CN108132064A - 基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法 - Google Patents

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Abstract

基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法，属于空间光学技术领域，为了解决现有在轨定标方法工作量大、定标周期长以及场地定标和反射镜定标在太阳髙角很低和夜间时段定标效果差甚至无法进行定标的问题，方法是利用一种主动的发光装置，在地面上建立由主动照明源形成的发光装置照明光学遥感器，并通过辐射计量技术、大气辐射透过率测量以及辐射理论，建立光学遥感器光学入瞳处辐射亮度，实现在光学遥感器的在轨定标，用于空间光学相机的定量遥感；可以全天时的甚至在夜间也可实现光学遥感器的辐射定标，具有周期短、频次高、成本低、全天时、灵活机动的优点。

Description

基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法
技术领域
本发明涉及一种基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法，属于空间光学技术领域。
背景技术
空间光学遥感技术是通过发射到空间的光学遥感器接收远距离处目标发出的电磁波辐射以实现目标物理属性的判读。现有的光学遥感器大多采用CCD/CMOS数字化成像器件，这不仅极大的丰富了图像灰度信息，同时也为遥感图像提供了可定量处理化甚至实现目标物理属性的反演的能力。
光学遥感是根据景物发出的光谱辐射判断其物理属性。虽然空间光学遥感器图像输出与被观测景物的光谱辐射量值相关，所输出的数字量并不是景物的真实辐射量值。辐射定标的作用是建立光学成像***的辐射量值输入到最终仪器输出的定量关系，辐射定标技术就是确定这个函数的过程。
由于空间光学遥感器不具备地面修复特征，因此光学遥感器辐射定标必须具备覆盖发射前到发射后在轨运行期间全过程。借助地面目标对空间光学遥感器进行辐射定标具可操作型强和可靠性高的特点，是光学遥感器在轨辐射定标的重要手段之一。
现有的光学遥感器在轨辐射定标常借助于太阳反射辐射目标进行在轨定标，如傅俏燕等人采用敦煌辐射校正场对CBERS-02进行场地定标(《遥感学报》，2006年10卷第4期，P434)靶标或Stephen J.Schiller等人利用太阳反射镜阵列反射太阳光开展辐射定标技术研究根据光学遥感器的输出建立光学遥感器的绝对辐射相应系数(《Proc Spie，RemoteSensing System Engineering III》，2010,7813,P4)。现有的在轨辐射定标方法的弊端包括：工作量大；定标周期长；此外，不管场地定标还是反射镜定标均借助反射太阳光完成，当太阳髙角很低或夜间时段定标效果很差甚至无法进行定标。
发明内容
发明为了解决现有在轨定标方法工作量大、定标周期长以及场地定标和反射镜定标在太阳髙角很低和夜间时段定标效果差甚至无法进行定标的问题，提出一种基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法。该方法采用主动光源组成的发光装置，对在轨运行的光学遥感器提供主动式照明，完成光学遥感器绝对辐射定标。该方法具有辐射亮度等级及分布可控的特点，辐射亮度值满足空间光学遥感器在轨定标需求，同时可实现全天候定标。
本发明解决技术问题的技术方案是：
基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用大气辐射传输软件modtran计算不同反射率典型地物在不同地点、不同时间向上光谱辐射量值，得到典型地物在光学遥感器入瞳处的光谱辐射亮度，形成光谱辐射亮度数据库；
步骤二：设计发光光源的参数组合保证地面发光装置靶板可提供步骤一获得的典型地物在光学遥感器入瞳处的最大光谱辐射亮度，根据典型地物最大等效辐射亮度完成地面发光装置参数设计；
步骤三：根据光学遥感器的遥感地物目标，查找步骤一形成的光谱辐射亮度数据库，确定所需模拟的辐射度等级和摆放方式；
步骤四：在光学遥感器过顶前半个小时，根据步骤三得到辐射亮度等级打开地面发光装置靶板；
步骤五：在卫星过顶时刻，现场辐射测量***和大气参数测量***实时监测辐射亮度数据和大气参数，并将监测数据传输至控制电脑；
步骤六：获取光学遥感器定标图像，完成图像数码值值统计；
步骤七：控制电脑根据定标时刻的实时亮度数据、大气参数以及步骤六中得到数码值值完成绝对辐射定标数据处理，绝对定标系数不包含大气透过率定标系数。
基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法所用的***，其特征是，该***由地面发光装置靶板、供电***、支撑结构、现场辐射测量***、大气参数测量***和控制电脑构成；该***用于光学遥感器在轨绝对辐射标定；地面发光装置靶板发出的光被光学遥感器接收；供电***为地面发光装置靶标供电，供电***与控制电脑连接；地面发光装置设置在支撑结构上；现场辐射测量***用于实时测试地面发光装置的实时辐射量值和辐射特性数据，并将数据传输至控制电脑；大气参数测量***用于实时监测大气参数，并将数据传输至控制电脑。
本发明的有益效果是：本发明借助基于地面发光装置实现空间光学遥感器在轨绝对辐射定标的方法是利用一种主动的发光装置，在地面上建立由主动照明源形成的发光装置照明光学遥感器，并通过辐射计量技术、大气辐射透过率测量以及辐射理论，建立光学遥感器光学入瞳处辐射亮度，实现在光学遥感器的在轨定标，用于空间光学相机的定量遥感。因此可以全天时的甚至在夜间也可实现光学遥感器的辐射定标，具有周期短、频次高、成本低、全天时、灵活机动的优点。
附图说明
