基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

星上定标漫射板远紫外BRDF测量方法

针对星载漫射板远紫外波段(140~240nm)的双向反射分布函数测量过程中,探测器响应线性问题和紫外光源稳定性差的问题,提出一种采用光源监测比例补偿的相对测量方法.根据测量方法设计了一种基于六自由度转台结构形式的测量系统,该系统采用漫射板两维平移+两维转动、探测器两维转动的组合运动形式,可实现漫射板半球空间内任意点、任意方位的双向反射分布函数测量.用所提方法进行测量实验,并对影响系统测量结果的主要因素进了不确定度分析,结果表明总测量不确定度约为5.5%.     

通道式辐射计自动观测数据的反射率光谱拓展方法

为了适应光谱特性、观测角度不同的卫星载荷定标需求,提出了一种考虑地表双向反射分布函数特性(BRDF)的通道式辐射计光谱反射率拓展方法。利用国家高分辨遥感综合定标场的星地观测数据,对提出的自动观测数据光谱拓展方法进行验证。结果表明,通道反射率光谱拓展结果与地物光谱仪实测值相比平均相对差异为2.67%;而与Sentinel-2A/B卫星实际观测结果相比,各波段差异均在10%以内。进一步开展了不确定性分析,利用提出的光谱拓展方法获得的地表光谱反射率不确定度为3.34%,基于该方法的Sentinel-2A/B蓝、绿、红、近红外波段辐射定标总不确定度分别为3.35%,3.77%,4.10%,4.29%。     

双向反射分布函数绝对测量装置研制

基于太阳-漫射板+稳定性监视辐射计的星上定标方式能有效地提高遥感数据定量化水平,其中漫射板的双向反射分布函数(BRDF)定标精度是高精度星上定标的关键,BRDF绝对测量可实现漫射板的高精度定标。为解决高精度BRDF绝对测量的关键技术,设计了高亮度、高稳定度、高均匀性积分球光源;使用单色仪和单片探测器对大动态范围入射和反射辐亮度信号进行高精度探测,并利用锁相放大器对信号进行放大和采集;采用样品漫射板三维转动和三维平移及光源一维转动的组合运动形式,以高精密六轴串联机械手和中空分度盘分别作为样品漫射板和光源的定位机构,可高精度、无遮挡、快速地构建BRDF测量所需的几何关系。研制的装置可实现包括"平面外"在内的全角度BRDF绝对测量,可测量的入射、反射光束角度范围:天顶角为0°~75°、方位角为0°~360°,目前可测量的光谱范围为250~1700nm,装置的BRDF绝对测量不确定度优于1%。     

太阳天顶角对反演高光谱地表反射率影响分析

为了满足星上载荷高频次的在轨定标需求,常使用场地自动化定标技术将多光谱反射率反演为高光谱反射率,所以提升光谱的反演精度对提高自动化定标精度尤为重要.使用布设在敦煌辐射校正场的通道式自动化观测仪器计算从2018年9月至2019年9月的反射率;根据测量过程中太阳天顶角的不同将数据分为6组,并使用双向反射分布函数模型对不同太...     

真空紫外反射率计用于BRDF的测量

：介绍了一种真空紫外反射率计,采用间接测量方法,在该反射率计测试了聚四氟乙烯漫反射板的双向反射率分布函数（ＢＲＤＦ）,正入射时该聚四氟乙烯漫反射板１５°到７５°的双向反射率分布函数偏差为１３％。     

空间目标表面材料反射率的测量

介绍了双向反射分布函数测量空间目标表面材料热特参数的原理和方法,搭建了双向反射分布函数光谱特性和激光散射特性测量平台,对空间目标的几种典型热控涂层反射率进行了测量。测量结果表明,在入射角为0°时,SR107白漆涂层的反射率为0.785;OSR,F46和聚酰亚胺薄膜对532 nm激光的反射率均大于90%。     

水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明：(1)岸上沙质的BRDF特征：在400～700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°, 40°或60°),不同方位角(?=0°, 45°, 135°, 180°, 225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(?=0°, 45°, 135°, 180°, 225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征：在400～700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着...     

