CN108107002A - 基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，以灰阶靶标（靶板）、反射镜、主动光源等多能级目标为参照，利用线性回归计算分离目标辐射和大气程辐射、地气耦合辐射。通过现场大气光学厚度、漫总比（如果目标是漫射的话需要）以及多能级目标能量测量结合大气吸收气体透过率计算，实现光学遥感器在轨绝对辐射定标。本发明的在轨绝对辐射定标技术以地面实测数据为主，不依赖辐射传输计算，减小了气溶胶、大气模式等因素的影响，该定标技术可实现光学遥感器全动态范围、高精度定标。
Description
技术领域
本发明涉及光学遥感科学技术领域，尤其涉及一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法。
背景技术
光学遥感在国土资源调查、测绘制图、城市规划以及军事侦察等领域有重要的应用意义。观测目标的生物物理参数等遥感数据产品和遥感器的辐射响应有直接关系，因此遥感器运行期间的绝对辐射定标的精确度直接影响着其遥感数据应用的广度和深度。
光学遥感器发射前的实验室定标是最全面、精确度最高的，然而发射时的剧烈振动、外太空恶劣的环境以及光学元件的老化等原因，仪器的辐射响应等性能会发生变化。部分光学遥感器虽然搭载了灯或者漫射板等星上定标***，但定标***自身可能会发生衰变(有的具有稳定性监视***)，并且这些***大多只能实现部分孔径或部分光路的定标。光学遥感器在轨运行期间，以大面积均匀场或人工目标为场景，通过地面光谱反射率、大气光学参数测量结合辐射传输计算的场地替代定标方式，物理量直接溯源至大气外太阳常数，因此可实现光学遥感器工作状态下绝对辐射定标。
反射率法、辐亮度法以及辐照度法是三种常用的场地替代定标方式，其中辐照度法与反射率法唯一不同的是增加了地面的漫射/总辐射比测量，从而减小了反射率法中对气溶胶散射的假设带来的不确定度。基于大面积均匀场的替代定标对场地的条件(如海拔高度、地表反射率等)要求较高，并且仅能实现单点定标(单一辐亮度)。满足定标要求的大面积均匀场数量有限，并且我国的辐射定标场反射率较低，响应的高端需要外推得到，目前传统的定标方法能达到的精度水平在6％以上。
随着光学遥感器空间分辨率的提高，场地的均匀性和朗伯性不能满足定标的需要，另外，多星组网时间分辨率提高，而定标场地少而单一、定标机会少、效率低、定标周期长，要求定标参照有更高稳定性、机动性和时空适应性，现有的在轨定标技术手段难以满足我国光学遥感器全动态范围内高精度、高频次业务化定标的需要。
光学遥感器空间分辨率的提高，使得基于具备光谱平坦、空间均匀、近似朗伯体特性的人工靶标的高精度、高频次的在轨绝对辐射定标成为可能。美国南达科他州立大学(South Dakota State University)实现了光学遥感器基于人工靶标的全动态范围内的多级辐射定标，然而传统的以辐射传输计算为核心的辐射定标方法需要对气溶胶特性、大气点扩散函数、周围环境反射率等进行假设，在复杂背景情况下，实际情况和假设难以相符。模型假设导致的计算误差在蓝波段高达20％以上。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，具体内容如下：
根据辐射传输模型，复杂环境下光学遥感器入瞳辐亮度可表示为：
其中Es(λ)为大气外光谱辐照度，μs为太阳天顶角的余弦，Tgas(θs,θν,λ)为吸收气体透过率，ρa(λ)为大气固有反射率，τ(λ)为大气光学厚度，S(λ)为大气球面反照率，td(θs,λ)为太阳-地面漫射透过率，ρB(λ)为周围环境反射率，ρt(λ)为目标反射率，t'd(θν,λ)为光学遥感器-地面漫射透过率，αs(λ)为太阳入射方向漫总比；
根据平面平行大气理论，在一定区域范围内同一时刻，大气固有反射率ρa(λ)、吸收气体透过率Tgas(θs,θν,λ)和周围环境反射率ρB(λ)为常数，则公式(1)可改写为：
L(λ)＝A(λ)+B(λ)·ρt(λ) (2)
其中：
由公式(2)可知，光学遥感器入瞳的辐亮度和地面目标的能级ρt(λ)成一元线性关系；
根据光学遥感器辐射定标方程(5)
以及图像的灰度值和不同能级进行线性回归，得到：
(i)当光学遥感器第i个通道内ρt(λ)＝0时，L(λ)＝A(λ)，此时图像灰度值DN为方程的截距
(ii)当ρt(λ)＝1时，L(λ)＝A(λ)+B(λ)，此时图像灰度值DN为方程的斜率
由方程(6)、(7)得到光学遥感器的响应度定标系数Again：
所述的大气光学厚度τ(λ)和太阳方向漫总比αs(λ)可通过太阳辐射计和经过响应度定标的光谱辐射计同时测量得到。
所述的和通过不同能级反射信号线性回归计算得到，同时也可以结合多天测试数据优化计算得到。
所述的多能级目标为漫射体时，则尺寸大于5×5以上像素，不同能级之间的距离需大于5个像素。
