基于有理多项式模型的高分四号卫星可见光通道面阵成像载荷在轨几何定标

针对我国首颗静止轨道高分辨率光学遥感卫星高分四号（GF4）的可见光通道面阵成像载荷,基于成像模型中内外方位元素的相关特性,提出一种基于先验有理多项式（RPC）模型的在轨几何定标方法,以地面控制点的真实像点和基于RPC模型计算的虚拟像点为观测值,在初始的定标参数基础下重建精确的几何定标参数,实现卫星成像载荷系统性几何误差的补偿。本方法完全避免了传统在轨几何定标构建严格几何成像模型中复杂的辅助数据处理和多个成像坐标系统的转换,建模和解算均极为简单,且定标结果可直接应用于基于严格几何成像模型的地面处理系统。通过一组GF4卫星面阵载荷的真实影像数据实验验证了本方法的有效性和模型的合理性,结果表明：本方法可有效补偿成像模型中的系统几何误差,且得到定标结果与基于严格几何成像模型的传统定标方法几乎一致。     

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。     

太阳辐射的在轨监测和定标

采用宽视场设计,逐轨扫描太阳式测量方式的FY-3A太阳辐射监测仪,结合在轨一年半的太阳辐照度观测数据和地面实验与理论分析,研究了影响定标精度的因素,给出了修正方程和曲线,并通过与世界辐射基准(WRR)的地面外场定标实验,得到了FY-3A上的三台绝对辐射计的比例系数R1=1.008 3,R2=1.006 6和R3=1.006 5。日地距离的理论分析和实际太阳辐照度测量曲线均证明:地球近日点太阳辐照度值最大,远日点太阳辐照度值最小,且在±3.34%范围内随日期变化。利用天文公式,结合遥感源包中的准确测量时间,给出了日、地修正系数。另外,分析了冷空间背景辐射对定标精度的影响,给出了冷空间辐射值的计算公式,并结合宽视场设计和扫描式测量的特点,重点分析了采光结束时刻和刚捕获太阳光时刻入射角的差异给辐照度测量带来的影响,通过几何关系给出了入射角修正系数方程及修正曲线。最后,综合各定标修正系数,给出了在轨定标方程和定标曲线,并分析了定标精度。     

多角度偏振遥感相机DPC在轨偏振定标

为了做好卫星数据应用的技术储备,多角度偏振遥感相机DPC航空预研版已经研制成功并完成了航空飞行实验. DPC相机用于获取地气系统反射的偏振、多角度的太阳辐射信息,其地气物理参数反演依赖于定标的精度. 偏振相机的辐射定标包括强度和偏振两个方面. 本文研究偏振遥感相机的偏振参数的在轨定标原理与方法. 基于偏振遥感相机的设计原理,以相机的偏振辐射模型为基础,探索偏振定标的原理和方法. 使用DPC航空遥感实验数据,初步实现了在轨偏振定标并对定标结果进行了分析. 为将来我国自主星载偏振遥感数据处理和在轨偏振定标提供 关键词： 偏振定标 遥感 在轨定标 DPC     

空间CCD相机的定标方法研究

介绍了相机定标的测试方法。通过对空间CCD相机成像时的地物辐射能量进行分析,提出了以成像方式进行相机定标测试的方法,并对数据处理方式进行了分析。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标EI北大核心CSCD

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

基于FY-2C的大口径空间相机辐射定标研究

针对目前国内外热点研究的大口径空间相机,分析了其较之普通口径相机在辐射定标方面所具有的特点和难点。在FY-2C星红外水汽波段实验室辐射定标方法的基础上,提出了一种改进的适用于大口径空间相机的新型辐射定标方案。该方案克服了传统"黑体——准直括束系统"的定标方法中存在的括束系统视场、口径必须与空间相机参数匹配的难点,通过改进的后端光路插入黑体方法,实现了任意口径空间相机的全光路辐射定标。最后通过对新方案的辐射定标不确定度分析,论证了新方案在定标精度等方面的优势。     

紫外臭氧垂直探测仪高精度在轨光谱定标方法研究

为监测及修正紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在发射以及在轨运行过程中的光谱位置的偏移,采用了一种全新的高精度在轨光谱定标方法。利用高分辨率参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积,并将卷积结果与修正后的测量光谱进行匹配,建立了相关评价函数,计算参考光谱和测量光谱误差最小时的光谱偏移量。对于SBUS,利用此方法定标得出的光谱偏移量为0.10 nm。利用SBUS星上汞灯光谱验证了定标结果的最大误差为0.01 nm,满足仪器指标要求。实验结果证明了高精度在轨光谱定标方法的可行性及精度。     

