大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标研究进展

大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息,尤其在气溶胶遥感监测领域,具有很大优势,所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。作为定量化程度很高的光学载荷,在轨定标一直受到很大的重视。因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点,使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂,需要进行辐射定标的相机参数有多个。辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数,使用的自然景物类型多,导致多种定标方法组合、并行发展。2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗,也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星,在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天,有必要梳理替代定标的研究进展情况。文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数,梳理了相机的辐射传递模型。划分了绝对辐射强度、相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。针对特定的待定标系数,介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。并汇总了定标结果检验的一般方法。新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标,将继承原有研究基础,使用特殊自然景物开展定标。在后续的同类遥感相机在轨定标工作中,也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。我国、欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划,面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机,结合作者研究基础,对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测,对我国当前关注的大气环境问题非常重要。卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

基于冰雪场景的大视场遥感器在轨辐射定标方法

场景定标是大视场遥感器在轨替代定标的常用方法,具有定标频率高、无需同步测量的优点。冰雪场景通常使用格陵兰冰盖（75°S,123°E）和南极冰盖（73.375°N,40°W）作为目标,由于其海拔较高（通常大于2 km）,故受到大气影响较小,能够得到数据质量较好的定标样本。此外,冰雪在可见光范围以内光谱较为平坦,因而比较方便借助于其他定标方法实现波段传递。基于对前人极地场景定标方法的研究,将冰雪场景的地表双向反射分布函数（BRDF）和大气参数代入辐射传输模型之后,对我国高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪（DPC）载荷的在轨辐射响应变化进行测试,得出的结论与沙漠场景和海洋场景的定标结果吻合度较高,且定标结果的离散度更小。所提方法可以对载荷在轨运行期间的探测数据提供长期监测、校正,并有助于业务化应用产品的质量提升。     

多角度偏振成像仪在轨图像配准及性能评估

高精度的图像配准是保证多角度偏振成像仪在轨数据有效性的关键.介绍了多角度偏振成像仪基于光楔的偏振图像配准方法和基于地球参考网格的多角度、多光谱图像配准方法 .系统地分析了影响多角度偏振成像仪多角度、多光谱图像配准性能的误差,并提出通过相对几何定标提高多角度、多光谱图像配准性能.对比误差校正前后多角度偏振成像仪的多角度、多光谱图像配准性能,证明所提方法有效地提高了多角度、多光谱图像配准精度.多角度偏振成像仪在轨多角度、多光谱和偏振图像配准精度分别优于0.26 pixel、0.14 pixel和0.1 pixel.     

多角度偏振成像仪偏振探测性能与检测

多角度偏振成像仪用于获取全球大气气溶胶和云性质参数,能探测大气多角度偏振信息。偏振探测是仪器的重要特性,大视场光学仪器起偏效应显著,应予以定标校正。在轨运行前通过实验室、外场对偏振探测性能进行全面检测。在轨运行时,设计基于自然目标偏振特性的在轨检测方法,进行数据校正后,再对大范围海洋耀光和水云偏振虹进行分析,通过偏差分布图像可在复杂多云的数据环境中直观显示仪器状态,实现了全视场偏振探测性能的快速评测,验证了地面应用系统数据处理的有效性。在轨偏振探测性能与实验室、外场检测的性能一致,探测精度满足优于0.02的设计指标。检测数据为气溶胶和云反演应用提供重要依据,各阶段检测方法为广角偏振遥感仪器检测提供参考。     

基于均匀目标的GF-1WFV与SJ-9A PMS相机交叉定标

为检测SJ-9A卫星PMS相机在轨辐射特性,获取准确的PMS相机绝对辐射定标系数,提出了基于均匀目标的GF-1WFV与SJ-9APMS交叉定标方法。介绍交叉定标原理和均匀目标样区的概况,并对比两个遥感器的波段设置和光谱响应差异。基于敦煌辐射校正场均匀目标历史数据和2013年8月2日GF-1WFV与SJ-9APMS同时观测图像,实现了WFV与PMS的交叉定标。讨论了GF-1WFV与PMS相机交叉定标的影响因素及其不确定度。结果表明:利用GF-1WFV相机对SJ-9APMS相机进行交叉定标是可行的;以敦煌场区GF-1WFV观测数据为参考,获取的SJ-9APMS相机交叉定标结果不确定度小于5.24%。该成果可用于SJ-9A卫星在轨性能评估和后续数据定量化应用,并为我国自主卫星遥感器间的交叉定标提供借鉴。     

大视场偏振成像仪的相对辐射校正研究

设计了基于单像元辐射响应模型的相对辐射校正方法和流程。依据信号还原入射光的反演顺序,分析非均匀性干扰信息,依次对探测器、空间杂散光、起偏度和光学系统相对透过率进行校正。在轨测试期间,设计了基于沙漠场反射率法的多角度观测数据快速检验方法,满足了大视场偏振成像仪的相对辐射性能检测需求。实验数据表明,单点相对辐射响应差异均小于4%,相对辐射校正方法合理有效。相对辐射校正和在轨快速检验的方法为相关大视场偏振成像仪的研制和在轨辐射定标提供了参考。     

