星载大气痕量气体差分吸收光谱仪基于太阳的在轨辐射定标

基于整机双向散射分布函数(Bi-directional scattering distribution function, BSDF),星载大气痕量气体差分吸收光 谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)在轨可完成基于太阳的辐射定标,整机BSDF表征了EMI观测 光路和定标光路辐射特性的关系。观测光路辐射定标已在地面完成,定标光路辐射特性定标在轨基于太阳完成,进而得到了 整机BSDF参数,基于此实现了EMI在轨基于太阳的辐射定标。结果表明在可比光谱范围内, 与TROPOMI(Tropospheric ozone-monitoring instrument) 载荷交叉比对结果的差异在5%~6.5%以内。     

黑体与恒星相结合的短波红外遥感器在轨辐射定标简析

为满足气象水文、天文观测等领域对短波红外遥感器高精度探测需求,近年来对短波红外探测定量化应用的需求越来越高。本文针对高轨面阵短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况,基于面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案,结合某遥感器任务研制过程的具体实际,分析了定标精度主要影响因素及优化措施,包括星上定标方案优化、星上黑体温度控制优化、恒星提取算法优化等。通过实验室测试对在轨辐射定标方法进行了验证,并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估,评估结果表明定标不确定度能够满足应用要求。     

基于可调谐激光器的太阳光谱辐照度仪定标方法

太阳光谱辐照度仪是利用棱镜分光技术对太阳直射辐射进行连续光谱测量的新型仪器,为了实现高精度观测要求,开展了基于可调谐激光器的系统级定标方法研究。使用激光导入积分球产生的均匀辐照度场作为定标光源,利用标准辐照度探测器作为传递标准,将低温绝对辐射计的辐射标准传递到太阳光谱辐照度仪。在仪器的870 nm波段进行了定标实验,与标准灯法、Langley法得到的定标系数进行比对,偏差分别为2.84%和4.08%,验证了该方法的可行性。根据不确定度评估规范,这种定标方法的不确定度优于0.882%,可以用于高精度的太阳光谱辐射观测。     

基于历史数据的HJ-1B/IRS热红外通道定标与分析

为获取2013年HJ-1B/IRS热红外通道(B08)绝对辐射定标系数,以TERRA/MODIS为参考传感器,以青海湖为研究区域,采用双通道差分模型进行交叉定标。对比分析不同观测角度、成像时差对定标精度的影响,结果表明,参考传感器观测角度30以内、成像时差1 h左右交叉定标条件最佳,且回归拟合的定标系数精度最高。通过采用2013年10月26日宁德附近海域星地同步实验数据进行精度验证,结果表明,此定标系数得到的表观辐亮度误差在0.02 Wm-2m-1sr-1以内,表观亮温误差在0.15℃以内。同时,通过与历年辐射定标系数(2008~2012年)进行对比,所得定标系数精度分别提高98.50%、98.24%、90.21%、20.87%和98.31%。总之,此文定标系数精度较高、结果可靠,可应用于IRS B08通道。     

红外相机实时绝对辐射定标技术研究

辐射定标技术是实现定量遥感的关键环节。近年来,随着红外遥测技术愈发成熟,星上红外辐射定标已成为空间定量遥感技术的重要发展方向。文中从红外相机实时绝对辐射定标的背景出发,提出了半光路星上绝对辐射定标和基于多温度场的场地绝对辐射定标方法,结合实验数据,分别采用星上定标、场地定标、交叉定标三种方案进行在轨绝对辐射定标实验验证,并对其适用场景进行了分析。结果表明,通过结合半、全光路定标数据处理和转换技术,利用水面场和陆面场的场地绝对辐射定标方法,优选合适的定标场地,同时在陆面场中增加典型地物场景实现多温度场定标的方法,所提出的辐射定标方法实现了实时高精度绝对辐射定标,定标精度优于1.5 K。     

定标漫反射板实验室系统级BRDF测量方法

星上定标系统是卫星遥感器的重要组成部分,用于实现仪器的星上辐射定标等功能。介绍了安装在某一时间调制型傅里叶变换光谱仪上的星上定标系统,该星上定标系统采用漫反射板太阳辐射定标方法进行仪器在轨全口径、全光路、全视场的星上辐射定标。定标漫反射板在光谱仪光路最前端反射太阳光,通过已知的大气外太阳照度和漫反射板的双向反射分布函数BRDF确立辐亮度标准。定标漫反射板的BRDF需要在实验室进行精确测量。介绍了在光谱仪整机状态下使用太阳模拟器和标准漫反射板进行定标漫反射板实验室系统级BRDF测量的方法,对使用定标漫反射板系统级BRDF进行星上辐射定标时的绝对辐射定标精度进行了分析,绝对辐射定标精度能够满足5%的指标要求。     

