风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10~(-6)左右的偏差可订正到0.5×10~(-6)(1和2探元)和7×10~(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10~(-6)左右的偏差可分别订正到6×10~(-6)(1和3探元)、8×10~(-6)(2探元)和13×10~(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10~(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10~(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。     

基于多种亮度稳定目标的FY-3C/中分辨率光谱成像仪的反射太阳波段辐射定标

分析研究了风云-3C中分辨率光谱成像仪(FY-3C/MERSI)发射一年以来反射太阳波段的辐射定标精度,利用位于全球范围内的沙漠、盐湖等12种亮度稳定目标,结合中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气参数产品和大气辐射传输模型,计算出了卫星过境时刻入瞳处的波段反射率,并将其作为在轨绝对辐射定标精度检验的参考真值,对2014年1月~10月期间,FY-3C/MERSI反射太阳波段的辐射定标精度进行了验证分析。结果表明,FY-3C/MERSI大部分波段在高低端的定标精度大小不一致。有些波段明显呈现高端定标偏差大,低端定标偏差小的特点;有些波段呈现高、低端定标偏差大,中间低的特点。在仪器发射一年以来,波段1~4,9~11,15~16和波段19仍能保持5%的定标精度。各波段定标精度的时间变化表明:在整个研究时期内,除蓝光波段和水汽吸收波段,其他波段的定标精度变化幅度基本在5%以内。实验结果显示:使用沙漠及盐湖等多种亮度稳定目标,有效地掌握了更宽动态范围内FY-3C/MERSI的辐射定标精度情况。     

风云三号D星红外高光谱大气探测器相位校正改进

为了提高风云三号D星（FY-3D）上搭载的高光谱红外大气探测仪（HIRAS）的辐射定标精度，对HIRAS数据预处理中使用的相位校正模块做了改进。相位校正是预处理流程中的基本处理步骤之一，用于确定干涉图的零光程差位置（ZPD）,ZPD是傅里叶变换的中心同时也是傅里叶变换的前提，对反演光谱具有重要影响，但目前业务中使用的相位校正方法只能将ZPD精确到整数采样点，本文基于仪器相位方法将对地观测、黑体观测和冷空观测的光谱相位相互比较，提取出线性相位分量，从而将ZPD精度提升到亚采样级。HIRAS与JPSS-1/CrIS比对结果显示，改进后的相位校正方法使三波段的平均偏差分别下降约0.1 K,0.4 K和0.8 K，三波段的偏差标准差分别下降约0.06 K,0.2 K和1.5 K，同时偏差对目标温度的依赖性也有所降低。改进后的相位校正方法弥补了原相位校正模块的缺点，有效减小HIRAS的辐射不确定度。     

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。     

遥感图像双角度偏振大气校正仪

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化。该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正。仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49~2.25μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差。实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=0.3),满足仪器设计指标要求。     

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。     

地基空间目标红外辐射特性测量技术

空间目标红外辐射特性测量试验是获取空间目标辐射特性的唯一直接手段。介绍了研制的地基空间目标红外辐射特性测量系统的组成及关键技术,分别利用红外单色照明光管和大面源黑体实现该地基测量系统的光谱定标和辐射定标,并通过大气参数测量设备实现目标和地基测量系统之间的大气传输修正。对该地基测量系统的辐射定标精度和目标辐射测量精度进行了深入分析,中波和长波红外测量系统的辐射定标精度分别为6.9%、4.8%,目标辐射测量精度分别为23.7%、23.2%。最后,利用该地基测量系统对国际空间站进行了辐射测量试验,并给出了空间站的中波红外和长波红外辐射测量结果。     

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。     

碳卫星高光谱CO_2探测仪发射前光谱定标

为了完成碳卫星高光谱CO_2探测仪的发射前光谱定标,建立了光谱定标系统,并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO_2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求,描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备,说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后,介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明:载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80,0.81和0.78;FWHM分别为0.039 2~0.042 4nm,0.123~0.128nm和0.157~0.168nm;光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估,结果表明:中心波长偏差小于0.0013,0.058和0.065nm。CO_2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。     

测绘一号卫星相机的光谱和辐射定标

对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求。进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量。辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标。星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正。定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正。     

