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。     

无人机多光谱传感器场地绝对辐射定标研究

2010年10月14日无人机遥感载荷验证场科学实验在内蒙古乌拉特前旗展开,这是我国首个航空遥感定标验证场的首次科学实验。通过验证场实验数据及制作的朗伯特性好的六块高光谱辐射特性靶标,采用反射率基法对搭载在无人机平台上的宽视场多光谱相机进行了场地绝对辐射定标。结果显示,对于成功获取影像的绿光、红光及近红外通道的绝对定标结果中,计数值(DN值)与辐射传输计算得出的表观辐亮度之间的线性相关系数优于99%。经误差分析得到不确定度为5.19%,优于验证场课题要求的6%。定标结果表示,验证场所配备之高光谱辐射特性靶标适用于机载多光谱载荷的场地绝对定标,且定标结果可靠,可以用于地物参数的反演。     

基于Metop-B/GOME-2的TG-2/MAI可见光通道交叉定标

2016年9月15日发射的TG-2空间实验室上搭载的MAI是我国首个在轨运行的多角度偏振成像仪，主要用于获取云和气溶胶等大气环境信息。星载遥感仪器的定标是观测资料定量应用的关键前提且贯穿仪器的整个寿命期。MAI发射前已经进行了实验室定标，且精度较高。为了监测MAI发射后的在轨运行情况，针对其未配置在轨定标装置的问题，利用Metop-B/GOME-2可见光波段的高光谱分辨率和较高探测精度的优势，提出了基于GOME-2对MAI 565，670以及763 nm通道进行在轨监测及交叉定标的方法。该方法首先通过时空匹配、视线几何匹配等获取MAI与GOME-2相近时刻、相近视线几何条件下的同目标观测数据，再将GOME-2反射率按照MAI可见光通道光谱响应函数进行卷积，得到各通道的参考反射率，与MAI反射率进行对比分析，从而实现对MAI的定标。利用不同反照率特性目标的匹配观测数据，该方法能够实现仪器的高、中、低端观测的全覆盖定标。定标过程主要包括： (1)对2016年12月到2017年2月期间TG-2和Metop-B的运行轨道进行预报，获取二者交叉观测的整轨数据；设置观测时间差为900 s，初步匹配得到8组MAI与GOME-2交叉观测样例，包含2 455组匹配像元；(2)对匹配像元空间位置进行检验，保留单个GOME-2像元覆盖的MAI像元数超过338的交叉样本，以确保单个GOME-2像元尽可能被MAI观测充满；(3)给定GOME-2观测天顶角小于30°的限制条件，同时设置视线几何检验条件为两仪器观测天顶角余弦的比值接近于1，且相差不超过0.05，并充分利用MAI的多角度观测优势，对每一个MAI像元采用最多14个方向的视线几何进行匹配，从而选择最优的视线匹配方向；(4)设置观测目标均匀性检验条件为一个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率的标准差和均值之比小于0.5，对匹配像元进行检验，得到469个匹配的GOME-2像元。(5)将以上GOME-2像元对应的各个波长的反射率按照MAI可见光通道的光谱响应函数进行积分，即可得到MAI各通道对应的GOME-2参考反射率。(6)利用GOME-2像元空间分辨率显著大于MAI分辨率的特征，对每个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率进行平均作为MAI反射率，显著降低了定标结果对观测目标均匀性的依赖程度。(7)将GOME-2参考反射率与MAI反射率进行回归分析，得到定标系数，实现对MAI的在轨交叉定标。为了分析各匹配条件对定标结果的影响，利用单一变量法对像元匹配过程中各检验条件阈值进行调整并开展了分析试验。结果表明，当进一步严格匹配筛选条件时，定标结果不会产生显著变化。基于该方法对MAI三个通道反射率和GOME-2参考反射率进行对比分析，结果表明二者之间存在显著地线性关系，且相关系数均优于0.97，对比差异的均值分别为1.6%，4.2%和2.3%，标准差分别为3.1%，4.1%和2.4%。总体来看，利用在轨交叉定标方法能够实现MAI可见光波段的在轨监测及定标，为MAI数据的定量应用奠定了基础。     

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。     

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。     

Hyperion高光谱遥感器的在轨自动化定标

利用布设在敦煌辐射校正场的自动化观测设备,对Hyperion高光谱遥感器开展定标试验;详细描述自动化定标的原理和方法,明确定标流程;针对高光谱遥感器的特点建立参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配的问题;在2016年10月至2017年4月期间,对Hyperion高光谱遥感器共完成4次有效的自动化定标试验,并将试验结果与Hyperion高光谱遥感器观测的表观辐亮度进行比对验证。结果表明:在420～1044nm光谱范围内,场地自动化定标得到的表观辐亮度与卫星观测的表观辐亮度的相对偏差小于5%,标准方差小于2.3%;场地自动化定标结果与高光谱星上观测结果具有较高的一致性和稳定性。所提方法可以应用于高光谱遥感器的高频次在轨辐射定标。     

宽动态范围红外积分球辐射源的设计与检测

为满足红外遥感器高精度定标和性能测试的要求,设计了一种高均匀性和宽辐射动态范围的红外积分球辐射源。积分球辐射源采用碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,工作波段覆盖3～15μm。利用积分球的空腔辐射理论和黑体辐射理论,提出子母镀金积分球串联的匀光方式,有效提高了红外积分球的均匀性。通过设计程控镀金光阑实现了动态范围的线性调节。建立了温度变化与辐射源辐亮度输出稳定性之间的关系,并确定了子母镀金积分球的温控精度。对红外积分球的特性进行分析与检测,结果表明:红外积分球出光口法线Φ200 mm范围内的面均匀性为98.87%,-15°～15°内竖直方向上的角度均匀性为99.69%,实现了动态范围的近线性可调功能,背景辐射小于同温度的黑体,非稳定性为0.16%,表现出较好的性能。红外积分球定标光源是传统黑体辐射源的有效补充,在红外遥感器的实验室光谱辐射定标中具有潜在的应用价值。     

两位置球面面形检测方法研究

三位置球面面形绝对检测方法在一定的条件下可以简化为两位置球面面形检测方法.本文在研究三位置绝对检测原理的基础上,提出了基于菲索干涉系统新的两位置球面面形检测方法.该方法的简化条件分为参考面面形误差偶对称或被检面面形误差偶对称两种不同的情况.实验结果表明,两位置检测方法可以有效实现PVr值λ/30的高准确度检测,且检测结果PVr值重复性在±λ/300范围内,RMS值重复性在±λ/4 000范围内.采用两位置检测方法得到的面形误差分布结果与三位置绝对检测方法非常接近,PVr值相差小于λ/300,RMS值相差小于λ/2 500.因此在一定条件下,两位置检测方法可以有效简化实验装置和检测步骤,且不失三位置绝对检测方法的准确度和重复性.     

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。     

基于现场可编程门阵列单探测器复合轴控制技术

为了解决空间激光通信系统中单探测器复合轴结构的粗精解耦难题,通过分析二维关联控制矩阵,得出粗精跟踪解耦的必要条件,提出了一种单探测器复合轴结构的工作方式.在跟踪过程中,相机直接配合子轴执行器完成精跟踪工作,而主轴的跟踪信息由子轴的角度偏转器来提供,同时所有的图像处理算法、位置检测算法、以及粗精伺服控制算法都在现场可编程门阵列中实现,完成了系统的轻小型化设计.实验搭建了测试系统,并对现场可编程门阵列硬件和系统跟踪性能进行测试,结果表明单探测器复合控制系统可以实现跟踪准确度优于3μrad,为工程化奠定了良好的基础.