空间相机异常响应图像处理方法

空间相机在轨长时间运行,受空间环境影响,相机性能下降,在轨图像中出现黑色条纹,严重影响了成像质量。局部CCD像元响应下降,高能粒子冲击,宇宙尘埃,空间相机本身的附着物等都能引发图像黑色条纹的现象。文章通过对发射前实验室辐射定标数据研究,提出一种基于最小二乘法和辐射亮度反演的在轨图像的校正方法,可以有效地去除黑色条纹。在不同辐照度下,采集所有像元的灰度值,用最小二乘法估计所有像元灰度平均值与辐照度的对应关系,计算出每个像元的校正系数,并研究实验室辐射定标数据,推算出现黑色条纹像元的校正因子,通过图像黑色条纹校正函数矩阵对每个像元的实际灰度值进行校正。校正前黑色条纹像元灰度的偏差超过10%,校正后偏差小于5%。从图像上观察,经过该方法校正的图像,能够有效去除黑色条纹,得到清晰的图像,结果令人满意。     

高分一号卫星PMS 相机多场地宽动态辐射定标

为克服卫星遥感器常规定标方法不足,实现GF-1 卫星PMS 相机高精度在轨定标,提出了多场地宽动态辐射定标方法,分析了新方法的不确定度。首先,介绍宽动态辐射定标原理和试验场区概况,设计开展了GF-1 卫星多场地同步观测试验;接着,基于试验数据和宽动态定标模型,实现了GF-1 卫星PMS 相机的在轨辐射定标;最后,讨论GF-1 卫星PMS 相机多场地定标的不确定度和模型的稳定性。结果表明:GF-1 卫星PMS 相机自发射以来辐射响应特性与实验室定标结果相比发生了一定变化,最大变化量达到了7.72%;PMS 相机多场地辐射定标的综合不确定度为5.35%。所获取的PMS 相机定标系数满足遥感辐亮度产品生产的精度要求,且多场地定标可作为后续高分卫星的在轨定标的方法参考。     

HJ-1B卫星热红外通道在轨场地定标与验证

在对热红外辐射计CE312定标的基础上,基于青海湖水面辐射校正场,采用CE312开展同步测量实验,对HJ-1B卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标。由于HJ-1B卫星在轨星上定标系统不稳定,高温点难以准确获取,因此分别使用单点法和两点法,对2010年8月1日和5日两组传感器入瞳等效辐亮度值和卫星通道计数值回归得到该卫星通道绝对定标系数,并使用内蒙达里湖水面辐射校正场2010年6月29日实测数据进行定标系数的验证工作。验证结果表明,青海湖场地两次定标系数有较好的一致性,定标结果稳定可信。两点法所得定标系数的精度高于单点法。     

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。     

比值辐射计辐射响应特性

比辐射星上定标器以太阳照射的漫反射板为参考光源,通过比值辐射计对漫反射板在轨衰变进行修正,实现光学遥感器的绝对辐射 定标及长期稳定性监测。比值辐射计辐射响应特性是影响在轨定标精度的主要因素之一。对比值辐射计辐射响应特性进行了 评估,获取了绝对响应度,并测量了响应非线性、非稳定性。结果表明绝对辐射响应度定标合成不确定度优于2.88%,非线性 优于0.93%,非稳定性优于0.52%,满足在轨定标应用需求。     

真空远紫外波段铝基漫反射板BRDF特性研究

利用铝基漫反射板可以实现在真空紫外波段对星载光谱仪器的在轨辐射定标,通过大气外太阳辐照度与漫反射板的BRDF特性可以对探测器进行标定,漫反射板在这个过程中起到标准传递的作用。为了研究铝基漫反射板在真空远紫外波段的BDRF特性,通过对光源进行监测和补偿,使用相对测量的方式,减少了探测器响应不线性和光源不稳定性带来的误差。使用BRDF测量设备对漫反射板在110 nm、150 nm和200 nm三个波长下以正入射和30°斜入射的组合进行BRDF测量,实验结果表明,BRDF值与波长、入射角度和天顶角等因素相关,在正入射时,110 nm和150 nm波长的BRDF峰值比200 nm时分别下降26.10 %和11.94 %,斜入射时,110 nm和150 nm波长的BRDF峰值比200 nm时分别下降31.04 %和16.04 %;在正入射和斜入射时,BDRF值均随方位角的增加而减少,但是正入射时漫反板的散射相对比较均匀,斜入射时的镜面反射现象明显;随入射角度的增加,BRDF值随天顶角的增加下降趋势更快。实验结果可以为铝基漫反射板在远紫外波段的BRDF特性提供数据参考,为星上定标提供依据。     

