校正场的自动化观测设备,对Hyperion高光谱遥感器开展定标试验;详细描述自动化定标的原理和方法,明确定标流程;针对高光谱遥感器的特点建立参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配的问题;在2016年10月至2017年4月期间,对Hyperion高光谱遥感器共完成4次有效的自动化定标试验,并将试验结果与Hyperion高光谱遥感器观测的表观辐亮度进行比对验证。结果表明:在420～1044nm光谱范围内,场地自动化定标得到的表观辐亮度与卫星观测的表观辐亮度的相对偏差小于5%,标准方差小于2.3%;场地自动化定标结果与高光谱星上观测结果具有较高的一致性和稳定性。所提方法可以应用于高光谱遥感器的高频次在轨辐射定标。     

单色仪定标曲线的非线性拟合简

采用两种方案对WDF棱镜单色仪的定标曲线进行非线性拟合。通过实验找出棱镜的折射率与TT鼓轮的关系,得到利用科希公式拟合定标曲线的可行性方案;利用高阶多项式对定标曲线进行拟合,运用统计的方法探讨不同的拟合阶数对拟合结果的影响,并得到了最佳的拟合阶数和高精度的拟合结果。     

单色仪定标曲线的非线性拟合

采用两种方案对WDF棱镜单色仪的定标曲线进行非线性拟合。通过实验找出棱镜的折射率与TT鼓轮的关系,得到利用科希公式拟合定标曲线的可行性方案;利用高阶多项式对定标曲线进行拟合,运用统计的方法探讨不同的拟合阶数对拟合结果的影响,并得到了最佳的拟合阶数和高精度的拟合结果。     

基于敦煌辐射校正场的FY3B/VIRR反射太阳波段衰减分析

VIRR是搭载在我国最新一代极轨气象卫星FY-3B上的可见光红外扫描辐射计,发射后的遥感器需要进行不断的辐射定标校准以提高数据质量,更好的满足用户需求。为了研究FY3B/VIRR入轨后辐射响应的衰变规律,利用2011年—2015年敦煌辐射校正场同步试验数据,采用反射率基法计算其反射太阳波段的辐射定标系数,除受水汽吸收影响的波段10,其余各波段定标系数相对标准差均小于1.5%。以Aqua/MODIS为辐射基准验证了该方法的精度,结果表明,正演大气顶辐射与卫星观测值的平均偏差均小于2.5%。基于上述五年的VIRR定标结果,结合发射前定标系数,计算了遥感器的年际衰变率,结果表明:仪器衰减显示出一定的波长依赖性,波长越短的波段衰减越大;与发射前定标系数相比,入轨第一年的仪器定标系数有较大程度的变化;随着在轨运行时间变长,仪器衰减趋势开始减缓,在轨运行的第二和第三年衰减均大幅减小;从第四年开始波长0.8μm的波段,有衰减增大的趋势;在轨运行两年后,波长0.8μm的波段部分年份出现了响应增加的现象;与孙凌等的FY3A/MERSI衰减变化规律相比,衰减率和波长的相关性是一致的,但MERSI在0.65μm的波段3和13均出现相应增加的现象,而VIRR在该波长处的波段1却有衰减增大的趋势;综合历年的衰减率可以看出,波长较短的波段7,8和9年衰减率基本大于5%。     

基于场地自动化观测技术的遥感器在轨辐射定标试验与分析

采用自动化场地辐射计(ATR)测量地表反射,结合CE318型太阳光度计获得的大气参数和漫总比辐照度仪获得的漫总比数据,计算出卫星过顶时刻的高光谱地表反射率。基于反射率基法对中分辨率成像光谱仪(MODIS)/Aqua和MODIS/Terra的可见光至近红外波段1~7开展了场地自动化观测绝对辐射定标试验。结果表明,利用场地自动化观测定标方法获取的表观辐亮度与MODIS/Aqua、MODIS/Terra星上获取的表观(TOA)辐亮度的相对偏差不大于4%。这说明场地自动化观测定标方法与人工定标方法具有同等水平的定标精度,验证了场地自动化观测定标方法的可行性。     

基底对光学薄膜弱吸收测量的影响

 对表面热透镜技术测量光学薄膜弱吸收低频调制时不同基底对测量的影响进行了理论分析。用Lambda—900分光光度计测量了K9和石英基底的Ti₃O₅单层膜的吸收值，将该组样品作为定标片；用表面热透镜装置分别测量了BK7和石英空白基底及HfO₂，ZnO两组不同基底不同厚度单层膜样品的吸收。通过分析比较同一工艺条件下镀制的不同基底薄膜样品用与其同种和不同种基底定标片定标测量的结果，表明在低频测量时需要用与测量样品同种基底的定标片定标；不同厚度样品的测量结果表明，在不能严格满足热薄条件时,测量结果需引入修正值。     

