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.     

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。     

FY-3B卫星MERSI可见光近红外波段定标精度评估

FY-3B中分辨率光谱成像仪(MERSI)不能实现可见光近红外波段的星上绝对定标。为了提高MERSI高信噪比窄波段通道的辐射定标精度,针对国际通用的6个北非沙漠目标,利用高质量的SeaWiFS数据构建天顶双向反射分布函数(BRDF)模型,借助MODTRAN辐射传输模型和ERA-Interim再分析资料吸收气体数据构建光谱匹配因子,对FY-3B MERSI 5年的在轨运行数据进行交叉定标研究。所构建的天顶反射模型可以准确表达伪不变目标的天顶反射率,波段预测误差基本都在3%之内;考虑观测几何条件和吸收气体含量的参数化光谱匹配因子可以有效预测MERSI的天顶反射率;交叉定标结果的时间序列十分稳定且无明显趋势,与伪不变目标的天顶辐射信号长期稳定且规律性变化的特点一致。与MERSI L1业务化定标结果相比,第8～12波段的定标结果偏低,相对偏差小于0,而第13～16波段的定标结果偏高,相对偏差大于0。除了波段8以外的其他8个波段的偏差基本都在-5%～5%以内。波长小于600 nm的波段的月平均偏差较大,特别是三个蓝光波段(第8～10波段);第13～16波段的月平均偏差相对稳定,基本都在-5%～5...     

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。     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。     

FY-3C MERSI反射波段在轨宽动态综合辐射定标方法

为解决FY-3C/MERSI反射波段非线性响应导致传统两点定标不适用问题,提出了在轨宽动态综合辐射定标方法。融合多种不依赖于地面同步测量的替代方案,利用各方案定标样本的多等级反射率特性,实现遥感器宽动态范围的辐射定标。每种方案的定标样本采用分段平均方法进行等权重融合,最终定标系数基于融合后样本通过加权拟合回归获得。非线性特征采用发射前室外定标实验分析的二次项系数进行修正,在轨计算定标斜率和截距。分析和验证结果表明:各替代方案样本分布具有很好一致性,融合样本相关性可达0.99;综合定标结果在反射率大于10%的中高端目标回归残差小于1%,高端定标结果与基于深对流云目标的交叉定标(DCC)检验样本的相对差异小于1.5%,敦煌同步观测实验检验结果表明中端精度优于3%;由于MERSI对低亮度辐射响应能力显著降低,发射前室外定标实验获得的非线性系数不能适用,定标结果在低目标反射率出现高估现象。该成果可应用于所有FY-3C/MERSI反射通道,明显降低两点法定标的不确定性以及非线性的影响。     

星载遥感仪器太阳漫透射板紫外辐照特性

空间遥感仪器的漫透射板受太阳真空紫外辐照而导致的半球透射率变化将影响仪器在轨辐射定标结果。分析了太阳紫外辐射光谱特点及漫透射板在轨工作的紫外辐照剂量,利用标准氘灯作为光源模拟太阳115~200nm的紫外光谱,在特定距离下对紫外熔石英漫透射板进行了辐照实验。太阳等效紫外辐照48h后,熔石英漫透射板半球透射率在250~1000nm波段产生了不同程度的衰减,其中,紫外波段半球透射率衰减程度略高,250nm处衰减约为3%,近红外波段衰减程度略低,1000nm处衰减约为1%,对漫透射板进行清洗后,半球透射率基本恢复到最初状态。实验结果初步表明,漫透射板表层污染是引起半球透射率衰减的主要因素,该结果将对空间遥感仪器太阳漫透射板防护、在轨定标与衰减修正具有重要意义。     

