FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道采取40探元跨轨并行扫描方式,针对其辐射定标要比传统单元探测器的辐射定标复杂的问题,研究了MERSI红外通道的多探元辐射定标方法。首先,基于星上黑体观测进行逐探元的辐射定标处理,消除探元辐射响应差异条纹;然后,利用各探元与基准探元光谱响应对不同温度黑体光谱辐亮度建立比值关系,基于其随着辐亮度呈非线性变化的关系,对逐探元定标后图像进行探元光谱差异的辐亮度归一化补偿,从辐射机理上最大限度地消除图像条纹,实现了多探元观测目标辐射信号的光谱响应差异归一化。为了验证MERSI红外通道辐射定标精度,文中还利用同时过星下点观测(SNO)交叉定标方法,将MERSI定标结果与美国Terra中分辨率成像光谱仪(MODIS)定标结果进行比对,结果显示,相对于后者,MERSI的红外通道亮温高1K左右,认为这可能与两者的通道带宽不同有关。     

大视场多光谱空间相机在轨自动相对辐射校正研究

大视场多光谱空间遥感相机获取的图像直接合成彩色图像后存在严重的色带,且不同片探测器获取的图像存在较大的颜色偏差.随着分辨率、视场角和光谱谱段数量的增加,在地面进行相对辐射校正时数据处理量大且耗时长.提出了一种大视场多光谱遥感相机的在轨自动相对辐射校正方法,通过最小二乘法拟合得到绝对辐射定标系数,计算得到能够消除片间颜色偏差的相对辐射校正系数.在成像控制FPGA中原始图像和从BLOCK RAM中读取的校正系数,依次经过13 b有符号加法器、17 b无符号乘法器和四舍五入模块,自动完成每个像元图像数据的实时相对辐射校正.实验室均匀辐射背景成像实验和仿真结果表明,自动相对辐射校正的结果和在地面进行相对辐射校正的结果一致,校正误差在0.5个DN(digital number)值以内,校正后的图像滞后原始图像6个系统时钟,可以满足实时性要求.在轨成像实验结果表明,经过自动相对辐射校正后直接合成的彩色图像去除了色带和片间色差,使得对感兴趣目标分辨和识别更加快速及时.     

碳卫星CO_2探测仪发射前的漫反射板定标

为了提高CO_2探测仪的在轨辐射定标精度,建立了在轨辐射校正原理,并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO_2探测仪的工作原理与系统组成,介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略,确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数,制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试,对其实验室定标精度进行了分析,并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明,漫反射板在760nm、1 610nm和2 060nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO_2探测仪1 610nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO_2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。     

天问一号高分辨率相机成像参数设置及定标测试

为了使天问一号有效载荷高分辨率相机在轨工作期间获取到高质量图像,对高分辨率相机成像参数的设置进行说明.结合实验室定标测试结果,给出了相机在轨工作默认参数以及不同地面反射率和不同太阳高度角下的成像参数.首先,根据大气辐射传输模型计算出各谱段在相机入瞳处的辐亮度.接着,利用光电转换模型计算出CCD探测器信号输出电荷值.然后...     

复杂场景机械交错拼接遥感相机在轨相对定标

为了实现机械交错拼接型(TDICCD)遥感相机高频次、高精度相对辐射定标,本文提出一种面向复杂场景的在轨非均匀性校正方法。该方法在相机绕偏航轴旋转前后进行正交二次成像,利用所获取的偏航成像数据、常规成像数据分别对阵列内、阵列间探元进行相对定标;结合复杂场景宽辐射动态范围的特点,利用多点曲线拟合的方法实现相对定标参数解算,最终达到非均匀性校正的目的。利用仿真成像数据对均匀场景以及复杂场景进行相对辐射定标试验,结果表明,在非均匀场景中经复杂场景正交二次成像定标(OSICCS)后图像非均匀性NU系数相较于常用方法定标后图像非均匀性NU系数降低了0.499 1%以上,条纹条带噪声以及残余条带噪声得到有效去除。     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。     

基于等效成像模型的立体测绘相机成像信噪比分析

为了评价立体测绘相机的成像质量和辐射性能,对相机成像信噪比特性进行了研究.通过对成像电路信号转换过程及各种噪声影响进行分析,建立了相机成像电路等效成像模型;根据立体测绘相机成像电路的工作状态对成像电路的输出信号、增益及各种噪声进行分析;利用相机的工程参数对立体测绘相机成像信噪比进行了分析计算;并对立体测绘相机进行实验室辐射定标测试.计算结果表明相机在4.33 W·m-2·sr-1、12.47 W·m-2·sr-1和40.41 W·m-2·sr-1这3种辐亮度条件下相机成像信噪比分别达到68倍、134倍和245倍.计算结果与实验结果最大相差4.4％,小于实验室绝对辐射定标精度7％.分析结果表明成像电路等效输出模型和成像信噪比计算方法是完全正确的,可以应用于立体测绘相机成像质量评价.     