空间CCD相机高精度在轨调制传递函数估算

空间电荷耦合器件(CCD)相机在轨调制传递函数(MTF)估算由于噪声影响、边缘方向不够准确以及边缘扩展函数(ESF)构建精度低,而最终导致MTF估算精度低,针对此问题提出了一种适于空间CCD相机的高精度在轨调制传递函数估算方法。先根据CCD动态成像特点建立像移速度模型,求出精确的刃边方向,然后提取出满足要求的刃边图像。在考虑噪声情况下修正调制传递函数理论模型,并提出基于CCD相机传递函数参数模型的线扩展函数构建方法,对构建的线扩展函数进行求导和傅里叶变换得到估算的MTF。实验结果表明,此方法可以高效地在轨估算MTF,与传统方法相比,MTF估算的值提高了28.71%,有效性地提升了在轨MTF估算精度。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。     

高稳定度可见/短波红外在轨相对定标监测系统关键技术研究

针对高稳定度遥感器在轨相对定标监测系统关键技术进行研究,阐述了工作原理和关键技术。研制了基于可见/短波红外双波段陷阱结构的高稳定度定标探测器组件,通过选择高灵敏度单元可见和短波红外光电探测器,一方面使探测器组件工作在线性更好、暗电流更低的零偏置光伏电路模式,另一方面使探测器组合成为复合型陷阱光机探测模式,并在模拟前放电路和数据采集环节进行了关键参数设计,完成了星载定标辐射源输出辐射的高稳定度相对定标监测系统设计。通过实验室内积分球以及国家计量技术机构提供的标准灯的辐射测试结果表明,系统获取的码值相对标准方差达到0.030%～0.046%(可见通道)和0.040%～0.059%(短波红外通道),实现了相对定标系统的高稳定度监测,为未来遥感器在轨相对定标提供一种优良的解决方案。     

基于图像处理技术的航空相机镜头焦面自准直定位研究

提出基于图像处理技术的航空相机镜头焦面定位的方法,利用光电自准直原理进行焦面定位,并选用两种图像清晰度评价函数实时提取图像清晰度特征,采用优化的爬山算法进行快速检焦。仿真实验结果表明:利用本系统对焦距为750 mm,F数为6.3,CCD像元尺寸为6.8 m6.8 m,成像光谱为500 nm~800 nm的航空相机进行焦面定位精度测定,得到相机的半焦深为0.040 mm,可用于航空CCD相机的焦面检定及航空CCD相机的自动调焦系统。     

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。     

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。     

空间光学仪器及其校准检测技术：第四讲 光学遥感仪器的辐射定标

讲座较第统地介绍了空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统工作原理、评价参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地模拟器以及遥戌器辐射定标系等问题.     

低轨空间目标地基偏振成像系统偏振定标方法

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统,提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源,并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制,再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果,利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析,仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响,并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。     

火星车载激光诱导击穿光谱仪(MarsCoDe)在轨定标样品选取研究

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项,首个火星探测器也即将前往火星。为满足火星物质成分分析的需求,我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器,其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）,应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）。火星表面覆盖尘埃,探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分,必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面,获得深部物质光谱信息,在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素,包括轻元素H,Li,Be,B,C,N,O等,帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。由于LIBS在火星环境工作,等离子体的物理性质与地球上完全不同。为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量,需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。借助火星车的携带在轨定标样品,对探测数据进行在轨定标,确保返回数据的可靠性。定标样品的选择是一项十分重要的工作,存在仪器工程条件限制、定标样品类型的代表性、元素成分分布范围、样品稳定性等多种考虑因素,需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展,重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、国外选择样品的优缺点,并总结经验提出了几点建议,为我国在轨定标工作提供参考。对火星探测数据的正确解译,对未来研究火星的起源、火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。     

基于相对响应校正的多角度偏振成像仪几何定标精度提升方法

高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多角度偏振成像仪的实验室几何定标实验证明了所提方法的提升效果。提升效果在大视场区域中更为显著,最大几何定标精度约为0.1 pixel。最终,基于所提质心定位精度提升方法在实验室中获得了高精度的多角度偏振成像仪几何模型参数,模型拟合残差优于0.1 pixel。