温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法,搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台,对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明,粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体,反射率低于0.25。在常温至320℃范围内,靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。     

紫外光谱辐射定标中的漫反射板反射特性研究

建立了紫外波段漫反射板双向反射分布函数的测量装置,研究了在特定接收条件下铝漫反射板双向反射分布函数(BRDF)随入射角的变化,并对测量误差作了相应的分析,漫反射板定标的相对精度小于2.5％。测量了铝漫反射板从250～650 nm的半球反射比。随着波长的增加,铝漫反射板的半球反射比略呈上升趋势,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm之间变化约6%。监测了铝漫反射板的半球反射比随时间的长期变化。铝漫反射板在制备一年后,其半球反射比基本保持稳定,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm范围内,其半球反射比平均下降约0.9％。     

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。     

基于深对流云的FY-3D/MERSI-Ⅱ反射太阳波段辐射响应评估

风云三号D星（FY-3D）中分辨率光谱成像仪Ⅱ型（MERSI-Ⅱ）已在轨运行超过5年,经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云（DCC）目标对MERSI-Ⅱ大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估,为提高该方法的稳定性,对基础DCC定标方法进行了优化。首先,比较了当前两种DCC双向反射分布函数（BRDF）模型的校正效果,采用月度反射率概率密度函数（PDF）众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明：对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优;短波红外波段反射率PDF均值较优,但对于两种BRDF模型均不敏感。其次,针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题,提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018—2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性,分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后,使用上述方法对MERSI-Ⅱ的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估,发现蓝光通道和全部...     

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...     

风云二号静止气象卫星可见光通道辐射校正场定标方法研究

为了对风云二号C星(FY-2C)与D星(FY-2D)扫描辐射计(VISSR)的可见光通道进行定标,国家卫星气象中心联合多家单位在中国遥感卫星辐射校正场敦煌场开展了时间跨度达3个月的场地替代定标同步试验,获取了多组试验数据.通过使用刘京晶建立的敦煌地表反射比双向反射分布函数(BRDF)模型对实测的敦煌地表反射比数据进行方向性修正;使用6S模型计算表观反射比并进行天顶角余弦和日地距离修正;从4 d试验数据中计算得到了相对标准偏差小于5.6%(FY-2C)和2.4%(FY-2D)的4组定标系数.在不同野外环境、不同太阳几何位置参数下获得了相对一致的定标系数,说明定标算法的准确性和稳定性.     

基于多灰阶靶标的在轨辐射定标方法研究

辐射定标是光学遥感信息定量化的关键技术之一。随着高分辨光学遥感器定量化应用的发展,在轨绝对辐射定标精度的要求也越来越高。提出了一种基于多灰阶靶标的在轨定标方法,采用实际测量的漫射辐照度与总辐照度比来代替辐射传输计算的气溶胶散射,同时布设高反射率靶标以提高辐射定标精度。初步试验结果表明,基于多灰阶靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨绝对辐射定标方法,对假定的理论模型依赖较少,能够实现全动态范围的高精度定标,不确定度优于4%,而且满足复杂环境条件的应用要求。     

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。     

基于多角度偏振相机的城市典型地物双向反射特性研究

基于高空间分辨率多角度偏振相机(directional polarimetric camera,DPC)获取的中国珠江三角地区典型地表多角度航空数据,在航空尺度上反演得到城市区域四种典型地物的三种半经验双向反射率(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型的参数,并对模型精度进行分析.结果表明,三种半经验BRDF模型对多角度反射率数据都有较好的拟合能力,其中,Ross-Li模型对森林类型的拟合误差最小,Ross-Roujean模型对裸土类型的拟合误差最小,RPV模型对城市和灌木类型的拟合误差最小.在此基础上,重点分析了四种城市典型地物高空间分辨率的双向反射特性,研究发现,不同地物的反射率存在差别,但整体趋势都随着散射角的变大而变大.城市区域典型地物类型双向反射特性的研究,将为基于遥感数据探测地表和大气物理光学参数提供理论支持.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器