星上红外遥感相机的辐射定标技术发展综述

随着对天基对地以及临近空间目标探测的需求增大,高性能红外相机探测及海量数据定量化迫切需要高可靠性、高精度的辐射定标技术,因此,星上辐射定标装置已成为当前空间定量遥感技术发展的重要方向。在轨红外遥感相机的辐射定标主要校正探测器响应的不均匀性（相对辐射定标）和建立遥感相机输出信号与输入辐射量的函数关系（绝对辐射定标）。在介绍红外相机星上辐射定标基本原理的基础上,综述近年来几个国内外典型星上辐射定标装置及其特点,并介绍笔者所在课题组近年来基于内部定标源+天空星图的红外相机高动态范围（HDR）相对辐射定标方法的研究进展。论文对于红外辐射定标技术及星上辐射定标装置的发展具有参考意义。     

FY-2B热红外通道星上实时绝对辐射定标

选取了2002年6月24日到8月30日00、06、12、18（世界时）的FY-2B卫星云图,获取这段时间青海湖晴空时的图像共34次,并获取其卫星计数值。利用青海湖自动浮标系统测得的水表温度和NCEP再分析资料的大气廓线,利用MODTRAN3.7计算大气层顶辐亮度和亮温,获得FY-2B热红外通道绝对辐射定标系数,从而计算等效黑体温度。同时获取对应时刻的星上黑体温度、计数值以及星上环境温度。据此建立等效黑体温度和星上黑体温度的转换关系,实现静止气象卫星热红外通道星上实时绝对辐射定标。     

空间相机星上辐射定标技术的研究

空间相机在轨运行之后,由于环境的变化和时间的推移,空间相机的响应性能必然会发生衰减。为了提高卫星下传数据的辐射反演精度,必须对它的星上响应性能进行实时跟踪和监测。为此,必须对空间相机进行星上辐射定标。本文对空间相机的星上辐射定标技术进行了介绍,另外还介绍了国内外最新的推扫式空间相机和它们采用的星上辐射定标技术。     

MODIS的HJ-1B红外通道星上定标系数交叉验证

HJ-1B卫星自发射以红外通道共进行了7次星上黑体定标,针对星上定标系数的验证工作开展较少,以MODIS第31、32通道为参考源,分别基于光谱响应差异和线性统计关系两种方法对HJ-1B红外通道星上定标系数进行验证.首先,计算两个传感器表观辐亮度的匹配关系,进而计算出HJ-1B红外通道的等效离表亮温,通过与HJ-1B红外通道基于星上定标系数反演得到的离表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证.通过半高宽法、矩方法和查找表法这三种不同的方法计算得到了2009年9月14日星上定标系数.结果表明:三种方法中,查找表法精度较高, 且HJ-1B查找表法星上定标系数反演亮温与基于光谱响应差异和线性统计关系计算的等效亮温偏差较小,分别为0.02 K和0.81 K.这两种交叉验证方法的精度均在1 K以内,证明了该方法的可行性,且基于光谱响应差异的验证方法精度更高.该研究为光学载荷在轨辐射定标的验证提供了理论基础.     

利用频率变换技术实现红外辐射定标研究

提出一种新的基于参量变换技术的高精度红外辐射定标方法,利用泵浦激光和红外信号光在非线性晶体中发生参量放大作用,通过相位匹配技术将红外辐射信号转移到可见光波段进行测量,这种定标方法本身具有绝对性,因而具有更高的定标精度.以黑体作为红外辐射模型,从理论上推导出参量变换技术运用于红外遥感定标的可行性.这种新型的辐射定标方法,将在未来的通信、夜视以及遥感定标领域获得新的应用.     

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。     

目标红外辐射特性测量定标方法研究

阐述了定标工作在目标红外辐射特性测量中的重要作用。分别就调焦类成像设备和非调焦类成像设备的定标方法进行了理论分析,针对不同定标方法的优缺点进行了说明,定标时通常采用0米定标,方便且可同时进行所有像元定标。对目标特性测量时定标温度的选择作了分析,得出结论:定标间隔不变时,定标误差随定标温度呈"W"型规律变化,当定标温度分布于测量温度两侧时,误差有限,因此定标温度通常选择在目标等效黑体温度两侧,且定标温度间隔越小辐射特性测量精度越高。     

绝对辐射定标与相对辐射定标的关系研究

通过对辐射定标过程的全面分析,指出了绝对辐射定标和相对辐射定标之间的不确定性传递关系。其中,相 对辐射定标方法选取多点辐射定标,绝对定标方法选取“标准灯--漫反板--积分球”的 定标流程。以这组相对、绝对辐射定标链路为模型,给出了该辐射定标链路的综合不确定性的表达式,并分析了该表达式中由 相对辐射定标所带来的不确定性分量的来源和意义。最后计算出了在目前器件水平下可达到的辐射定标不确定性数值,从而为实 验室辐射定标精度要求提供了理论依据。     

甚高分辨率扫描辐射计的红外辐射定标

介绍了扫描辐射计地面红外辐射定标的原理,定标设备,定标的精度与测量的结果。     

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。     

Landsat-5 TM reflective-band absolute radiometric calibration

The Landsat-5 Thematic Mapper (TM) sensor provides the longest running continuous dataset of moderate spatial resolution remote sensing imagery, dating back to its launch in March 1984. Historically, the radiometric calibration procedure for this imagery used the instrument's response to the Internal Calibrator (IC) on a scene-by-scene basis to determine the gain and offset of each detector. Due to observed degradations in the IC, a new procedure was implemented for U.S.-processed data in May 2003. This new calibration procedure is based on a lifetime radiometric calibration model for the instrument's reflective bands (1-5 and 7) and is derived, in part, from the IC response without the related degradation effects and is tied to the cross calibration with the Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus. Reflective-band absolute radiometric accuracy of the instrument tends to be on the order of 7% to 10%, based on a variety of calibration methods.     

