中高层大气临边红外辐射的LTE与non-LTE模拟对比

利用战略高空辐亮度代码(Strategic high-altitude radiance code, SHARC) 和通用大气辐射传输代码 (Combined atmospheric radiative transfer, CART) 模拟分析中高层大气临边红外辐射的算法适用范围。 通过模拟结果的对比,初步验证了CART临边模式的有效性。模拟结果表明,在主要的红外波段上,至少45 km以 下的平流层区域内临边红外辐亮度的计算都可以采取局域热力学平衡模式(Local thermodynamics equilibrium, LTE);不同的红外波段在不同的大气条件下,需要采用非局域热力学平衡模式 (Non-local thermodynamics equilibrium, non-LTE)的高度不同,其中15 $\mu$m波段在至少80 km的切点 高度以下都可以使用LTE模式模拟,但是对于CO$_2$ 4.3 $\mu$m带主导的3$\sim$5 $\mu$m波段和O$_3$ 9.6 $\mu$m带 主导的8$\sim$12 $\mu$m波段,在中间层的多数区域内就必须采用non-LTE模式。     

利用南海水面开展我国静止气象卫星红外通道在轨辐射定标

中国遥感卫星辐射校正场以青海湖水面作为遥感卫星红外探测通道外场辐射定标的场地.我国静止气象卫星风云二号(FY-2)系列是自旋稳定卫星,其红外通道无法进行在轨时的星上绝对定标,而青海湖对于位于东经105°赤道上空的FY-2卫星来说,卫星天顶角有36°,超过了外场辐射校正测量规范要求.本文介绍了利用我国南海海面水体辐射,进行与静止气象卫星的同步测量试验,开展卫星红外通道在轨外场辐射定标处理的可行性研究.在分别对FY-2B与FY-2C的测量数据处理后,初步确定我国南海海面可以作为我国静止气象卫星在轨辐射定标的场地.     

红外陷阱探测器的光谱辐射定标技术

遥感信息定量化要求高精度的光谱辐射定标技术支撑,使传感器获取数据可比较性、测量精度和长期稳定性得到保证,溯源于低温绝对辐射计的定标技术是发展趋势.为提高红外绝对光谱响应率定标精度,在一种薄膜热电堆传感器上加装镀金反射半球,研制了红外陷阱探测器作为标准传递探测器.利用电替代技术,测试了红外陷阱探测器光谱响应线性、空间响应均匀性和稳定性.通过溯源于低温绝对辐射计的光谱辐射定标系统,标定了其在1. 1~3. 0μm短波红外波段的绝对光谱响应率,合成不确定度小于1%.将红外陷阱探测器应用于红外光谱辐射定标,可缩短低温绝对辐射计的红外光谱功率标准传递链路并提高定标精度.     

风云三号B星中分辨率光谱成像仪响应衰变分析

搭载于风云三号B星(FY-3B)的中分辨率光谱成像仪(MERSI)安装了由积分球和监视探测器组成的太阳反射通道星上定标器。本文分析了2010年11月 13日至2013年4月11日期间的星上定标数据,评估了FY-3B星上定标器和MERSI的响应衰变情况。结果表明,星上定标器的输出和MERSI的响应均存在衰变,且衰变程度与波长有关。星上定标器除通道1(470nm)年衰变率超过7.0%外,其余通道年衰变率小于5.0%。MERSI 470-565nm等短波通道衰变较大,年衰变率超过10.0%;长波通道衰变较小,年衰变率小于4.0%。     

