一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法

摘要

本发明涉及一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，该修正方法包括如下步骤：(1)在地面辐射定标试验中模拟卫星在轨的热环境状态；(2)得到遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响关系；(3)得到立体角对探测器接收辐射能通量的影响关系；(4)建立遥感器观测目标光路和星上黑体定标光路在入射几何和各光学部件对辐射能通量反射、发射、折射性能随温度的变化函数。本发明可以有效克服场地定标工作量大频次低、交叉定标实施门槛高等缺点，从而实现气象卫星在轨红外通道的高频次、自动化的辐射定标。

权利要求

1.一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，其特征在于，该修正方法包括如下步骤：(1)在地面辐射定标试验中模拟卫星在轨的热环境状态；

(2)以遥感器星上工况的温度为参变量，建立星上黑体相对定标和绝对定标的统计换算模型，得到遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响关系；

所述星上黑体相对定标和绝对定标的统计换算模型为：

以多元线性回归法计算系数Ci，其代表遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响；

其中，LBBe为黑体的等效辐射亮度，LBB为黑体的真实辐射亮度，i代表遥感器的各部件，包括主镜、次镜、折镜、定标镜，L(Ti)为遥感器的各部件在自身温度决定下的辐射亮度；

所述黑体的等效辐射亮度为：

其中，G、DN0分别为同一组试验中确定的全光路定标增益和截距，DN为全光路定标试验中仪器观测目标输出的计数值；

(3)建立遥感器观测目标到探测器、星上黑体到探测器的辐射能通量的传递方程，比较遥感器入瞳辐射与星上黑体辐射通过探测器的不同辐射通量，得到立体角对探测器接收辐射能通量的影响关系；

所述目标到探测器的辐射能通量为：

其中，ΦOB为来自观测目标物的辐射能通量；a为通光口径面积；TOB为目标物温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为主镜的半径所对应的张角， 为次镜的M半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝全表示全光路；

所述星上黑体到探测器的辐射能通量为：

其中，ΦBB为来自黑体的辐射能通量；a为通光口径面积；从传感器向外看， 为黑体的M半径所对应的张角；TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分；

目标黑体对应的辐射亮度为星上黑体在入瞳处的等效辐射亮度，即L(TOB)＝L(TBBe)；

则，

其中，TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角，M

为次镜的半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分，M＝前表示定标镜之前的前光路部分，M＝全表示全光路；

(4)建立遥感器观测目标光路和星上黑体定标光路的入射几何和各光学部件对辐射能通量反射、发射、折射性能随温度的变化函数，建立修正模型；

所述修正模型为：

其中，N前为前光路光学元件的总数，N全为全光路光学元件的总数；ε为各光学元件的发射率；TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角， 为次镜的半径所对应的张角。

2.根据权利要求1所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，其特征在于，所述步骤(1)中，参考在轨卫星的实测温度信息，在地面辐射定标试验中，选定环境温度控制点，实现针对辐射计光学部件的温控措施。

说明书

一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星红外遥感传感器绝对辐射定标技术领域，特别涉及一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法。

背景技术

[0002] 遥感传感器的绝对辐射定标是仪器计数值与其所反映的地表真实参数之间的桥梁，是遥感信息定量化的开端，又是遥感定量反演地表生物物理参数和建立遥感模型的基础。从技术手段上来分类,卫星红外传感器辐射定标包括发射前实验室定标、星上黑体定标和在轨外定标。典型的发射前定标是用可控温的均匀黑体源置于传感器的入瞳。这个黑体源的温度连续可调，并且能覆盖传感器的动态范围。使用黑体的实验室定标一般在模拟深冷空间环境下进行。星上黑体定标的典型装置是利用两个黑体源进行定标，对于摆扫式热红外传感器在每条扫描线的非线性区域，分别把两个不同温度黑体源的发射辐亮度引至焦面上，以监测探测器和电子线路响应率的变化。这种定标既是一种相对定标，用以纠正不同探元和扫描线之间的响应不一致性；又是热红外波段传感器绝对辐射定标的主要手段。卫星发射后在轨外定标的一种典型方法是，使用一个经过严密鉴定的地面场和大气模式去确定传感器入瞳处的辐亮度；另一种方法是，利用一台定标好的辐射测量仪与卫星传感器在同一时间和相似的几何条件下进行测量，然后对辐射测量仪测得的辐射亮度进行其所处高度之上的大气订正。上述卫星遥感器定标的三个工作环节是相互联系、相互补充的，发射前的实验室定标主要确定传感器的线性度，建立传感器的输出与被探测的物理量之间的关系；星上黑体定标可以确定或监测遥感器相对于发射前的定标所发生的变化情况，红外波段遥感器星上黑体定标系统还可以提供卫星运行期间的在轨绝对辐射定标；卫星发射之后，由于工作环境、状态发生变化，长期运行元器件老化，都可能使发射前的定标系数改变，因此需要进行在轨外定标，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。