联合南北极冰雪目标的FY-3A/MERSI辐射定标跟踪监测

位于南北极的Dome C和Greenland冰雪目标是国际上应用比较广泛的定标跟踪目标。但由于极昼极夜现象的存在,单一极地冰雪目标难以对遥感仪器连续定标跟踪。针对这一不足,提出联合使用两个极地冰雪目标对风云-3A卫星(FY-3A)/中分辨率光谱成像仪(MERSI)太阳反射率波段辐射性能进行连续跟踪监测的方法。首先,利用FY-3A/MERSI寿命晚期相对稳定的观测数据,建立两个冰雪目标表观反射率的双向分布函数模型;然后利用该模型,对冰雪目标的表观反射率序列进行归一化,消除由冰雪目标非朗伯性引起的变化信息,获得反映遥感器辐射性能变化的参量,实现不同冰雪目标数据序列的融合;最后,采用二次多项式拟合模型,对融合后的数据进行变化趋势分析,并与其他相关研究成果进行比对验证。结果发现,跟踪监测模型的不确定性基本优于3%,特别是在波长小于550nm的短波段,不确定性优于2%。衰减率结果显示,蓝光波段衰减显著,特别是波段8(413nm),年均衰减率接近7%;红光和近红外波段(水汽通道除外)最为稳定,年均衰减率在±0.5%以内。验证结果显示,所提方法与其他方法具有很好的一致性,大部分波段的多年总衰减率偏差低于3%。     

基于宽动态地面目标的高分二号卫星在轨定标与评价

为检测高分二号(GF-2)卫星发射前后辐射性能变化,获取可靠的GF-2卫星遥感器在轨定标系数,提出了基于宽动态地面目标的场地定标方法。以敦煌戈壁场为基础,重新选建涵盖高、中、低多级反射特性的定标场,并借助反射率基法和地面观测试验,实现了GF-2卫星首次在轨辐射定标。以发射前实验室定标结果为参考,讨论GF-2卫星定标系数变化及影响因素。结果表明:1)GF-2卫星发射前后系统自身偏移量均接近于零,且相对稳定;而辐射响应特性发生了一定变化;2)采用多场地定标获取的在轨定标系数能更好表征GF-2卫星在轨辐射特性,该定标系数可作为后续定量产品反演和系统性能评估的基础。     

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。     

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。     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

基于深对流云目标的风云二号可见光通道辐射定标

介绍了一种采用深对流云目标对风云二号(FY-2)扫描辐射计可见光通道进行辐射定标的方法。以深对流云作为辐射定标参考载体,以AQUA/MODIS获得的深对流云反射率作为辐射基准参考,以GOME-2和辐射模式模拟的DCC光谱进行了光谱响应函数的修正,评估FY-2系列卫星的可见光通道辐射定标精度及其长序列衰减趋势。结果表明：(1)FY-2可见光通道存在不同程度的衰减,FY-2D,FY-2E和FY-2F的年衰减率分别约为1.67%,1.69%和0.81%;(2)与国际推荐的参考仪器AQUA/MODIS的DCC反射率基准相比,风云二号可见光通道业务定标结果与之存在显著差异,其相对偏差了分别达到了39.9%,29%和19.2%。(3)FY-2卫星在轨期间,可见光通道存在一定程度的周期性的波动和跳跃现象。借助深对流云目标很好地实现了FY-2系列气象卫星的可见光辐射定标,获取的辐射定标结果已经作为业务定标更新的重要依据。     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

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。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

利用高光谱近红外波段的腊肠品质分级研究

高光谱图像作为一种快速无损的分析技术在食品行业中得到广泛应用。腊肠(sausage)是一个非常古老的食物生产和肉食保存技术,中国的腊肠有着悠久的历史。我国商业行业标准SB/T10003-92按腊肠的理化特征,将腊肠分为优级,一级,二级。针对腊肠在近红外(NIR)波段的高光谱信息,采用连续投影算法(SPA)进行特征波段的提取,分别建立了腊肠等级判别模型PLSR(基于全波段的模型)与SPA-MLR(基于特征波段的模型)。其中,基于特征波长的SPA-MLR模型的预测决定系数达到0.929,判别正确率100%。表明采用高光谱图像的近红外波谱信息能够实现腊肠品质的快速、无损分析。     

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。