图1是本发明基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标***示意图。
图2是本发明所述地面发光装置靶板结构示意图。
图3是本发明基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法流程图。
图4是本发明所述地面发光装置辐射传输示意图。
图5是本发明所述地面发光装置等效积分辐射亮度示意图。
图6是本发明所述光学遥感器成像弥散光斑。
图7是本发明基于地面发光装置在轨绝对辐射定标辐射响应曲线图。
图中：1、地面发光装置靶板，2、供电***，3、支撑结构，4、现场辐射测量***，5、大气参数测量***，1-1、人工光源，1-2、散热***，6、控制电脑，7、光学遥感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标***，其由地面发光装置靶板1、供电***2、支撑结构3、现场辐射测量***4、大气参数测量***5和控制电脑6构成。基于地面发光装置在轨绝对辐射定标***用于光学遥感器7在轨绝对辐射标定。地面发光装置靶板1为一个平板型的靶板，发光装置发出的辐射亮度具有朗伯辐射特性，地面发光装置靶板1发出的光被光学遥感器7接收；供电***2为地面发光装置靶标1供电，由控制电脑6进行控制；支撑结构3为地面发光装置1提供结构支撑；现场辐射测量***4用于实时测试地面发光装置1的实时辐射量值和辐射特性数据，并将数据传输至控制电脑6；大气参数测量***5用于实时监测大气参数，并将数据传输至控制电脑6。
如图2所示，地面发光装置靶板1构成包括由多只人工光源组成的光源阵列靶板，包括人工光源1-1和散热***1-2。人工光源1-1采用具有朗伯特性、可以覆盖可见近红外波段的光源。散热***1-2安装在人工光源1-1下侧，用于保证人工光源1-1工作在合适的温度点。
如图3所示，基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法包括以下步骤：
步骤一：采用大气辐射传输软件modtran计算不同反射率典型地物在不同地点、不同时间向上光谱辐射量值，得到典型地物在光学遥感器入瞳处的光谱辐射亮度，形成光谱辐射亮度数据库。
步骤二：设计发光光源的参数组合保证地面发光装置靶板1可提供步骤一获得的典型地物在光学遥感器入瞳处的最大光谱辐射亮度Lmax。
如图4所示，地面发光装置靶板1采用具有余弦分布特性的光谱辐射通量为Pi(λ)的M个LED作为人工光源1-1，地面发光装置靶板1输出光谱辐射强度I(θ，λ)为，
其中，i为LED的序号，Pi(λ)表示i序号的LED光谱辐射通量，β表示人工光源1-1的发散角，θ为靶板观察光学遥感器的天顶角，等于光学遥感器的侧摆角。
在λ1～λ2波段内的积分辐射强度I表示为，
其中，表示i序号的LED积分辐射通量。
当人工光源1-1序号i的LED电功率为Ni，发光效率为ki时，积分辐射强度I与光源电功率的关系为，
M个功率N、发光效率k的LED的合成积分辐射强度为：
M个功率N、发光效率k的LED的合成积分辐射亮度L(θ)为：
其中，d为地面地面发光装置靶板的边长。
如图5所示，M个功率N、发光效率k的LED在光学遥感器入瞳处产生的个像元分辨率面积内(GSD2)的产生的等效积分辐射亮度LCAM为：
其中，GSD为光学遥感器的地面像元分辨率，τ↑为大气层ATM向上光谱透过率，可以借助太阳光度计、地面气象设备实地测量并结合大气辐射传输软件可以获得。
根据步骤1计算得到的Lmax、地面像元分辨率GSD、大气层ATM向上光谱透过率τ↑、LED功率N、LED发光效率k以及人工光源1-1的发散角β即可得到地面发光装置所需要的最大LED数量M。
人工光源1-1是n×n的LED阵列，其中n为整数，
步骤三：根据光学遥感器的遥感地物目标，查找步骤一形成的光谱辐射亮度数据库，得到所需模拟的辐射度等级。
采用地面发光装置靶板1模拟五组不同辐射亮度等级，包括一个不发光的地面发光装置靶板1用于扣除地面发光装置靶板1本身的反射辐射的影响。地面发光装置靶板1铺设的方位与光学遥感器7飞行方向一致。
相邻地面发光装置靶板1间的摆放间隔大于10倍GSD。定标场地要求为均匀低反射率，场地面积大于[10(N+1)GSD]2。
步骤四：在光学遥感器7过顶前半个小时，根据步骤三得到辐射亮度等级打开地面发光装置靶板1。
步骤五：在卫星过顶时刻，现场辐射测量***4和大气参数测量***5实时监测辐射亮度数据和大气参数，并将监测数据传输至控制电脑6。采用太阳光度计、水平大气透过率以及相关仪器，完成大气光学参数的测量(大气透过率为τ↑)，根据实验室获得的辐射亮度角度分布曲线，得到卫星指向的绝对光谱辐射亮度L。
步骤六：光学遥感器图像DN值统计，地面发光装置靶板1的光源光面积小于光学遥感器7的地面分辨率，受衍射影响，由地面发光装置靶板1照明产生的图像为弥散的光斑(如图6所示)，弥散光斑散布在目标像元附近的一个区域内，光学遥感器7总的辐射响应输出为该区域内所有像元响应输出之和。为计算方便该区域取一个边长像元数N的矩形区域，由地面发光装置靶板1照明光学遥感器7所产生总的数码值DN表示为：
其中，i为像元序号，DNS(i)第i个像元处产生的数码值。
步骤七：控制电脑6根据定标时刻的实时亮度数据L、大气参数τ↑以及步骤六中得到DN值完成绝对辐射定标数据处理，绝对定标系数不包含大气透过率定标系数。
发光装置靶板1在光学遥感器上的辐射响应方程为：
DNk＝RCAM·Lk·τ↑+DNB
其中，k为地面发光装置靶板1序号，x＝(1，2，3…5)；DNk为第k个地面发光装置靶板1在光学遥感器产生的数码值，RCAM为光学遥感器的绝对定标系数，Lk为第k个地面发光装置靶板1的等效积分辐射亮度，DNB为辐射响应方程拟合本底信号。
辐射响应曲线如图7所示，曲线的斜率RCAM为光学遥感器7的绝对辐射响应度，截距DNB为背景辐射或暗信号输出。