[0003] 任何卫星及其携带的传感器发射前后，都必须对仪器的输出和获得的数据进行全面而准确的绝对辐射定标，以确保所获取数据最大限度的应用。卫星仪器经过实验室的严格定标和检测，给出了实验室条件下的各种参数，然而在其入轨和在轨运行过程中，由于环境的改变，特别是机械冲击、失重、真空、器件老化、太空辐射等影响，其性能将发生变化。特别是在卫星发射后，由于仪器本身原因和外界因素的干扰，传感器的性能往往与发射前的试验结果之间存在一定的偏差，而且在卫星运行中，由于仪器元件的老化，仪器的灵敏度会不断下降。因此，在卫星发射后，通过在轨星上黑体定标和在轨替代定标是非常重要的。然而，在轨替代定标的场地辐射定标方面，由于进场次数和天气条件的限制，仅局限于部分遥感器的校正工作，而且所用的校正方法偏少、试验场气候条件也不理想，远不能满足实际应用的需要；在轨替代定标的交叉定标方面，由于对参考传感器自身定标精度的高度依赖，因此也不是安全独立的定标手段。在轨星上黑体定标由于遥感器设计的原因，往往存在半光路黑体定标系统，只能实现在轨星上相对辐射定标，无法满足绝对辐射定标的需求。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种基于发射前实验室定标数据，针对半光路星上黑体辐射定标系统的卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，可广泛应用于各类对地观测遥感卫星红外通道的在轨辐射定标。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，该修正方法包括如下步骤：

[0007] (1)在地面辐射定标试验中模拟卫星在轨的热环境状态；

[0008] (2)以遥感器星上工况的温度为参变量，建立星上黑体相对定标和绝对定标的统计换算模型，得到遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响关系；

[0009] (3)建立遥感器观测目标到探测器、星上黑体到探测器的辐射能通量的传递方程，比较遥感器入瞳辐射与星上黑体辐射通过探测器的不同辐射通量，得到立体角对探测器接收辐射能通量的影响关系；

[0010] (4)建立遥感器观测目标光路和星上黑体定标光路在入射几何和各光学部件对辐射能通量反射、发射、折射性能随温度的变化函数，建立修正模型。

[0011] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (1)中，参考在轨卫星的实测温度信息，在地面辐射定标试验中，选定环境温度控制点，实现针对辐射计光学部件的温控措施。

[0012] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (2)中，所述星上黑体相对定标和绝对定标的统计换算模型为：

[0013]

[0014] 以多元线性回归法计算系数Ci，其代表遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响；

[0015] 其中，LBBe为黑体的等效辐射亮度，LBB为黑体的真实辐射亮度，i代表遥感器的各部件，如主镜、次镜、折镜、定标镜和背景，L(Ti)为遥感器的各部件在自身温度决定下的辐射亮度。

[0016] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述黑体的等效辐射亮度为：

[0017]

[0018] 其中，G、DN0分别为同一组试验中确定的全光路定标增益和截距，DN为全光路定标试验中仪器观测目标输出的计数值。

[0019] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (3)中，目标黑体对应的辐射亮度为星上黑体在入瞳处的等效辐射亮度，即L(TOB)＝L(TBBe)；

[0020] 则，

[0021] 其中，TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角，M
为次镜的半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分，M＝前表示定标镜之前的前光路部分，M＝全表示全光路。

[0022] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (3)中，所述目标到探测器的辐射能通量为：

[0023]

[0024] 其中，ΦOB为来自观测目标物的辐射能通量；a为通光口径面积；TOB为目标物温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为主镜的半径所对应的张角， 为M次镜的半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝全表示全光路。

[0025] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (3)中，所述星上黑体到探测器的辐射能通量为：

[0026]

[0027] 其中，ΦBB为来自黑体的辐射能通量；a为通光口径面积；从传感器向外看， 为黑M体的半径所对应的张角；TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；(1‑ε)表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分。

[0028] 进一步的，所述的一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，所述步骤 (4)中，所述修正模型为：

[0029]

[0030] 其中，N前为前光路光学元件的总数，N全为全光路光学元件的总数；ε为各光学元件的发射率；TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角，为次镜的半径所对应的张角。

[0031] 本发明的优点与效果是：

[0032] 本发明提出一种基于发射前实验室定标数据的卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，可以有效克服场地定标工作量大频次低、交叉定标实施门槛高等缺点，从而实现气象卫星在轨红外通道的高频次、自动化的辐射定标，进而提高卫星红外遥感数据的定标精度，促进遥感的定量化应用。

