基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证

HJ-1B卫星热红外通道自发射以来共进行了7次星上黑体定标,然而针对星上定标系数的验证工作开展较少。通过半高宽法、矩方法和查找表法计算得到2009年9月14日星上定标系数。以具有较高定标精度的MODIS为参考源,基于MODIS第31,32通道和HJ-1B热红外通道的光谱响应特性,改进对应热红外通道的光谱匹配算法,建立两传感器表观辐亮度的匹配关系,进而通过Planck公式计算出HJ-1B热红外通道的等效水表亮温,通过与HJ-1B热红外通道基于星上定标系数得到的反演水表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证。以光谱响应差异计算的等效亮温值为285.97 K,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温值分别为288.77,274.52和285.97 K。结果显示,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温与光谱响应差异计算的等效亮温偏差分别为2.8,-11.46和0.02 K。结果表明,HJ-1B热红外通道星上定标方法中以查找表法星上定标系数计算结果精度较高。同时证明了基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证方法有效可行。     

风云四号B星干涉式红外探测仪发射前辐射定标

干涉式红外探测仪（GIIRS）是我国地球静止轨道气象卫星风云四号B星的主要载荷，可观测大气上行红外高光谱辐射，因此可应用于大气温湿度廓线反演和数值天气预报模型同化。为了预测GIIRS在发射后的工作性能，于发射前在地面试验室热真空环境中采用黑体定标试验的方法，对仪器辐射性能进行了测试，测试的性能包括仪器灵敏度、辐射定标精度和动态观测范围。其中，长波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.5 mW/(m²·sr·cm^-1),中波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.1 mW/(m²·sr·cm^-1),两者均达到灵敏度设计指标。在辐射定标方面，经过非线性校正，长波光谱的平均定标偏差从1 K减小到0.2 K,且在220～315 K观测范围内达到0.7 K的设计指标；仪器在中波通道观测低温目标时受噪声影响较大，但在260～315 K的动态范围内，定标偏差也能够达到0.7 K的指标要求。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

一种2～14μm红外光谱辐射计的辐射定标方法

提出了一种分区多点标定的辐射定标方法。定标原理如下:将测量目标的温度区间分为n个子区间,测量并记录目标温度区间内n+1个不同温度黑体对应的红外光谱辐射计输出数据,并分别计算各个子区间的定标系数;进行红外光谱辐射测量时,比对红外光谱辐射计输出数据和记录数据,确定待测目标所属温度子区间;使用对应子区间的定标系数进行辐射定标,以提高测量精度。使用该方法对研制的渐变滤光片型红外光谱辐射计进行辐射定标,并根据定标结果反演测量黑体的等效亮温温差。实验结果表明,该方法的辐射定标精度优于1.5 K,可应用于红外光谱辐射计的辐射定标。     

基于太阳漫反射板线阵CCD相对辐射定标方法研究

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.     

空间目标的地基红外辐射特性测量技术研究

提出了一种基于望远镜内部定标黑体与大气层外已知光谱特性的红外自然星体作为参照基准的地基大口径望远镜联合定标方法,在此基础上建立了相应的辐射度测量数学模型,以实现对空间目标的高精度红外辐射特性测量。内部定标黑体用于得到大口径望远镜后半光路系统对应探测器的各个像元响应度,外部标准红外自然星体用于估算大气层外目标附近大气与望远镜前半光路系统的等效透射率。在地基1.2m口径望远镜上对大量特性已知的红外自然星体辐射强度测量实验表明,当目标附近具有较强能量红外参考星情况下,如红外参考星在3~5μm波段大气层外辐照度高于1×1016 W/cm2量级,目标红外辐射强度测量不确定度能够优于15%。该方法能够克服大气程辐射、消光及高质量大口径辐射定标源对大气层外目标红外辐射强度测量不确定度的影响,适合于地基大口径望远镜红外光电测量系统的辐射定标与大气层外空间目标红外辐射特性高精度测量。     

中远红外傅里叶变换发光测量中双调制技术的实现与优化

对常规傅里叶变换发光测量方法进行改进,张入双调制技术,在迈克耳孙干涉仪一级调制的基础上,引入更高频率调制－锁相测量手段,通过这一测量方法的引入,并通过对调制频率和带通滤波器等测量参数的优化,基本消除了室温背景的黑体辐射在4μm－5μm以上区域对光致发光测量带来的严重干扰,在10μm长波红外波段得到了无室温背景黑体辐射影响的光致发光光谱,从而将光致发光测量推至5μm以上长波红外波段。     