太阳漫反射板衰减监测辐射计的设计及性能评估

论述了太阳漫射板星上定标原理,研究了太阳漫射板衰减监测方法。针对星上太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)的衰变,设计了以太阳为参照,通过与星上漫反射板反射辐射量比对测量实现监测功能的多波段星上漫反射板衰减监测辐射计(SDDM)。介绍了星上定标与漫射板监测的关系,设计了SDDM积分球两开口入光+挡板的光机结构,消除了入射光角度变化与探测器响应的相关性。根据光机结构设置的监测过程,给出了SDDM的监测物理模型,并对SDDM滤光片探测器动态范围设置及信噪比进行了验证和分析。在实验室模拟了太阳照射SDDM太阳观测端口的角度变化,对其透过率模型进行了多次重复测量,结合漫射板相对双向反射比因子(BRF)测量不确定度、卫星姿态及漫射板安装误差进行分析,得到SDDM测量的漫射板监测不确定度优于0.88%。     

高分一号卫星宽视场成像仪的高频次辐射定标

为实现高分一号卫星宽视场成像仪的实时辐射定标,准确获取成像仪在轨暗电流噪声引起的偏移量信息,提出了高频次辐射定标方法,并分析了方法的可靠性和测算精度。介绍了卫星遥感器在轨辐射定标原理。以敦煌辐射校正场为实验区,利用该场地历史光谱数据和实时气象观测数据确定了高频次定标的数据基准。基于成像仪夜间大面积海洋场景数据测算了偏移量信息,即在无辐射能量输入的条件下,测算成像仪自身暗电流噪声引起的输出数值。然后,利用地面参考基准数据和偏移量信息,实现了高分一号卫星宽视场成像仪的在轨定标。最后,分析和检验了高频次定标方法的不确定性和定标结果的可靠性。结果表明:高分一号卫星宽视场成像仪高频次定标的不确定度小于5.3%;基于该定标结果获取的辐亮度产品与基于官方定标结果获取的辐亮度总体相对偏差小于5.6%;基于夜间海洋场景计算的定标截距(即偏移量)更接近于理论设计值。该方法可用于高分一号卫星宽视场成像仪的在轨定标和暗电流噪声定期检测。     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪数据预处理及验证

开发了提取FY-3A紫外臭氧垂直探测仪遥感数据并进行处理的星上数据预处理软件。预处理包括引入仪器光谱响应度地面辐射定标数据,进行角度响应修正、非线性修正、换档比及漫反板衰减修正等。介绍了软件修正功能的原理,结合紫外臭氧垂直探测仪的在轨测量模式建立了相应数据修正算法和模型,并将修正算法和模型转化为功能丰富的星上数据预处理软件。使用该软件得到了在轨测试的太阳紫外光谱预处理数据,并以此为例给出了验证结果。分析比对表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪的全部软件功能均已得到实现,所测太阳紫外光谱与国外仪器数据比对其一致性达到±5%以内,验证了数据预处理软件的正确性。     

基于多光源的光谱分布可调谐光源系统

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响,设计了一种基于发光二极管（LED）和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱,用于遥感器的实验室绝对辐射定标,大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先,从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理;然后,根据设计指标确定了光源的设计方案,解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题;最后,对光源进行了性能测试。测试结果显示：等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%,出光口的辐照度非均匀度为0.53%,30 min内的辐照度不稳定度为0.03%,水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%,各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/（m²·sr·nm）,410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/（m²·sr）,均满足设计指标。     

大面阵彩色CCD航测相机的辐射定标

以大面阵彩色CCD航测相机为研究对象,分析其成像过程,提出了影响相机辐射响应特性的各个因素,并以此为基础,建立了辐射响应特性模型.分别在暗场和使用积分球的条件下进行了辐射响应标定实验,通过组合更改输入辐亮度、曝光时间和CCD增益等因素对相机的辐射响应特性进行测量和分析.结果表明,相机R、G、B颜色通道随输入辐亮度变化的辐射响应特性并不相同,但在工作谱段范围内均呈线性变化趋势.采用最小二乘法对辐射标定数据进行拟合,一次多项式拟合结果的决定系数R2值均可达到0.999以上.当输入辐亮度不变时,相机输出图像灰度值随曝光时间或CCD增益的变化星线性变化趋势,从而为其它工作条件下辐射响应特性曲线的推演奠定了理论基础.将相机辐射响应标定结果应用于相机调光功能,成像结果表明,获得的图像亮度适中,图像平均灰度值满足调光要求.     

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。     

复合面阵CCD摄影相机的实验室辐射定标

为消除复合面阵CCD摄影相机全像面辐射定标时存在的严重渐晕现象和解决多片CCD之间相对定标目标值选取困难的问题,提出了一种适用于多片CCD的实验室辐射定标方法。该方法对每个像素进行暗信号标定后,修正渐晕区的像素灰度值,通过选取合适的全像面相对定标目标灰度值,最终实现对复合面阵CCD摄影相机的辐射定标。通过分析渐晕区的灰度分布特征,提出了适用于所有曝光时间和辐亮度下的灰度修正方法。分别计算每片CCD灰度值与输入辐亮度之间的多项式拟合系数,选取全局拟合误差最小的一组系数计算对应辐亮度下相对定标目标的灰度值。通过本方法辐射定标后,复合面阵CCD摄影相机的全像面非均匀性由大于20%降至优于2%,绝对定标精度为4.23%。该结果表明本文提出的辐射定标方法适用于多片面阵CCD的辐射定标,定标精度满足航空相机的辐射定标需求。     

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。     

自校准型光谱辐亮度标准光源

针对高精度空间光学定量遥感的需求,研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式:在窄带工作模式下,由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准;在宽带工作模式下,作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标,测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源,采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示:基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09%和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明,该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。     

极紫外波段空间相机的辐射定标

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置,本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度;然后,用待定标相机中心视场对该小目标成像,获得中心视场部分的辐射强度响应度;最后,通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像,得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜,能够出射工作波段的准直光束;标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度;运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像,测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验,并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%,能够实现整机状态下的辐射定标。