基于改进伽马曲线的星载长波红外焦平面非均匀性校正算法

随着长波红外探测器技术的进步,通过选用宇航级大阵列长波红外探测器,天基红外遥感卫星技术得到快速发展。长波红外探器响应强非线性导致传统的基于线性模型的非均匀性校正算法校正误差大,从而影响卫星在轨使用效能。针对该问题,结合大量实验室数据和卫星在轨数据的统计分析结果,建立了一种新的长波红外探测器非线性响应模型,据此提出了一种基于改进伽马曲线的非均匀性校正算法,以有效克服探测器响应强非线性对校正精度的影响。该算法首先建立基于改进伽马曲线的探测器非线性响应模型,依据此模型对获取图像进行非线性压缩映射,实现探测器响应的线性化,然后利用星载基于定标技术的线性化算法实施非均匀性校正,同时,定标温度点根据所建立模型参数动态更新,最后通过逆非线性化压缩映射还原出实际的非均匀校正后的图像。基于人造黑体和在轨实景红外图像的实验结果表明,该算法有效解决了探测器响应强非线性对校正精度的影响,校正后图像的视觉效果和定量化指标均优于传统的星载非均匀校正算法。     

非制冷红外焦平面阵列的定标试验研究

为将非制冷红外焦平面阵列(UFPA)应用于地基云红外被动遥感系统,就非制冷红外焦平面阵列的响应特性进行了试验研究.在定标模型理论分析的基础上,提出了一种考虑探测器工作温度效应的适合于非制冷红外焦平面阵列的辐射定标模型,设计了基于标准辐射源的定标方法.试验结果表明,非制冷红外焦平面阵列响应动态范围大、线性度好,探测器工作温度效应可作线性化处理,辐射定标模型反演标准偏差为0.72 w.m-2.sr-1.     

应用于二类水体大气校正的短波红外推扫成像系统设计

为了对近海浑浊的二类水体水色遥感进行大气校正,采用国产800×2短波红外InGaAs探测器、窄带滤光片和透射式像方远心光学系统研制了1.232~1.252mm和1.630~1.654mm双波段短波红外推扫成像系统。该成像系统具备在轨注入工作参数的能力,可灵活调节成像工作模式。经测试,双波段线阵短波红外成像系统的MTF、信噪比以及光谱响应均达到较高性能,有望提供一种有效的二类水体大气校正手段。     

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪和扫描辐射计11μm红外窗区通道的比较

在中国新一代气象卫星风云三号搭载的遥感器中,不同遥感器设有相近的通道.针对扫描辐射计(VIRR)第四通道(波段范围10.3~11.3μm)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)第五通道(中心波长11.25μm),应用精确的逐线辐射传输模式(LBLRTM)模拟计算了红外波段8~14μm大气顶向外出射的光谱辐射率,大气廓线采用ECMWF再分析产生的具有代表性的全球52条大气廓线数据集.结合上述两个通道的光谱响应函数,计算了卫星接收到的大气顶出射辐射,从理论上分析了两个通道观测亮温之间的关系.应用2008年9月青海湖辐射校正场FY-3实际观测数据,检验了两个通道的关系.比较结果表明:LBLRTM模拟计算得到的MERSI和VIRR两个红外窗区通道的亮温有较好的一致性和线性关系,MERSI稍低于VIRR,偏差随温度的升高而线性增加.实际观测数据受诸多因素的影响,通道对比结果与理论模拟有一定的差异,VIRR观测亮温低于MERSI.结合MODIS的观测数据,分别与两个通道的观测结果进行了对比,确认了VIRR可能较低地估计了温度,MERSI与MODIS的符合程度在温度探测的绝对精度范围之内.该研究结果有助于评价MERSI和VIRR两个红外相似通道观测结果的异同性.     

变积分时间的空间红外相机单点绝对辐射定标法

针对星上多点辐射定标获取方法问题,研究了变积分时间的单点绝对辐射定标方法。首先,根据红外相机响应特性建立了变积分时间的红外成像系统响应模型;其次,分析了变积分时间和变辐射亮度相机响应模型的理论差异,提出了利用星上单点标准变积分时间的红外相机绝对辐射定标方法;最后,结合探测器的光谱响应曲线,分析了变积分时间单点定标法引入的系统误差。实例计算表明:在积分时间为10 ms、温度范围为250～500 K的黑体辐射能量下,对应适当温度的单点标准变积分时间绝对定标方法,引入的最大原理误差可达1.5%。变积分时间的单点绝对定标方法避免了黑体多点定标设计和控制的复杂性,可用于空间红外相机的在轨辐射定标。     