水雾强弥散条件下高温温场多光谱成像反演

高浓度水雾条件下的表面高温温场反演测量在航空航天、冶金铸造等工业领域有着重要的应用。由于水雾的弥散作用,高温表面的辐射透过水雾后,会出现强烈的衰减和散射,导致传统辐射测温方法出现很大误差。现有水雾弥散条件下的温场反演测量主要包括基于试验数据反推及实时测量水雾参数进行修正的测量方法,并基于辐射传输理论对测量结果进行误差分析和评估,测量方式多为单通道或双通道点辐射测温。基于水雾场红外光谱辐射特性的计算,提出了一种水雾强弥散条件下表面高温温场多光谱成像反演方法;根据辐射传输理论,考虑强弥散条件下的邻近效应,建立了相应的反演模型。在水雾场相关参数未知的情况下,通过三个透过水雾场后的高温目标长波红外光谱辐射图像,反演得到表面高温温场的真温分布。反演第一步是辐射温度场反演,即通过长波红外辐射图像,根据定标曲线和高温目标的光谱发射率先验数据,得到高温目标透过弥散水雾场经过发射率校正的辐射温度场;反演的第二步是根据三通道非线性反演模型,得到目标的真温温场分布。设计了一个长波红外三光谱通道反演测量装置,中心波长分别是8.8, 10.7和12.0 μm,对高温目标进行三个长波红外光谱通道的同时探测成像。设计了一套验证测试装置,利用标准高温黑体源和水雾弥散设备,进行了高温目标水雾弥散条件下的辐射图像采集和目标温度的反演试验。试验结果表明8～14 μm长波红外波段比短波波段对水雾弥散具有更强的抗干扰能力,在1 100和1 200 ℃典型温度点反演的平均误差在7%左右,大大减小了未经校正的辐射传输失真,适用于黑体和灰体高温目标,且无需水雾场的浓度和粒径分布等先验信息,基于多光谱成像信息的水雾弥散条件下温场反演方法具有一定的普适性和创新性。     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

三波段成像光学系统的辐射定标

系统的成像波段分别为近紫外（300 nm~380 nm）波段,可见光（380 nm~760 nm）波段和近红外（760 nm~1 100 nm）波段。通过搭建与该光学系统相对应的辐射定标装置,建立辐射定标数学模型,对已研制的三波段成像光学系统进行绝对辐射定标的研究。针对系统成像波段光谱范围较宽的特点,以分波段辐射定标方法对于测量得到的定标数据,采用最小二乘线性拟合法进行处理,对算法进行修正,再对定标数据进行处理。通过实验验证了2种方法的定标精度,结果表明:修正后的算法可得到精度更高的定标曲线,测量相对误差不超过5%,定标结果满足实际工程需求。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

琼斯法定标用双波段红外辐射计的研制和校准

目前野外工作大口径双波段红外经纬仪的外场辐射定标装置普遍采用大面积均匀扩展辐射源,该方法需要两套定标设备,功耗高、便携性能差、研制难度大。为解决这一问题,分析比较了不同定标方法的原理、过程及技术性能,得出琼斯法是对野外环境下工作的大口径红外经纬仪进行辐射定标最佳方案的结论。为此研制了双波段红外辐射计,该辐射计由黑体照明光管和参考辐射计两部分组成,采用牛顿式望远系统及中继光路系统,选用InGaAs和PbSe两款红外探测器分别接收短波红外和中波红外辐射信号,可对短波和中波双波段进行辐射定标。讨论了校准参考辐射计对保证红外经纬仪最终测量精度的必要性,并给出参考辐射计在短波和中波不同的校准方法和校准结果。对校准该辐射计的不确定度进行了分析,短波和中波校准不确定度分别为4.12%和2.35%。     

成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

高超声速飞行目标尾焰红外辐射测量

为了研究超高声速飞行器发动机尾焰喷射高温高速气流的辐射特性,对尾焰成分CO₂及H₂O分子在4.3和2.7 μm大气窗口红外辐射波段进行了测量.利用高温燃气激波风洞模拟产生超高声速飞行器尾焰喷流,喷流速度M=5.5.实验中选用单元型InSb红外探测器,并利用黑体进行原位定标.测量距离为0.7 m,采用单透镜成像加光阑的方法收集光信号.实验中分别沿喷流方向喷流垂直方向进行了多点测量,通过定标结果反演得到尾焰在4.3和2.7 μm分别沿喷流方向和喷流垂直方向的光谱辐亮度和波段辐亮度分布,测量结果表明4.3 μm辐射强度及稳定性均高于2.7 μm.      

FY-3A/MERSI热红外通道在轨辐射定标精度评估

卫星资料辐射定标精度是其定量应用的关键因素。以METOP-A/IASI的高光谱探测资料为传递基准,利用同时星下点观测的交叉定标方法,对 FY-3A/MERSI热红外通道的在轨辐射定标精度进行了客观评估,并给出了亮温系统偏差的订正因子。从观测时间差异、卫星观测天顶角和方位角差异、以及目标均匀性四个方面,分析了交叉定标中所用主要匹配近似因子的不确定性。分析结果表明,目标均匀性是匹配误差的主要来源,偏差不确定性小于2%(当亮温偏差约为1 K时,不确定性<0.02 K),其他因素的影响可以忽略。一年多的样本统计及偏差分析结果显示,MERSI的观测亮温明显高于IASI,年平均亮温偏差约(3.18±0.34) K,月平均亮温偏差呈现季节波动特征,波动幅度约0.8 K。与相近时期敦煌场和青海湖地同步观测评价结果有非常好的一致性。初步原因分析推断,造成MERSI亮温偏高的原因主要有两个,一是星上黑体发射率被高估,二是光谱响应函数向大气窗区漂移,后者可能为主导因素。     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.