CN108120510A - 一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，以反射镜阵列为参照目标，利用线性回归计算分离目标反射辐射和大气程辐射、地气耦合辐射、地物热辐射。通过现场大气光学厚度、温湿压廓线以及反射镜镜面反射率测量结合大气吸收气体透过率计算，实现中红外波段光学遥感器在轨绝对辐射定标。本发明的中红外波段光学遥感器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，该定标技术可实现中红外波段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，尤其涉及一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法。
背景技术
中红外波段光学遥感在森林火灾监测、目标识别跟踪以及军事侦察等领域有重要的应用意义。观测目标的温度辐射等遥感数据产品参数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黑体等星上定标***，但定标***自身可能会发生衰变，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、人工目标为场景，通过地面(水体)温度、发射率、大气光学参数测量结合辐射传输计算的替代定标方式，可实现光学遥感器工作状态下绝对辐射定标，通过卫星平台的机动观测恒星的方式，利用已有的星等数据库也可实现绝对辐射定标。
基于大面积均匀场(如青海湖)的替代定标对场地的条件(如海拔高度、水体深度及干洁度等)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，基于恒星的定标方式对平台的机动灵活性和可靠性要求较高，存在一定的风险，且合适的恒星数据库有限。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种光学遥感器基于反射镜阵列的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：
一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，具体内容如下：
中红外波段光学遥感器入瞳处的辐亮度表述为：
L(λ)＝Lground,total(λ)τ↑(λ)+Latmsphere,T(λ)+Latmsphere,scatt(λ)
Lground,total(λ)＝ε(λ)B(T,λ)+(1-ε(λ))Ediffuse(λ)/π+ρ(λ)Edir cos(θsolar)/π (1)
上述公式中，Lground,total(λ)为地面目标产生的辐亮度，τ↑(λ)为目标-遥感器路径的大气透过率，Latmsphere,T(λ)为大气辐射产生的辐亮度，Latmsphere,scatt(λ)为大气散射产生的辐亮度；
对于平面平行大气，不同能级反射镜目标同一时刻反射太阳直射光、镜面的发射辐射、大气及周围背景的散射和热辐射认为是常数L0，中红外遥感器观测反射镜测试目标时，入瞳的辐亮度表示为：
L(λ)＝ρi(λ)Edir cos(θsolar)/π*τ↑(λ)+L0(λ) (2)
其中，ρi为反射镜测试目标不同能级的等效反射率；
式(2)可等效为：
L(λ)＝Lmirror(λ)+L0(λ) (3)
当式(2)中ρi(λ)为0时，即
其中，a、b是中红外遥感器对应波长下定标系数；
DNzero反射率为0时对应的遥感器图像计数值；
DNzero值的计算方法是利用遥感器线性特性，通过利用不同能级的等效反射率与图像计数值的关系拟合得出；
由上面的公式，则可以得出图像上对应一目标区域图像计数值DN与入瞳辐亮度关系如公式5所示，
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+L0(λ) (5)
把L0(λ)用公式(4)代替，则有
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+(a·DNzero+b) (6)
由式(6)我们可以得到波长λ下，定标系数aλ可以表示为：
对宽谱段遥感器而言，定标系数可表述为：
公式中，RSR(λ)为中红外波段光学遥感器的相对光谱响应函数，Edir(λ)为太阳直射辐照度，ΩIFOV为光学遥感器的瞬时视场，η(PSF)为光学遥感器点扩散函数PSF影响修正系数。
所述的DNzero通过不同能级反射镜阵列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。
所述的地面目标为反射太阳的凸面反射镜或平面反射镜。
所述的凸面反射镜或平面反射镜的镜面反射能量需覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
不同能级反射镜之间的距离大于10个像素。
用于PSF检测的反射镜阵列之间的距离为非整像素，间隔大于5个像素，阵列数不少于3×3。