神舟3号飞船中分辨率成像光谱仪场地替代定标新方法研究

神舟3号飞船(SZ-3)搭载的中分辨率成像光谱仪(CMODIS)是我国下一代对地环境卫星遥感器的试验仪器,能获取地气系统30个可见光-近红外通道观测数据,这些高光谱数据应用,特别是定量遥感产品反演受到辐射定标的严重制约。文章在传统的在轨遥感器场地辐射校正基础上,提出了星地准同步观测场地辐射校正新方法,在缺少足够地面同步观测数据情况下,实现了CMODIS场地辐射校正,并达到了预期辐射校正精度要求。同时基于敦煌场地反射率光谱光滑的特点,利用EOS/MODIS大气订正后的通道反射比进行光谱内插,开展一种新的交叉定标方法试验。文章针对SZ-3/CMODIS数据,用此两种方法独立进行场地替代定标,试验结果能够相互验证,表明这两种定标方法切实可行,定标精度可靠,为我国下一代环境气象卫星传感器在轨辐射定标提供了新的定标方法和技术。     

星载偏振扫描仪星上偏振定标器

为了满足偏振扫描仪的偏振测量精度要求,提出一种利用偏振扫描仪星上偏振定标器精确测量标准偏振态数值的方法。首先介绍了偏振扫描仪的技术特点、测量原理和偏振定标模型;其次结合仪器特性,将地球反照光+线偏振定标器/非偏振定标器作为在轨偏振定标的偏振态标准源;然后分别设计了专用的线偏振定标器和非偏振定标器;最后利用马吕斯定律确定线偏振定标器的偏振态数值,将星下点数据筛选出线偏振度小于0.4的下垫面反射光作为非偏振定标器的有效光源,以获得符合要求的非偏振光。所设计的定标器符合全光路、全孔径、端到端的要求,可保障长期在轨偏振测量精度为0.005。     

星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。     

多角度偏振成像仪遥感图像太阳耀斑区的拖尾校正方法

为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾,以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例,结合多角度偏振成像仪在轨成像特点,理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型,以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型,该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明,该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声,提高图像质量,而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后,分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响,分析结果表明,拖尾校正前后,灰度方差由202.69×10^6下降至2.32×10^6,平均梯度由5.08×10^-1下降至2.26×10^-1.     

Error analysis and optimal design of polarization calibration unit for solar telescope

Polarization calibration unit(PCU) has become an indispensable element for solar telescopes to remove the instrumental polarization; the polarimetric accuracy of calibration depends strongly on the properties of PCU. In the paper, we analyze the measurement errors induced by PCU based on polarized light theory and find that the imperfections of the waveplate generate the main calibration errors. An optimized calibration method is proposed to avoid the effects from waveplate imperfections, and a numerical simulation is given to evaluate the polarization accuracy by analyzing the relation between calibration error and intensity instability. The work is very important for solar telescopes with high polarization precision up to 10~(-4) I_c.     

纳型卫星CMOS遥感相机及其实验研究

为了满足纳型卫星遥感系统的要求,设计了基于互补型金属氧化物半导体CMOS(complementarymetalox idesemiconductor)图像传感器的遥感相机。通过热平衡实验,得到了CMOS相机平均暗输出和暗不一致性随温度的变化曲线。它适于在15～50℃的温度环境中工作,并可经受-25～60℃卫星舱内的温度变化的考验。光度标定实验表明:该相机的数字输出线性度好,可用于获取所需要的图像。     

高分五号卫星多角度偏振相机最优化估计反演:角度依赖与后验误差分析

多角度偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)随高分五号卫星已经成功发射并持续获取全球观测数据.针对DPC在陆地气溶胶反演领域的应用需求,本研究基于多参数最优化估计反演框架,引入信息量和后验误差分析工具,讨论了DPC观测信息量对角度的依赖,给出了地表和气溶胶参数的后验误差,并分析了后验误差的影响因素.研究表明:1)卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升, DPC多角度观测比单角度观测的总DFS(degree of freedom for signal)平均提高了5.45; 2)气溶胶反演比地表更依赖于卫星观测几何,散射角覆盖范围越大,观测包含的气溶胶信息量越多; 3)反演参数的后验误差随观测角度个数的增加显著降低,而气溶胶模型误差对后验误差的影响并不显著.总体来说,观测误差是影响反演结果不确定性的主要因素.本研究对DPC多角度偏振观测的反演能力以及反演不确定性进行了系统的定量评估,为DPC在轨测试及反演算法开发提供参考.     

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。     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法北大核心CSCD

水下偏振成像技术是目前水下成像研究的热点,由于自然光在水中衰减大,水下成像系统多采用主动照明方式。针对分焦平面偏振成像系统中偏振照明光源与偏振探测像元偏振方向不匹配引起采集图像偏振信息存在的偏差,进而影响目标图像增强质量的问题,提出了一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法。阐述了偏振光源的标定原理,然后给出偏振光源标定的实施步骤,最后采用偏振去雾算法和图像质量评价方法对标定前后的水下目标图像进行了图像增强和图像质量评价。评价结果表明,标定后的增强图像质量优于未标定的增强图像质量,平均梯度最大提升了2.48倍。该标定方法简单有效,实用性强,适用于分焦平面偏振成像系统偏振光源标定。     

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。     

环境卫星HJ1A超光谱成像仪在轨辐射定标及光谱响应函数敏感性分析

环境卫星HJ1A搭载的超光谱成像仪HSI是我国第一个对地观测的星载高光谱传感器,针对超光谱成像仪缺乏各通道光谱响应函数这一问题,对传统的反射率基法予以改进,提出一种不使用光谱响应函数的场地定标方法。利用敦煌场地2009年8月定标实验数据,实现超光谱成像仪在轨辐射定标。通过构建不同形状的光谱响应函数,分析光谱响应函数形状对最终辐射定标结果产生的误差。结果表明,利用新提出的场地定标方法可以实现超光谱成像仪绝对辐射定标,除水汽和氧气吸收通道外,光谱响应函数对定标结果的影响小于3％,采用新定标方法得到的定标系数可以满足应用的需求。