附图说明

[0033] 图1示出FY‑2 05卫星发射前定标环境温度控制点工作状态的表格；

[0034] 图2示出FY‑2 05卫星光路图。

具体实施方式

[0035] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

[0036] 卫星发射前，需对星载遥感器进行实验室辐射定标，模拟空间环境(真空、低温)中绝对辐射定标等，包括对星上定标系统的定标。利用不同空间环境工作状态模拟进行发射前绝对辐射定标，对取得星载遥感器高精度定量化数据起决定作用。发射前的定标是原始定标，随后各阶段的定标应在此原始数据上对比、修正。发射前定标提供了卫星在轨辐射定标的基本参数，为了提高定标精度，本发明提供了一种卫星遥感器星上黑体相对定标到绝对定标的修正方法，该修正方法包括如下步骤：

[0037] (1)在地面辐射定标试验中模拟卫星在轨的热环境状态。

[0038] 红外通道的辐射定标关系直接受遥感器各光学部件温度的影响，而光学部件温度主要依赖于卫星热环境状态，地面辐射定标试验是建立遥感器绝对定标和星上黑体相对定标的主要技术途径，都需要在地面定标试验中尽可能真实地模拟卫星在轨的热环境状态。但是要在实验室中完全模拟卫星在轨各部件温度的动态变化，包括太阳光照射的影响是极为困难的。为了尽可能反映卫星在轨的一些典型热状态，需要参考在轨的FY‑2卫星的实测温度信息，在地面辐射定标试验中，合理选定环境温度控制点，并力争实现针对遥感器主要光学部件的温控措施，以保证地面辐射定标尽可能符合卫星在轨运行的实际状况，提高发射前定标结果的可用性。本发明中温控措施是通过贴加热片、包裹保温膜等手段来对光学部件实现温度控制。

[0039] FY‑2 05星扫描辐射计发射前红外定标试验中，环境温度控制点的选择一定程度参考了在轨FY‑2卫星运行的遥测温度，提高了控制点温度选定的针对性。FY‑2 05卫星发射前定标环境温度控制点工作状态如图1所示。

[0040] (2)以遥感器星上工况的温度为参变量，建立星上黑体相对定标和绝对定标的统计换算模型，得到遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响关系。

[0041] 在FY2‑05星发射前的实验室定标中，每一组试验中都有两次星上黑体的定标，同时给出相应的计数值DN。通过同一组试验中确定的全光路定标增益和截距G、DN0，可以得到星上黑体在全光路上的等效黑体亮度如式(2‑1)所示，其中各参量的定义同公式(2‑2)。

[0042]

[0043] 其中，G、DN0分别为同一组试验中确定的全光路定标增益和截距，DN为全光路定标试验中仪器观测目标输出的计数值。

[0044] 获取黑体温度后，通过普朗克函数计算黑体的辐射亮度，寻找黑体的等效辐射亮度LBBe与真实辐射亮度LBB间的差异受主镜、次镜、折镜、定标镜背景等环境温度影响的规律，可确定相对定标系数到绝对定标系数的换算关系，建立不同光路背景辐射(已去除与目标相关的杂散辐射影响)与光路温度场分布的初步理论模型及其简化的映射关系。下面给出换算关系为线性时的表达式：

[0045]

[0046] 式(2‑2)中，下角标i取不同值用来区别不同的部件，如主镜、次镜、折镜、定标镜、背景等，L(Ti)为该部件在自身温度决定下的辐射亮度。求换算关系式转化为用多元线性回归的方法计算系数Ci，其代表遥感器的各部件温度对星上黑体相对定标和绝对定标的换算关系的影响。LBB为根据黑体温度用普朗克函数计算得到。

[0047] 为了充分反映两种光路测值相关的统计特性，此方法需要在红外定标试验中选取尽可能多的环境温度控制点。

[0048] (3)建立遥感器观测目标到探测器、星上黑体到探测器的辐射能通量的传递方程，比较遥感器入瞳辐射与星上黑体辐射通过探测器的不同辐射通量，得到立体角对探测器接收辐射能通量的影响关系。

[0049] 探测器上与光路旋转对称轴相交的原点与各光学器件上下边缘距离相等，是推导起来最简单的点，在近似情况下认为探测器上接收到的辐射通量均匀分布，因此认为探测器接收面上的其它点接收的辐射通量与原点上的值相等。在此前提下，探测器接收到辐射2
通量为其原点处接收的辐射通量与面积a的乘积，如(2‑3)式所示。

[0050]