以不同数量的凸面镜、平面镜等反射镜阵列目标为参照，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以及镜面反射率测量结合大气吸收气体透过率计算，实现中红外波段光学遥感器在轨绝对辐射定标。
本发明采用的技术途径是：
基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标计算流程如下图3所示，其中MODTRAN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，目标辐射通过测量镜面反射率测量结合大气光学厚度、大气温湿压廓线测量计算得出，光学遥感器PSF通过4×4阵列反射镜获取。
本发明实施过程中需要大气光学厚度τ以及镜面反射率ρi(λ)的测量结合气体吸收透过率的计算，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、漫总比、水体温度等参数的计算和假设，即可得到光学遥感器的辐射定标系数，实现遥感器工作状态下，全动态范围内辐射定标。
所述的中红外波段光学遥感器的辐射定标系数和相机***的点扩散函数PSF需要同时测量计算得到。
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。
本发明适用于中红外波段，同时可以拓展到太阳反射波段以及热红外波段。不仅适用于卫星等航天遥感器也适用于机载、艇载航空中红外波段光学遥感器辐射定标。适用于200米以下分辨率的中红外波段光学遥感器绝对辐射定标。
中红外波段光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标技术，其特征在于布设地面均匀、地势平坦。
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中红外波段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。
(4)本发明的在轨绝对辐射定标技术可同时实现中红外波段光学遥感器辐射定标系数和二维MTF计算。
附图说明
图1是焦平面像元能量分布示意图。
图2是光学遥感器***PSF对能量分布影响示意图。
图3是在轨辐射定标技术流程。
图4是反射镜阵列布设示意图。
具体实施方式
一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，具体内容如下：
中红外波段光学遥感器入瞳处的辐亮度表述为：
L(λ)＝Lground,total(λ)τ↑(λ)+Latmsphere,T(λ)+Latmsphere,scatt(λ)
Lground,total(λ)＝ε(λ)B(T,λ)+(1-ε(λ))Ediffuse(λ)/π+ρ(λ)Edircos(θsolar)/π (1)
上述公式中，Lground,total(λ)为地面目标产生的辐亮度，τ↑(λ)为目标-遥感器路径的大气透过率，Latmsphere,T(λ)为大气辐射产生的辐亮度，Latmsphere,scatt(λ)为大气散射产生的辐亮度；
对于平面平行大气，不同能级反射镜目标同一时刻反射太阳直射光、镜面的发射辐射、大气及周围背景的散射和热辐射认为是常数L0，中红外遥感器观测反射镜测试目标时，入瞳的辐亮度表示为：
L(λ)＝ρi(λ)Edir cos(θsolar)/π*τ↑(λ)+L0(λ) (2)
其中，ρi为反射镜测试目标不同能级的等效反射率；
式(2)可等效为：
L(λ)＝Lmirror(λ)+L0(λ) (3)
当式(2)中ρi(λ)为0时，即
其中，a、b是中红外遥感器对应波长下定标系数；
DNzero反射率为0时对应的遥感器图像计数值；
DNzero值的计算方法是利用遥感器线性特性，通过利用不同能级的等效反射率与图像计数值的关系拟合得出；
由上面的公式，则可以得出图像上对应一目标区域图像计数值DN与入瞳辐亮度关系如公式5所示，如图1所示，
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+L0(λ) (5)
把L0(λ)用公式(4)代替，则有
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+(a·DNzero+b) (6)
由式(6)我们可以得到波长λ下，定标系数aλ可以表示为：
对宽谱段遥感器而言，定标系数可表述为：
公式中，RSR(λ)为中红外波段光学遥感器的相对光谱响应函数，Edir(λ)为太阳直射辐照度，ΩIFOV为光学遥感器的瞬时视场，η(PSF)为光学遥感器点扩散函数PSF影响修正系数。如图2所示。
所述的DNzero通过不同能级反射镜阵列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。
所述的地面目标为反射太阳的凸面反射镜或平面反射镜。
所述的凸面反射镜或平面反射镜的镜面反射能量需覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
不同能级反射镜之间的距离大于10个像素。
用于PSF检测的反射镜阵列之间的距离为非整像素，间隔大于5个像素，阵列数不少于3×3。
1)反射镜阵列目标布设