Claims (4)

1.基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，采用大气辐射传输软件modtran计算不同反射率典型地物在不同地点、不同时间向上光谱辐射量值，得到典型地物在光学遥感器入瞳处的光谱辐射亮度，形成光谱辐射亮度数据库；
步骤二，设计发光光源的参数组合保证地面发光装置靶板可提供步骤一获得的典型地物在光学遥感器入瞳处的最大光谱辐射亮度，根据典型地物最大等效辐射亮度完成地面发光装置参数设计；
步骤三，根据光学遥感器的遥感地物目标，查找步骤一形成的光谱辐射亮度数据库，确定所需模拟的辐射度等级和摆放方式；
步骤四，在光学遥感器过顶前半个小时，根据步骤三得到辐射亮度等级打开地面发光装置靶板；
步骤五，在卫星过顶时刻，现场辐射测量***和大气参数测量***实时监测辐射亮度数据和大气参数，并将监测数据传输至控制电脑；
步骤六，获取光学遥感器定标图像，完成图像数码值统计；
步骤七，控制电脑根据定标时刻的实时亮度数据、大气参数以及步骤六中得到数码值完成绝对辐射定标数据处理，绝对定标系数不包含大气透过率定标系数。
2.根据权利要求1所述的基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法，其特征是，所述步骤二的设计方法为：
地面发光装置靶板采用具有余弦分布特性的光谱辐射通量为Pi(λ)的M个LED作为人工光源，地面发光装置靶板输出光谱辐射强度I(θ，λ)为，
其中，i为LED的序号，Pi(λ)表示i序号的LED光谱辐射通量，β表示人工光源的发散角，θ为靶板观察光学遥感器的天顶角，等于光学遥感器的侧摆角；
在λ1～λ2波段内的积分辐射强度I表示为，
其中，表示i序号的LED积分辐射通量；
当人工光源序号i的LED电功率为Ni，发光效率为ki时，积分辐射强度I与光源电功率的关系为，
M个功率N、发光效率k的LED的合成积分辐射强度为：
M个功率N、发光效率k的LED的合成积分辐射亮度L(θ)为：
其中，d为地面地面发光装置靶板的边长；
M个功率N、发光效率k的LED在光学遥感器入瞳处产生的个像元分辨率面积内(GSD2)的产生的等效积分辐射亮度LCAM为：
其中，GSD为光学遥感器的地面像元分辨率，τ↑为大气层ATM向上光谱透过率，可以借助太阳光度计、地面气象设备实地测量并结合大气辐射传输软件可以获得；
根据步骤一计算得到的Lmax、地面像元分辨率GSD、大气层ATM向上光谱透过率τ↑、LED功率N、LED发光效率k以及人工光源的发散角β即可得到地面发光装置所需要的最大LED数量M。
3.根据权利要求1所述的基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法所用的***，其特征是，该***由地面发光装置靶板、供电***、支撑结构、现场辐射测量***、大气参数测量***和控制电脑构成；该***用于光学遥感器在轨绝对辐射标定；
地面发光装置靶板发出的光被光学遥感器接收；
供电***为地面发光装置靶标供电，供电***与控制电脑连接；
地面发光装置设置在支撑结构上；
现场辐射测量***用于实时测试地面发光装置的实时辐射量值和辐射特性数据，并将数据传输至控制电脑；
大气参数测量***用于实时监测大气参数，并将数据传输至控制电脑。
4.根据权利要求3所述的基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法所用的***，其特征是，地面发光装置靶板由多只人工光源组成的光源阵列靶板，包括人工光源和散热***，散热***安装在人工光源下侧。
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