风云二号卫星水汽波段在轨辐射定标新方法

将月球作为热发射波段定标参考源,在无需月表发射率和温度信息条件下,通过引入UDER参数,建立了不同热发射波段观测辐亮度间定量关系,并导出了新的波段间交叉定标方法.同时,利用FY-2E卫星多波段月球观测结果,以辐射精度较高的热红外波段为基准,在无星载全光路黑体情况下,初步实现了水汽波段在轨高精度辐射定标,且在200～220 K低温区间内的定标精度平均提高约3.5 K,并显著改善了云分类等定量产品的性能.     

Aqua MODIS Thermal Emissive Band On-Orbit Calibration, Characterization, and Performance

The NASA's Earth Observing System Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) has continued to operate with satisfactory performance since its launch in May 2002, exceeding its nominal six-year design lifetime. Its continuous Earth observations have been used to generate many science data products for studies of the Earth's system. MODIS has 36 spectral bands: 20 reflective solar bands and 16 thermal emissive bands (TEBs). All TEB observations are made at 1-km nadir spatial resolution with spectral wavelengths from 3.7 to 14.4 $mu hbox{m}$. Primary applications of MODIS TEB include surface, cloud, and atmospheric temperatures, water vapor, and cloud top altitude. MODIS TEB on-orbit calibration uses a quadratic algorithm with its calibration coefficients derived using an onboard blackbody (BB). This paper will present Aqua MODIS TEB on-orbit calibration, characterization, and performance over its six-year mission. Examples of instrument thermal behavior, BB temperature stability, detector short-term stability, and changes in long-term response (or system gain) will be presented. Comparisons will also be made with Terra MODIS, launched in December 1999. On-orbit results show that Aqua MODIS and its focal plane temperatures have behaved normally. BB temperature has remained extremely stable with typical scan-to-scan variations of less than $pm$0.15 mK. Most TEB detectors continue to exceed their specified signal-to-noise ratio requirements, exhibiting excellent short-term stability and calibration accuracy. Excluding a few noisy detectors, either identified prelaunch or occurring postlaunch, on-orbit changes in TEB responses have been less than 0.5% on an annual basis. By comparison, the overall Aqua TEB performance has been better than that of Terra MODIS.      

利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标

介绍利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道进行在轨绝对辐射定标的方法,并选择了2006年10个时次的卫星数据进行辐射定标试验.将利用这种方法获得的定标结果与FY-2C卫星数据产品中提供的定标查找表进行比较分析,结果表明两套不同的定标系数反演的大气层顶(TOA)亮度温度的主要差别集中在云顶、冰雪覆盖区域等低温像元;而在常温区的陆表和海表像元定标结果差别较小,反演的TOA亮温差在2K左右.提出的替代定标方法可以极大地提高定标频次,为实现FY-2C红外分裂窗通道的实时绝对辐射定标提供了重要的方法基础.     

风云三号MERSI数据提取北冰洋海冰信息方法研究

海冰是制约北冰洋航路开发最为重要的因素之一,FY-3卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI)扫描范围大,一天之内可获得5次以上极地同一地区观测数据,有利于北冰洋海冰状况的动态监测。以格陵兰岛附近海域为研究区域,利用2011年6月13日MERSI多波段数据,经过辐射定标、投影定位等预处理后,以两波段比值和归一化差分积雪指数(NDSI)作为判别指标,采用最大类间方差阈值法对指标图像进行分割,实现海冰、海水和云的区分,准确获取格陵兰岛附近海冰分布信息。该研究可为国产卫星数据在北冰洋航路选择和航运安全保障方面的应用提供技术支持。     