基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法EI北大核心CSCD

为了满足多类型光学载荷在轨空间辐射基准传递的需求,减小角度差异对辐射定标频次和精度的影响,开展基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法研究。利用高精度长时序卫星的多角度、高光谱表观反射率数据,构建地球稳定目标利比亚4的大气层顶表观反射率模型。通过区域匹配、时间匹配和云剔除后,利用该模型对2019—2020年风云三号D星中分辨率成像仪和AQUA/MODIS的可见-短波红外波段开展了205次交叉定标应用,并与同步星下点观测的交叉定标方法进行了26次比对。结果表明,两种方法的平均相对偏差优于2.1%,验证了该方法的适用性和准确性。该方法可以解决对人工测量定标场地表多角度数据的依赖,适用于观测天顶角差异0°~60°、观测波段400~2400 nm以内的多光谱、多角度载荷的交叉定标,减小交叉定标中角度匹配误差,显著提高多类型卫星的定标频次,为空间辐射基准传递和多载荷数据融合应用提供基础技术支撑。     

远紫外光学遥感载荷在轨定标技术研究进展

远紫外波段（115～200 nm）光学遥感是在卫星上获得空间环境参数,如O,N₂和O₂等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、电离层电子密度TEC、电子密度廓线、等离子体含量、大气温度廓线、太阳EUV流量、能量粒子沉降等信息的重要探测技术,也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标,包括发射前实验室定标和在轨定标。发射前定标给出载荷的原始定标系数,而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。远紫外探测技术用于中高层大气、电离层、磁层、太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始,以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划,并且开展了大量的在轨定标技术研究,确保载荷数据的长期定量化应用。我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究,在轨定标技术基本属于空白。在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例,分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、在轨定标数据处理方法及处理结果。对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明,对于视场较大,且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪,首选外定标源法,即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源,根据运行轨道进行定标模式合理设计,并结合实验室定标数据,实现在轨全视场定标;对于光度计类的单点探测仪器,由于视场限制,极少有恒星观测条件,故推荐采用替代定标方式,实现载荷在轨长期监测,但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析,以提高定标精度;而利用内部标准源进行定标的方法,标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

基于改进型反射率基法的资源三号卫星多光谱相机在轨辐射定标研究

针对资源三号卫星(ZY-3)多光谱影像特点,提出了一种改进型反射率基法,实现相机在轨辐射定标。该方法以ZY-3 Level 1A 级影像为数据源,建立严格的几何模型获取定标点处准确的观测几何参数,降低因影像重采样和成像几何产生的误差对辐射定标精度的影响。基于山东东营遥感综合实验,利用两点法和多点法获取ZY-3多光谱相机在轨辐射定标系数。与官方定标系数相比,多点法的定标精度高于两点法定标精度。通过分析各定标点与拟合直线间的离散程度后发现,水体定标点的残差较大,其中绿波段残差值约为67.39%。以置信度95.4%为标准,可将水体定标点判识为误差点。在剔除水体后,采用多点法获得的定标系数除近红外波段相对差异优于5%以外,其他波段相对差异均优于2%。该结果表明该改进型反射率基法能够获得精度可靠的绝对定标系数,可以为其他类似卫星在轨辐射定标提供参考依据。     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。     

地基CE312热红外辐射计定标方法分析与评价

地基CE312热红外辐射计用于星载传感器的定标,其定标精度直接影响热红外传感器的场地定标精度。文章论述CE312-1b带宽辐亮度定标法和分谱辐亮度定标法的定标原理,利用实验室黑体对CE312-1b热红外辐射计进行定标,最后利用2010年8月青海湖的野外实测数据结合MODIS观测值,分析对比两种定标方法所得定标结果的准确性及误差来源。结果表明,带宽辐亮度定标法得到的CE312热红外辐射计定标系数相对分谱辐亮度定标法所得结果在准确性、适用性方面表现更好。     

基于非线性方法的食品着色剂光谱的研究

食品着色剂大多含有对人体有害的物质,需要严格控制其用量。利用吸收光谱法和荧光光谱法测量出了五种常见的食品着色剂亮蓝、胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄的吸收光谱和荧光光谱。当溶液浓度较小时,对五种着色剂进行了光谱强度和溶液浓度的线性拟合,拟合得到的线性区间非常小,利用线性关系对溶液浓度进行定标存在较大的局限性,在高浓度时必须进行稀释。利用非线性拟合的方法在较大的浓度范围内探究了五种着色剂的光谱强度与溶液浓度的关系,在此基础上,分别用线性定标法(先稀释)和非线性定标法对一种饮料中的着色剂含量进行了测量,并对两种方法的测量结果进行了比较,为扩大溶液的定标范围提供了一种参考方法和实验依据。