反射镜阵列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，用于测量MTF的反射镜阵列至少需要3×3，布设示意图如图4所示。
2)现场同步测量
过顶前后需进行大气光学厚度、温湿压廓线、反射镜的镜面反射率(可以在实验室测量)。
3)数据处理
如图3所示，根据光学遥感器辐射定标方程
图像上对应一目标区域图像计数值DN与入瞳辐亮度关系如公式5所示。
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+L0(λ) (5)
把L0(λ)用公式(4)代替，则有
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+(a·DNzero+b) (6)
由式(6)我们可以得到波长λ下，定标系数aλ可以表示为：
对宽谱段遥感器而言，定标系数可表述为：
公式中，RSR(λ)为中红外波段光学遥感器的相对光谱响应函数，Edir(λ)为太阳直射辐照度，ΩIFOV为光学遥感器的瞬时视场，η(PSF)为光学遥感器点扩散函数(PSF)影响修正系数
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可通过遥感器观测深空获得。
Claims (6)
1.一种光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：具体内容如下：
中红外波段光学遥感器入瞳处的辐亮度表述为：
L(λ)＝Lground,total(λ)τ↑(λ)+Latmsphere,T(λ)+Latmsphere,scatt(λ)
Lground,total(λ)＝ε(λ)B(T,λ)+(1-ε(λ))Ediffuse(λ)/π+ρ(λ)Edircos(θsolar)/π (1)
上述公式中，Lground,total(λ)为地面目标产生的辐亮度，τ↑(λ)为目标-遥感器路径的大气透过率，Latmsphere,T(λ)为大气辐射产生的辐亮度，Latmsphere,scatt(λ)为大气散射产生的辐亮度；
对于平面平行大气，不同能级反射镜目标同一时刻反射太阳直射光、镜面的发射辐射、大气及周围背景的散射和热辐射认为是常数L0，中红外遥感器观测反射镜测试目标时，入瞳的辐亮度表示为：
L(λ)＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/π*τ↑(λ)+L0(λ) (2)
其中，ρi为反射镜测试目标不同能级的等效反射率；
式(2)可等效为：
L(λ)＝Lmirror(λ)+L0(λ) (3)
当式(2)中ρi(λ)为0时，即
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其中，a、b是中红外遥感器对应波长下定标系数；
DNzero反射率为0时对应的遥感器图像计数值；
DNzero值的计算方法是利用遥感器线性特性，通过利用不同能级的等效反射率与图像计数值的关系拟合得出；
由上面的公式，则可以得出图像上对应一目标区域图像计数值DN与入瞳辐亮度关系如公式5所示，
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+L0(λ) (5)
把L0(λ)用公式(4)代替，则有
a·DN+b＝ρi(λ)Edircos(θsolar)/ΩIFOV*τ↑(λ)+(a·DNzero+b) (6)
由式(6)我们可以得到波长λ下，定标系数aλ可以表示为：
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公式中，RSR(λ)为中红外波段光学遥感器的相对光谱响应函数，Edir(λ)为太阳直射辐照度，ΩIFOV为光学遥感器的瞬时视场，η(PSF)为光学遥感器点扩散函数PSF影响修正系数。
2.根据权利要求1所述的光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的DNzero通过不同能级反射镜阵列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。
3.根据权利要求1所述的光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的地面目标为反射太阳的凸面反射镜或平面反射镜。
4.根据权利要求3所述的光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：所述的凸面反射镜或平面反射镜的镜面反射能量需覆盖光学遥感器70％以上动态范围，能级不小于3级。
5.根据权利要求4所述的光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：不同能级反射镜之间的距离大于10个像素。
6.根据权利要求5所述的光学遥感器基于反射镜阵列的在轨绝对辐射定标方法，其特征在于：用于PSF检测的反射镜阵列之间的距离为非整像素，间隔大于5个像素，阵列数不少于3×3。
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