多能级目标为漫射体时，遥感器通道范围内光谱平坦，光谱反射率小于1％。
多能级目标为漫射体时，遥感器观测天顶角小于10°范围内，目标双向反射分布函数变化小于1％。
所述的多能级目标为非漫射体时，需要布设3×3以上的阵列，阵列之间的距离为非整像素，大于5个像素，检测遥感器***的调制传递函数，以修正辐射响应影响。
多能级目标为非漫射体时，每个能级之间的距离大于10个像素。
多能级目标的能级覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
基于多能级目标简化辐射传输计算的绝对辐射定标计算流程如下图2所示，其中MODTRAN/6S等辐射传输计算得到太阳-目标路径大气光谱透过率和太阳辐射计测量透过率逼近，从而得到太阳-目标路径大气光谱透过率，然后改变几何位置因子，得到遥感器-目标路径大气光谱透过率。目标辐射和大气程辐射、地气耦合辐射的分离通过线性回归的方法计算得出，目标辐射通过测量反射/辐射能量(或者反射率)结合大气光学厚度测量计算得出。
本发明的优点是：(1)本发明的在轨绝对辐射定标技术以地面实测数据为主，不依赖辐射传输计算，减小了气溶胶、大气模式等因素的影响；
(2)本发明的在轨绝对辐射定标技术可实现光学遥感器全动态范围、高精度定标；
(3)本发明的在轨绝对辐射定标技术可减小大面积均匀场受地理位置、天气条件等条件的限制。
附图说明
图1是太阳辐射-地面-遥感器相互作用示意图。
图2是在轨辐射定标技术流程。
图3是多能级目标(漫射体)布设示意图。
图4多能级目标(非漫射体)布设示意图。
具体实施方式
如图1、2，一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，具体内容如下：
光学遥感器入瞳处的辐射主要由大气程辐射、目标反射辐射、周围背景辐射三部分综合作用组成，如下图1所示：根据辐射传输模型，复杂环境下光学遥感器入瞳辐亮度可表示为：
其中Es(λ)为大气外光谱辐照度，μs为太阳天顶角的余弦，Tgas(θs,θν,λ)为吸收气体透过率，ρa(λ)为大气固有反射率，τ(λ)为大气光学厚度，S(λ)为大气球面反照率，td(θs,λ)为太阳-地面漫射透过率，ρB(λ)为周围环境反射率，ρt(λ)为目标反射率，t'd(θν,λ)为光学遥感器-地面漫射透过率，αs(λ)为太阳入射方向漫总比；
根据平面平行大气理论，在一定区域范围内同一时刻，大气固有反射率ρa(λ)、吸收气体透过率Tgas(θs,θν,λ)和周围环境反射率ρB(λ)为常数，则公式(1)可改写为：
L(λ)＝A(λ)+B(λ)·ρt(λ) (2)
其中：
由公式(2)可知，光学遥感器入瞳的辐亮度和地面目标的能级ρt(λ)成一元线性关系；
根据光学遥感器辐射定标方程(5)
以及图像的灰度值和不同能级进行线性回归，得到：
(i)当光学遥感器第i个通道内ρt(λ)＝0时，L(λ)＝A(λ)，此时图像灰度值DN为方程的截距
(ii)当ρt(λ)＝1时，L(λ)＝A(λ)+B(λ)，此时图像灰度值DN为方程的斜率
由方程(6)、(7)得到光学遥感器的响应度定标系数Again：
所述的大气光学厚度τ(λ)和太阳方向漫总比αs(λ)可通过太阳辐射计和经过响应度定标的光谱辐射计同时测量得到。
所述的和通过不同能级反射信号线性回归计算得到，同时也可以结合多天测试数据优化计算得到。
如图3所示，所述的多能级目标为漫射体时，则尺寸大于5×5以上像素，不同能级之间的距离需大于5个像素。
多能级目标为漫射体时，遥感器通道范围内光谱平坦，光谱反射率小于1％。
多能级目标为漫射体时，遥感器观测天顶角小于10°范围内，目标双向反射分布函数变化小于1％。
如图4所示，所述的多能级目标为非漫射体时，需要布设3×3以上的阵列，阵列之间的距离为非整像素，大于5个像素，检测遥感器***的调制传递函数，以修正辐射响应影响。
多能级目标为非漫射体时，每个能级之间的距离大于10个像素。
多能级目标的能级覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
所述的大气光学厚度τ、太阳方向漫总比αs(λ)可通过太阳辐射计和经过响应度定标的光谱辐射计同时测量得到。
不需要对大气气溶胶类型、大气点扩散函数、大气程辐射、大气反照率等参数的计算和假设,辐射传输计算仅需要气体吸收透过率的计算。
地面的能级目标为遥感器通道范围内光谱平坦、朗伯性好的灰阶靶标(靶板)、被动式反射太阳的反射镜、主动式发光光源以及类似的自然目标等。
1)多能级目标布设
多能级目标布设需选择四周开阔、地势平坦的区域布设，根据情况地面可布设黑色底网，多级目标之间的距离10个像素以上，布设方向沿光学遥感器飞行方向，布设的能级需3个以上，布设示意图如图3所示。
2)现场同步测量
过顶前后需进行大气光学厚度、漫总比(多能级目标为漫射材料时需要)、多能级目标的能级序列(包括反射率、辐亮度、发光强度等)以及温湿压等气象参数。