一种红外目标模拟器的大气传输校准方法研究

红外辐射在大气中传输会在大气分子、气溶胶粒子的吸收和散射以及大气自身辐射的影响下发生变化,导致红外辐射测量精度的降低。为消除大气在红外目标模拟器校准中的影响,在基于恒定标准源的宽动态红外辐射测量方法的基础上,提出了一种红外目标模拟器的大气传输校准方法。在水平均匀大气近距离的红外目标模拟器校准中,利用卷积神经网络的数据分析能力建立了不同波段、不同温度、不同距离下的大气透过率和大气程辐射的动态模型,将探测器输出电压作为基于编码器-解码器结构的卷积神经网络的输入,按照训练流程对网络进行训练,在实验环境下预测了大气传输对红外辐射的影响。所建模型能够反映大气透过率和大气程辐射的动态变化规律,并通过红外辐射反演对提出的方法进行了验证。实验结果表明：基于编码器-解码器结构的卷积神经网络算法能够较好地预测大气透过率和大气程辐射,在三个波段下的平均误差为3.078 3%、3.818 6%、5.345 2%,低于传统方法,降低了大气透过率和大气程辐射的影响,从而减小了红外辐射的测量误差,提高了校准精度。     

卫星光学载荷真空定标技术研究进展

为了提高卫星定量化应用水平,需要进一步提高卫星光学载荷的定标精度。当前载荷定标依然以地面定标为主,为了缩小在轨与地面因环境因素引起的定标误差,需要模拟在轨真实环境进行定标试验。针对当前发展迅速的光学载荷真空定标技术,描述了国内外发展现状,阐明了真空定标专业的概念与分类,并结合真空定标技术的应用现状,分析了真空光谱定标和辐射定标的系统组成和技术难点,最后就未来我国真空定标技术的发展提出了建议与展望。     

瞬时光谱辐照度测量与计算

描述了光谱辐照度测量与计算的方法，给出了2002年12月11日合肥辐射校正试验场和2000年9月4日敦煌辐射校正场光谱照度计数据的处理结果。通过这种方法可获得瞬时漫射照度、总照度值、大气光学厚度。     

智能化辐射定标任务规划系统的设计与实现

随着遥感器数量和种类的增加以及对于遥感器的定标精度要求的提高,定标任务加重。高频次定标能够降低定标误差,提高定量化水平。但依托少量定标场地的在轨定标模式已经无法满足业务应用的时效性和功能性需求。针对高频次、高时效、多时相的多场地在轨定标需求,开发了智能化定标任务规划系统。依托国内核心场和国外数字场建立了全球定标场网信息数据库,重点解决了场地特征、卫星及载荷特性、空间和时间上的匹配问题。通过场地及卫星属性数字化,把定标规划需要考虑的复杂因素转化为匹配计算的规则和计算机可识别逻辑。可以实现全球范围内多场地定标任务规划,从而提高定标工作效率,达到高频次定标的目的。     

FY-3B MERSI短波红外波段温度响应与在轨定标分析

风云三号B星(FY-3B)中分辨率光谱成像仪(Medium resolution spectral imager, MERSI)的两个短波红外波段(1.64和2.13 $\mu$m) 采用光伏碲铬汞探测器,由于辐冷问题导致短波红外波段探测器的实际工作温度远高于设计值,影响了其在轨辐射特性。 对处于高温工作状态的FY-3B MERSI短波红外波段的长时间序列在轨辐射特性进行了较为系统的研究分析。采用冷空观测和 遥测温度时间序列数据开展了工作温度对遥感器响应的影响分析,发现短波红外波段的冷空值与探测器温度之间存在正 相关关系。采用线性模型描述仪器响应的温度依赖性,获得了温度校正因子;温度每变化1度, 1.64和2.13 $\mu$m波段冷空观 测值分别变化约0.7\%和5\%。进行温度校正后,冷空观测时间序列的波动显著降低。采用全球多目标定标方法获得了 短波红外波段的在轨辐射响应变化,在参考温度下,2011年11月至2016年12月,1.64和2.13 $\mu$m波段的总衰减分别 约为6\%和11\%。通过与Aqua中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)的 多年交叉比对分析,发现不管是否在定标过程中进行温度校正,采用基于长时间序列趋势建模的日定标更新后MERSI 与MODIS的辐射偏差较为稳定,可以满足7\%的定标指标要求。     

温室气体监测仪星上光谱定标及不确定度分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759~2058 nm波段大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础,在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算,进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响,该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。