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.     

FY-2E卫星杂散光评价与分析

通过FY-2E卫星可见光通道、红外1、红外2、红外3、红外4通道的杂散光评价,并且和FY-2D卫星发射初期的各通道杂散光评价对比,得到了FY-2E卫星可见光通道杂散光能量和FY-2D卫星可见光通道杂散光能量基本持平、其中A机通道性能略有提高,红外1、红外2、红外3、红外4各通道的杂散光绝对能量相比FY-2D卫星各红外通道杂散光绝对能量下降约30%～40%、其中红外2通道信杂比明显提高的结论;分析发现,是FY-2E卫星光路系统中的里奥光栏在降低杂散光方面发挥了巨大的作用.     

FY-4A多通道扫描辐射成像仪评价与图像合成

风云四号卫星发射后,开展了卫星在轨评价工作.采用刃边法对太阳反射通道进行在轨MTF评价,结果表明,多通道扫描辐射成像仪各反射通道在轨MTF分别达到了0.14、0.17和0.22以上,符合仪器指标要求;利用面源黑体对红外通道噪声进行评价,结果表明多通道扫描辐射成像仪性能稳定,噪声大小只与辐冷温度有关,目标温度300 K时主要红外通道噪声优于0.2 K,最优通道达到了0.06 K;为准确检验红外定标精度,采用GSICS方法对红外通道业务定标结果进行检验,GSICS检验显示定标精度优于1 K,最优通道达到了0.3 K@290 K.为充分发挥多通道扫描辐射成像仪多通道联合应用效能,根据多通道扫描辐射成像仪反射通道的响应特点,在没有符合人眼红绿蓝响应通道的情况下,提出了新的真彩色图像合成方法,生成了符合人眼效果的真彩色明显.     

FY-4辐射计红外图像的仿真技术方法研究

研究了FY-4辐射计红外图像的仿真技术方法.考虑地表经纬度、海拔高度、地表区域类型、大气辐射传输等因素的影响,建立了地表区域温度模型和红外辐射亮度模型,计算得到FY-4辐射计接收的地球表面红外辐射亮度分布;研究辐射计成像中几何畸变的空间响应特性,建立空间转换模型,模拟生成了符合FY-4辐射计空间分辨率指标的红外视场图像.结果表明,仿真生成的红外图像效果逼真,可用于FY-4辐射计技术指标的验证和成像效果的评价.     

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。     

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.     

采用热像系统MTF(调制传递函数)建立虚拟热像仪的研究

热像仪作为一种成像系统,其功能是将接收到的二维空间分布的景物红外辐射转换成可视图像再现景物的红外图像.利用光学傅立叶分析的方法可以把热成像系统看作线性滤波器,并建立热成像系统的静态性能模型.利用热成像系统静态性能参数MTF(调制传递函数)的实验室测试数据作为幅频特性,用设计数字滤波器的频率样本法构造仿真热像仪MTF的二维图像滤波器,以此为基础可以建立用计算机仿真热像仪空间分辨特性的模拟环境.     

青海湖地区NCEP资料对风云二号C星热红外通道绝对辐射定标影响研究

为了分析大气廓线中温度和相对湿度变化对风云二号C星(FY-2C)热红外通道定标的影响,分别利用2005年6月25日青海湖场地定标试验的实际探空数据和对应时刻NCEP(美国国家环境预报中心)全球再分析大气廓线资料(简称NCEP资料)对FY-2C热红外通道进行定标计算,两种方法定标结果一致.利用2003年8月的14次青海湖实际探空数据和对应时刻的NCEP资料进行FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的对比计算,利用辐射传输计算软件(MODTRAN 3.7)进行大气廓线对FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的敏感性试验.计算结果表明对于青海湖地区,NCEP资料可用于FY-2C热红外通道的辐射定标计算.     

红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究

针对红外预警卫星探测波段遥感数据难以获取的问题,研究了基于地表温度反演的红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真方法。采用了通用型单通道算法对FY-3/MERSI数据集进行地表温度反演,得到了全球地表温度分布图。在此基础上,构建了地表红外辐射模型,充分考虑了海拔、大气模式、地表类型等因素对地表辐射的影响,利用MATLAB与MODTRAN进行联合编程完成每个像元对应的地表辐射计算,实现了红外预警卫星探测波段地球背景辐射场景的图像生成。仿真结果表明:仿真图像分辨率高,能够准确反映红外预警卫星探测波段的地球背景辐射特性,可为研究红外预警卫星作战效能评估和目标识别技术提供场景数据支撑。     

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.     

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。     

像素有效形状对微扫描红外超分辨成像的影响

超分辨成像是基于过采样来降低频率混叠、提高图像分辨率的技术,而像素有效形状是超分辨相关研究的重要对象。基于实际的红外焦平面阵型提出了Z形有效形状模型,并分析了常用的方形模型和Z形模型分别得到调制传递函数(MTF)的差别。还提出了形状边界到中心点的差值越小,其得到的MTF 越大的假设,通过对不同形状模型的MTF 推导分析和数值模拟,其结果证实了这一假设。数值模拟结果还表明圆形模型具有最大的MTF 值。上述结论对未来的红外焦平面阵型设计与生产具有参考意义。     

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。     

地球同步轨道二维扫描红外成像技术

相对第一代地球同步轨道遥感卫星基于自旋稳定卫星平台的二维成像技术,基于三轴稳定平台成像技术的最大优势在于大幅度提高成像效率、缩短成像周期和多载荷并举。我国基于三轴稳定平台的第二代地球同步轨道气象卫星扫描成像辐射计,采用双扫描镜结合三反射光学系统、辐射制冷器及线列阵探测器,实现了从可见光至甚长波红外波段的成像。面对扫描成像辐射计的恶劣温度环境、极端指向精度、超长运动手寿命等任务要求组合,研制过程中采用了空间光学、精密机械、长寿命运动、电机控制、空间热控、信息处理等综合技术,使仪器实现了恶劣温度环境下的高精度成像。卫星计划于2016年发射,届时将进一步提高我国预报短时天气及突发性灾害的能力。     

高分辨光学卫星传感器在轨MTF检测

调制传递函数（MTF）是光学卫星传感器像质评价的重要参数,在轨MTF检测关系到高分辨卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展。目前主要有刃边法、脉冲法、点源法、周期靶标法等多种在轨MTF检测方法,这些方法各有特点,均取得一定的在轨检测成效。通过对常用的在轨MTF检测方法的论述,对比分析了不同方法的适用范围、参照目标布设、数据处理及应用效果等,以期提高不同空间分辨率的光学卫星传感器在轨MTF检测精度。     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。     

机械补偿式红外温度自适应光机系统的设计

总结了红外温度自适应光学系统的实现方式,理论分析了机械补偿法的设计过程,研制了一种机械补偿式红外温度自适应光机系统。其光学指标焦距f=50 mm,相对孔径1/1.2,适配长波非制冷红外焦平面探测器,其像素为640×480,像元大小17 m,工作温度:―40℃～+80℃。设计结果表明,各个温度参考点各个参考视场的弥散斑半径均小于系统艾里斑,并且像面照度均匀。在空间频率20 lp/mm处,光学系统的调制传递函数接近衍射极限。利用机械补偿方式实现了系统各项技术指标。