3)数据处理
根据光学遥感器辐射定标方程
以及图像的灰度值和不同能级进行线性回归，得到：
(i)当光学遥感器第i个通道内ρt(λ)＝0时，L(λ)＝A(λ)，此时图像灰度值DN为方程的截距
(ii)当ρt(λ)＝1时，L(λ)＝A(λ)+B(λ)，此时图像灰度值DN为方程的斜率
由以上方程得到光学遥感器的响应度定标系数Again，暗电流DN0可通过相机观测深空获得。
Claims (9)
1.一种基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：具体内容如下：
根据辐射传输模型，复杂环境下光学遥感器入瞳辐亮度可表示为：
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其中Es(λ)为大气外光谱辐照度，μs为太阳天顶角的余弦，Tgas(θs,θν,λ)为吸收气体透过率，ρa(λ)为大气固有反射率，τ(λ)为大气光学厚度，S(λ)为大气球面反照率，td(θs,λ)为太阳-地面漫射透过率，ρB(λ)为周围环境反射率，ρt(λ)为目标反射率，t'd(θν,λ)为光学遥感器-地面漫射透过率，αs(λ)为太阳入射方向漫总比；
根据平面平行大气理论，在一定区域范围内同一时刻，大气固有反射率ρa(λ)、吸收气体透过率Tgas(θs,θν,λ)和周围环境反射率ρB(λ)为常数，则公式(1)可改写为：
L(λ)＝A(λ)+B(λ)·ρt(λ) (2)
其中：
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由公式(2)可知，光学遥感器入瞳的辐亮度和地面目标的能级ρt(λ)成一元线性关系；
根据光学遥感器辐射定标方程(5)
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以及图像的灰度值和不同能级进行线性回归，得到：
(i)当光学遥感器第i个通道内ρt(λ)＝0时，L(λ)＝A(λ)，此时图像灰度值DN为方程的截距
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(ii)当ρt(λ)＝1时，L(λ)＝A(λ)+B(λ)，此时图像灰度值DN为方程的斜率
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由方程(6)、(7)得到光学遥感器的响应度定标系数Again：
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2.根据权利要求1所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的大气光学厚度τ(λ)和太阳方向漫总比αs(λ)可通过太阳辐射计和经过响应度定标的光谱辐射计同时测量得到。
3.根据权利要求1所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的和通过不同能级反射信号线性回归计算得到，同时也可以结合多天测试数据优化计算得到。
4.根据权利要求1所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的多能级目标为漫射体时，则尺寸大于5×5以上像素，不同能级之间的距离需大于5个像素。
5.根据权利要求4所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：多能级目标为漫射体时，遥感器通道范围内光谱平坦，光谱反射率小于1％。
6.根据权利要求5所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：多能级目标为漫射体时，遥感器观测天顶角小于10°范围内，目标双向反射分布函数变化小于1％。
7.根据权利要求1所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的多能级目标为非漫射体时，需要布设3×3以上的阵列，阵列之间的距离为非整像素，大于5个像素，检测遥感器***的调制传递函数，以修正辐射响应影响。
8.根据权利要求7所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：多能级目标为非漫射体时，每个能级之间的距离大于10个像素。
9.根据权利要求7所述的基于多能级目标简化辐射传输计算在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：多能级目标的能级覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
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