卫星光学仪器辐射交互定标方法的应用和发展

卫星遥感器的在轨交互定标是保证仪器数据记录的可靠性、连续性和一致性的核心方案,配合高精度的在轨参考基准仪器可使定标精度达到2%左右。本文介绍了交互定标技术的相关概念和意义,强调该技术是修正仪器间辐射定标相对偏差的重要手段。指出了交互定标的前提条件及现存难点。总结了交互定标实现流程,包括数据收集、匹配、筛选、处理,基准确定,精度分析等,分析了影响交互定标精度的各种因素。叙述了当前卫星光学遥感器交互定标的各类方法及其使用条件,总结了不同应用条件下所适用的各交互定标方法的定标精度。最后结合当前交互定标的国际合作活动,分析展望了未来光学遥感器在轨可溯源SI定标方法的前景趋势和难点问题。     

高精度光谱辐射计测量超低光谱透过率

设计并研制了一种基于光栅双单色仪的高精度全自动单光束光谱辐射计。该仪器主要由高稳定氙灯、带有快门的单光阑屏、石英透镜、中性减光片、紫外光栅双单色仪、光电探测器及电控系统组成,测量光谱范围为200~400 nm, 可以实现10^-6~10^-8量级光谱透过率高精度测量,测量过程由自行编制的计算机软件进行自动控制,能实现全自动单光束测量。给出了该仪器的测量原理、测量方法及数据处理方法。利用该仪器测量了紫外滤光片样品的光谱透过率,分析了测量不确定度。实验结果表明,该仪器测量精度高、速度快、测量合成标准不确定度＜3.16×10^-3,完全满足测量精度要求,可应用于对精度要求高的紫外滤光片光谱透过率的测量。     

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。     

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。     

静轨紫外可见高光谱探测仪星上外定标方案

紫外可见高光谱探测仪搭载于地球同步轨道卫星,具备高时间分辨率、高光谱分辨率、长寿命周期等特点.研究其星上外定标方案,消除内定标装置衰减等变化带来的影响,是实现遥感器在轨高精度定标或检校的重要手段.本文结合静止轨道卫星的特点,建立了紫外可见高光谱探测仪辐射特性分析流程,比较了不同外定标方案的特点及它在地球同步轨道卫星上的...     

VIRR/FY-3A分裂窗波段与AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据的交叉辐射定标

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8μm;IR5,~12.0μm)存在定标偏差。本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标。根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段。首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换。然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对。最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数。结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致。以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39K和2.06K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59K和0.44K。实验指出定标偏差与亮度温度有关。     

高光谱短波红外地物光谱仪的光机设计

基于平场凹面光栅分光和线列阵探测器探测的最新设计方案,进行了短波红外波段地物光谱仪的光机设计。仪器采用光纤导光,两个独立单元分别探测,最大限度地简化了光学及结构设计。更换前置光学系统改变探测视场, 视场内的辐射经过前置光学系统均匀地照亮入射光纤,保证了两探测单元的视场相同。根据入射光通量、光谱分辨率和狭缝的关系确定入射狭缝的大小,仪器光谱覆盖900~2 400 nm,光谱分辨率优于12 nm,适合野外短波红外波段的探测。     

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。     

瞬态红外激光光谱装置

建立了一套同微机联接的研究活泼中间体结构和动力学的瞬态红外激光光谱装置。由紫外解离光源、红外探测光源、红外光谱信号探测和数据处理系统组成。该装置的时间分辨率为50ns,可检测到10~(-5)相对吸收变化。     

利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计

基于内部照明积分球的辐亮度定标方法,获得了接近理想的大面积辐亮度光源(~2%),标定了在研的空间紫外遥感光谱辐射计的亮度响应度。在假设标准灯为均匀亮度的点光源情况下,对照明因子进行了修正。同时利用两种漫反射板对此修正进行了实验研究,得到了采用两种漫反射板标定的光谱辐射计亮度响应度有很好的一致性(1%)的结论。初步的定标数据分析显示,石英卤钨灯光谱辐照度测量的相对不确定度和距离测量的不确定度是积分球定标最主要的不确定度来源,可用于紫外波段光谱辐射计的高精度辐射定标,并可以极大地降低定标不确定度。