[0051] 式(2‑3)中，Φ为传感器所接受到的辐射能通量；Φobjective为来自观测目标物的辐射能通量；Φcavity为来自腔体的辐射能通量；B(λ,T)为通过普朗克函数计算的单色辐射强‑2 ‑1度，就是在特定方向上，单位时间、单位面积、单位立体角、单位波段通过的能量(Wm sr m‑1
)；T 为绝对温度，λ为辐射波长；τ(λ)为传感器的响应函数；θ为围绕传感器的角度，围绕传M
感器一周为从0到2π； 为辐射方向与传感器平面法线方向之间的交角；(1‑ε) 表示辐射经 M个光学元件传递后的能量损失。

[0052] 假定腔体内温度是均匀的，注意到

[0053]

[0054] 式(2‑3)可转换为

[0055]

[0056] 从传感器向外看，主镜的半径所对应的张角为 次镜的半径所对应的张角为 从传感器向外看时，首先看到次镜。假定在扫描仪的视野中，除了从次镜进来的辐射以外，就是腔体。从主镜进来的辐射是平行光，因为平行光进入扫描仪时，其中的一部分被次镜挡住了，扫描辐射计的集光面积就是从主镜的面积中扣除次镜的面积。

[0057] 对于目标黑体，其对探测器造成的辐射通量同样可由式(2‑5)得到

[0058]

[0059] 其中，ΦOB为来自观测目标物的辐射能通量；a为通光口径面积；TOB为目标物温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为主镜的半径所对应的张角， 为M次镜的半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝全表示全光路。

[0060] 对于星上黑体，当定标平面镜切入时，从传感器向外看只能看到黑体，因此辐射通量仅受到后光路的衰减，同时腔体对探测器的辐射贡献也有所不同，

[0061]

[0062] 其中，ΦBB为来自黑体的辐射能通量；a为通光口径面积；从传感器向外看， 为黑M体的半径所对应的张角；TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；(1‑ε)表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分。

[0063] 在式(2‑6)、(2‑7)中，如果在探测器接收面上得到的辐射能量相等φOB＝φBB，那么目标黑体对应的辐射亮度为星上黑体在入瞳处的等效辐射亮度L(TOB)＝L(TBBe)，可得换算关系如下。

[0064]

[0065] 其中，TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角，M
为次镜的半径所对应的张角；(1‑ε) 表示辐射经M个光学元件传递后的能量损失，M＝后表示定标镜之后的后光路部分，M＝前表示定标镜之前(含)的前光路部分，M＝全表示全光路，如图2所示。 是需要严格推导的，因为辐射计光路组合有多个透镜，每个透镜都将对立体角产生聚焦或发散作用，要计算这些作用对 的影响除需要知道辐射源的尺寸外，还必须掌握辐射计光路中各部件距离、透镜焦距等具体数据。

[0066] (4)建立遥感器观测目标光路和星上黑体定标光路在入射几何和各光学部件对辐射能通量反射、发射、折射性能随温度的变化函数，建立修正模型。

[0067] 在实验中，可以结合式(2‑2)和(2‑8)综合考虑辐射计观测目标光路和星上黑体定标光路在入射几何和各光学部件对辐射通量反射、发射、折射性能随温度的变化函数，分别构成两种光路的光学传递模型，并分析二者关系，建立相应换算模型。如果在式(2‑8)中加入光学部件温度变化的影响因子，将得到综合考虑立体角与工况的变化函数。

[0068] 当辐射能量入射到一个物体表面时，将发生三种过程：一部分能量被物体吸收，一部分能量从物体表面反射，一部分透射。其中物体的吸收本领与其辐射发射率相等，因此有[0069] r(T)+t(T)+ε(T)＝1                                     (2‑9)[0070] 其中r(T)、t(T)、ε(T)分别为物体的反射、透射和发射率，它们均是温度的函数。因此光路中的部件对辐射的消耗也是与温度有关的函数。因此式(2‑8)可改写为修正模型：

[0071]

[0072] 其中，其中，N前为前光路光学元件的总数，N全为全光路光学元件的总数；ε为各光学元件的发射率；TBBe为黑体在入瞳处的等效温度，TBB为黑体温度，Tcavity为仪器背景腔温度；从传感器向外看， 为黑体的半径所对应的张角， 为主镜的半径所对应的张角，为次镜的半径所对应的张角。

[0073] 此方法需要较准确地了解扫描辐射计观测目标光路和定标光路的各光学部件几何和辐射特性参数，尤其是发射率随温度变化的映射关系。最终建立考虑到温度与立体角等多方因素的、将后光路等效为全光路以实现星上黑体绝对定标的修正模型。

[0074] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。