成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

基于HY-1C SCS太阳漫反射板的星上绝对辐射定标与验证

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。     

高分一号宽视场成像仪多场地高频次辐射定标

为了提升国产光学遥感卫星载荷的定标频次,提出了一种基于国内多场地的高频次定标方法,实现了高分一号(GF-1)宽视场成像仪(WFV)的高频次绝对辐射定标.介绍了基于多场地的高频次定标原理,针对GF-1 WFV的工作参数和工作特点,提出了国内定标场的优选原则,并分析了定标场地表特性的时间稳定性.利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气产品替代场地定标的现场观测数据,增加了定标可用的数据量,同时用实测数据对MODIS地表产品进行真实性检验.实现了GF-1 WFV的多场地高频次定标,并将定标系数结果与官方定标结果进行比对验证.结果表明:基于国内多场地的高频次定标方法可以获得GF-1 WFV的时间序列定标系数,GF-1 WFV相机4的定标结果与官方定标结果具有较好的一致性,各波段与官方定标结果的相对偏差分别为-0.49%、1.33%、-1.01%和3.86%.基于多场地的高频次定标方法可有效地提高国产卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化.     

空间调制干涉光谱成像仪星上定标系统研究

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证

HJ-1B卫星热红外通道自发射以来共进行了7次星上黑体定标,然而针对星上定标系数的验证工作开展较少。通过半高宽法、矩方法和查找表法计算得到2009年9月14日星上定标系数。以具有较高定标精度的MODIS为参考源,基于MODIS第31,32通道和HJ-1B热红外通道的光谱响应特性,改进对应热红外通道的光谱匹配算法,建立两传感器表观辐亮度的匹配关系,进而通过Planck公式计算出HJ-1B热红外通道的等效水表亮温,通过与HJ-1B热红外通道基于星上定标系数得到的反演水表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证。以光谱响应差异计算的等效亮温值为285.97 K,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温值分别为288.77,274.52和285.97 K。结果显示,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温与光谱响应差异计算的等效亮温偏差分别为2.8,-11.46和0.02 K。结果表明,HJ-1B热红外通道星上定标方法中以查找表法星上定标系数计算结果精度较高。同时证明了基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证方法有效可行。     

成像光谱仪星上光谱定标的数据处理

为了提高仪器光谱定标精度,降低谱线偏移对地物反射光谱数据反演精度的影响（特别是大气吸收峰附近）,根据星上光谱定标的特点,介绍了星上光谱定标数据处理的常用方法。通过对实验室光谱定标时两种典型工况的比较,实现了星上定标数据处理算法的地面仿真,验证了算法的可行性,并比较了各自的优缺点。结果表明,基于谱线匹配的标准差法、相关系数法和最小差值法计算精度较高,但计算效率较低;基于多项式拟合的极值法计算精度较低,但是计算效率较其他算法提高1个数量级。用极值法对数据进行预处理,快速确定谱线偏移量,再用谱线匹配算法在小范围内精确计算谱线偏移量,可以在不影响计算精度的前提下提高运算速度,计算精度优于1 nm,满足成像光谱仪星上光谱定标的精度要求。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统稳定性研究

空间调制干涉光谱成像仪对地物光谱辐射信息以目标像元干涉图的形式进行采集,系统定标后,复原的光谱图能定量地反映地物目标实际对太阳光的漫反射特性。分析了空间调制干涉光谱成像仪的定标原理,经计算推导和实验,介绍了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试,解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点,对定标卤钨灯进行了辐射稳定性测试,光谱滤光片进行了光学性能测试和粒子辐照试验,星上积分球组件进行了环境力学试验和热真空实验,均得到了较好的结果。通过全孔径、部分视场的相对光谱定标,能够得到星上定标光谱和干涉图,在经过不同条件下复原光谱比较后,证明此星上定标系统是稳定可靠的。     

基于场地自动化观测技术的遥感器在轨辐射定标试验与分析

采用自动化场地辐射计(ATR)测量地表反射,结合CE318型太阳光度计获得的大气参数和漫总比辐照度仪获得的漫总比数据,计算出卫星过顶时刻的高光谱地表反射率。基于反射率基法对中分辨率成像光谱仪(MODIS)/Aqua和MODIS/Terra的可见光至近红外波段1~7开展了场地自动化观测绝对辐射定标试验。结果表明,利用场地自动化观测定标方法获取的表观辐亮度与MODIS/Aqua、MODIS/Terra星上获取的表观(TOA)辐亮度的相对偏差不大于4%。这说明场地自动化观测定标方法与人工定标方法具有同等水平的定标精度,验证了场地自动化观测定标方法的可行性。     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以"水"卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法EI北大核心CSCD

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以"水"卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

交叉定标中的不确定度分析及定标系数计算改进

一般交叉定标方法是利用普通最小二乘法的回归方式对时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对来计算定标系数,该方法忽略了各数据点对的质量差异,降低了定标系数的有效性。针对此问题,本文提出了基于不确定度计算的定标改进方法,利用不确定度分析方法计算数据点对中各辐射基准值的不确定度并给出权重系数,采用加权最小二乘法回归定标系数。选取与在研的基准载荷参数最为接近的HYPERION作为辐射基准替代载荷,分别利用普通最小二乘法和加权最小二乘法对MODIS CH1～7进行了定标,采用MODIS官方定标系数作为真值对定标结果进行验证。结果表明,采用加权最小二乘法对MODIS的1、2、4、5、6、7通道回归的定标系数更接近真值,定标结果的最大相对误差与传统方法相比降低了3%～5%,平均相对误差降低了0.5%～1.5%,说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标精度。     

星上反射率定标原理及其精度保持方法研究

论述了太阳漫反射板星上反射率定标原理,建立了基于太阳漫反射板的星上反射率定标物理模型。太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)会随时间发生衰减,是星上定标不确定度的主要来源,为此对监测太阳漫射板BRDF方法展开了研究。建立了中分辨率成像光谱仪(MODIS)太阳漫射板稳定性监测辐射计的监测物理模型,分析其在在轨性能评估中发现的问题。提出了一种积分球"双入光口+挡板"的光学结构,在保证功能实现的基础上简化了物理模型,减少了影响仪器不确定的因素。实验验证了该光学结构可防止太阳观测端口响应出现波纹。根据新光学结构的监测物理模型,参照目前国内对其相关参数的测试水平,对其监测不确定度进行了预估。结果表明,其监测不确定度可优于0.68%。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

大气风场和温度场星载探测光谱仪的星上定标技术

 大气风场和温度场是重要的大气基本参数,由于应用领域广泛,其探测技术在很多国家已发展成熟,中国对该探测技术的需求也日趋强烈。大气风场和温度场测量是利用高精度的光谱仪,通过测量大气中特征谱线的多普勒频移和展宽,来确定大气的温度分布场和风向风速场。星上定标技术是大气风场和温度场星载探测光谱仪进行高精度测量的基本保障。文中就几种重要的大气风场和温度场探测光谱仪的星上定标技术进行分析和总结,为大气风场和温度场探测技术发展提供参考,打下基础。     

基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。