基于U形边框黑体光阑的红外成像动态辐射定标与校正技术

针对传统的辐射定标与校正方法存在的问题,研究提出了一种基于U形边框黑体视场光阑的红外成像辐射定标与校正技术。该技术可在不遮挡中心视场的情况下完成动态非均匀校正,因为边框黑体的温度是可控的,所以在非均匀校正的基础上可以进行红外成像系统的动态辐射定标,以修正热成像系统出厂辐射定标的漂移。算法执行时,将边框黑体视场光阑分别在高、低温下伸入视场,与原始辐射定标数据进行对比,计算出辐射定标的修正参数,修正补偿原始辐射定标查找表,减小动态辐射定标器的体积和质量,并避免辐射标定时对成像视场的遮挡。设计并搭建了基于U形边框黑体光阑的实验平台,该平台上的成像实验表明:校正效果明显,辐射定标修正后的测温误差小于0.5 K。     

基于HALCON的四目摄像机标定技术

针对立体视觉中常用的双目摄像机不能覆盖整个目标视野或立体匹配中误差较大而需采用多个摄像机的情况,基于机器视觉软件HALCON提出了一种四目相机的标定方法,对立体视觉标定原理进行了分析。利用HALCON丰富的算子进行了标定实验,实验证明通过刚性转换可以获得任意相机间的位姿关系,并说明了标定方法的正确性与可行性。     

考虑积分时间变量的红外系统辐射响应定标

辐射定标是红外系统辐射特性测量的基础。文中采用间接扩展源法对红外系统进行定标,分析了红外焦平面阵列探测元的响应模型以及响应特性与目标黑体辐射、积分时间的关系。提出了采用最小二乘法拟合得到红外焦平面像元响应灰度值对辐射量和积分时间的响应函数的定标算法。通过分析不同环境温度下的响应函数,进一步验证了其有效性。该方法可简化定标过程,节省定标时间。定标方程不仅可用于定量分析辐射定标的影响因素,而且有利于动态范围较大时的辐射测量。     

Landsat-7 ETM+ on-orbit reflective-band radiometric stability and absolute calibration

Launched in April 1999, the Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) instrument is in its sixth year of operation. The ETM+ instrument has been the most stable of any of the Landsat instruments. To date, the best onboard calibration source for the reflective bands has been the Full Aperture Solar Calibrator, a solar-diffuser-based system, which has indicated changes of between 1% to 2% per year in the ETM+ gain for bands 1-4 and 8 and less than 0.5%/year for bands 5 and 7. However, most of this change is believed to be caused by changes in the solar diffuser panel, as opposed to a change in the instrument's gain. This belief is based partially on vicarious calibrations and observations of "invariant sites", hyperarid sites of the Sahara and Arabia. Weighted average slopes determined from these datasets suggest changes of 0.0% to 0.4% per year for bands 1-4 and 8 and 0.4% to 0.5% per year for bands 5 and 7. Absolute calibration of the reflective bands of the ETM+ is consistent with vicarious observations and other sensors generally at the 5% level, though there appear to be some systematic differences.     

应用U形边框黑体光阑的三点辐射定标校正方法及其分析

红外焦平面探测器阵列由于探测器工艺、环境冲击和长时间工作等因素将引起探测器响应的漂移,很大程度影响了热成像系统的成像质量。对于红外测温热像仪来说,会大大降低其出厂定标的准确性。针对红外辐射定标,考虑到探测器响应的非线性,在前期搭建的基于U形边框黑体视场光阑的红外成像系统基础上,研究了基于U形边框黑体光阑的三点定标修正方法,并与两点辐射定标方法进行了比较。实际定标测试实验结果表明:在25~65 ℃范围内,三点定标修正后的最大绝对误差和平均误差分别为0.126 6 K和-0.048 8 K,较原始定标的结果有明显的精度提升,说明三点定标修正方法算法有效,但三点定标修正与两点定标修正的结果相差不大。因此,一般情况下两点辐射定标修正方法足以适应辐射定标应用。     

宽动态范围红外辐射测量系统快速定标算法

红外辐射测量系统的宽动态范围定标通常是在多个温度点下,设置多个积分时间并适当加入衰减片的方式实现的。其不仅效率低、耗时长、成本高且影响整个红外辐射测量系统实时性和机动性。对此,在考虑积分时间的定标模型基础上,提出宽动态范围快速定标方法。只需调节一次积分时间和一次温度即得到宽动态范围任意积分时间的定标方程。利用400 mm红外辐射测量系统对快速定标方法的定标精度、测量精度进行验证。实验结果表明:快速定标方法与直接定标结果之间最大误差为2.75%,该方法外场测量时最大辐射测量误差为11.69%,相比传统辐射测量最大误差不超过1.52%。说明快速定标方法能有效地保证系统辐射定标精度,提高辐射测量系统的定标效率,缩短定标时间,实现对系统宽动态范围任意积分时间的定标。整个辐射测量过程实时性好,操作简单、易实现且可靠性高,适应针对外场条件下红外辐射特性测量系统的要求,外场测量结果也说明快速定标可以直接应用于靶场目标的红外辐射测量任务中。