Terra MODIS on-orbit spatial characterization and performance

The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Proto-Flight Model, onboard the National Aeronautics and Space Administration's Earth Observing System Terra spacecraft, has been in operation for over four years. It has 36 spectral bands and a total of 490 detectors located on four focal plane assemblies (FPAs). MODIS makes observations at three spatial resolutions (nadir): 0.25 km (bands 1-2), 0.5 km (bands 3-7), and 1 km (bands 8-36). The instrument's spatial characterization was measured prelaunch using an integration and alignment collimator. Parameters measured included the detectors' instantaneous field-of-view (IFOV), band-to-band registration (BBR), and line spread function in both the along-scan and along-track directions. On-orbit, the spatial characterization is periodically measured using the onboard spectro-radiometric calibration assembly (SRCA). This paper describes the SRCA BBR algorithms, characterization methodologies, and on-orbit results. A Fourier approach used to calculate the along-track BBR is also described. This approach enhances the algorithm's robustness in comparison with the conventional centroid approach. On-orbit results show that the Terra MODIS focal planes shifted slightly during launch and initial on-orbit operation. Since then they have been very stable. The BBR is within 0.16 km (nadir IFOV) in the along-scan direction and 0.23 km (nadir IFOV) in the along-track direction among all bands. The small but noticeable periodic variation of the on-orbit BBR can be attributed to the annual cycling of instrument temperature due to Sun-Earth distance variation. The visible FPA position has the largest temperature dependence among all FPAs, 17 m/K along-scan and 0.6 m/K along-track.     

FY-3A中分辨率光谱成像仪红外通道辐射定标的场地评估

对比分析了基于场地观测数据模拟的和FY-3A 中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道星上定标观测卫星入瞳亮温值。主要的场地观测数据来自于2008、2009年青海湖以及2010年敦煌外场同步观测和2008、2009年青海湖浮标观测。利用光学仪器的同步观测数据共有7组有效结果,两年的青海湖有效浮标数据一共18组。通过对比分析发现,MERSI观测结果基本都在夜间低于浮标同步观测结果,而白天偏高。综合与场地同步和浮标的对比结果发现,MERSI星上定标观测亮温值系统性偏高于基于场地观测数据模拟的亮温值,平均偏高1.721.18 K。MERSI星上定标观测亮温值的系统性偏高可能主要由星上黑体发射率未经过修正引起。     

基于非均匀同区域线性CCD成像的卫星姿态调整与非线性定标方法

提出了对非均匀场景同一区域成像的卫星姿态调整及基于直方图匹配的线阵CCD非线性相对辐射定标方法.当在轨卫星需要执行相对辐射定标任务时,首先计算初始偏流角并调整卫星偏航角进入在轨定标成像模式;然后在定标成像过程中控制卫星偏航角,使得线阵CCD阵列的所有像元能够依次对同一区域成像;最后基于直方图匹配方法建立高精度非线性相对辐射定标模型.仿真实验给出了不同姿态对应的定标成像情况下的偏航角调整大小与调整周期,并分析了引起偏流角误差的因素及其对偏流角的不确定性.该方法既不需要地面均匀定标场等,也不需要统计分析大量在轨图像数据;且每一轨都可以执行定标任务,避免了卫星不同轨数据之间的不稳定性所带来的定标源自身不可靠问题.     

利用MODIS对FY-2E/VISSR红外窗区和水汽通道的交叉绝对辐射定标

介绍了利用高精度的TERRA/MODIS观测资料对FY-2E红外窗区和水汽吸收通道进行绝对交叉定标的方法,并选用2010年5、7和12三个月的卫星数据进行了交叉定标计算.结果表明,交叉定标系数计算亮温与MODIS匹配点处实测结果非常接近,约90％的亮温偏差小于1K,其中高温区结果更稳定,偏差小于低温区,这主要是由于低温区杂散光影响显著造成的.总的说来,借助TERRA/MODIS可以实现对FY-2E/VISSR的高频次高精度的绝对定标,为FY-2E在轨替代定标提供重要的方法基础.