CN113945278B - 空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法，包括以下步骤：(1)建立发射前的变辐亮度定标方程；(2)建立发射前的变积分时间定标方程；(3)建立发射前两种定标方程之间的函数映射关系；(4)计算入轨后漫反射板在波段内的加权平均光谱辐亮度L0；(5)建立在轨衰减后的变积分时间定标方程；(6)更新在轨衰减后的变辐亮度定标方程。本发明方法在传统太阳漫反射板基础上无需增加额外的定标装置，保证了仪器在轨工作的可靠性；流程简单，通用性强；通过设置多档积分时间覆盖仪器的整个动态范围获取多点定标数据，可以实现非线性定标参数的在轨更新，这是传统两点在轨定标方法所不具备的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学遥感仪器辐射定标的技术领域，特别涉及到一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法。
背景技术
空间光学遥感仪器在发射前，通常会采用实验室积分球标准光源完成反射波段的辐射定标测试，获取仪器在整个动态范围内的辐射响应模型及定标参数。遥感仪器受发射过程中的振动、剧烈变化的温度以及在轨运行期间受到的辐照、污染和元器件自身衰减等因素的影响，其定标参数等会产生突变或渐变。因此，为了提高遥感数据的高精度定量化应用水平，需要定期对仪器进行在轨辐射定标。
目前，国际主流典型空间光学遥感仪器基本都采用“太阳+漫反射板”或“太阳+衰减屏+漫反射板”的在轨辐射定标技术方案，通过引入均匀且高度稳定的太阳辐射作为反射波段在轨辐射定标的标准源。但传统的“太阳+漫反射板”或“太阳+衰减屏+漫反射板”的技术方案通常都是基于两点(漫反射板、冷空间)定标，当遥感仪器的辐射响应模型出现明显的非线性或非线性项在轨发生变化时，两点定标无法求解非线性定标方程的定标参数。因此，需要研究一种有效的在轨全动态范围辐射定标方法，在整个动态范围内通过多点定标的方式获取定标方程。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有在轨辐射定标方法中所存在的无法实现全动态范围辐射定标、获取仪器非线性定标参数的技术问题，提出了一种在传统太阳漫反射板基础上无需增设额外定标装置的在轨全动态范围辐射定标方法。
为了解决上述问题，本发明的在轨全动态范围辐射定标方法具体步骤如下：
(1)空间光学遥感仪器发射前，在保持仪器积分时间不变的条件下，通过改变地面定标光源的辐亮度等级获取反射波段的辐射定标方程L＝f(DN)，L是仪器接收的辐亮度，DN是仪器的响应信号，f是变辐亮度定标方程的函数表达式；
(2)空间光学遥感仪器发射前，在保持地面定标光源辐亮度等级不变的条件下，通过改变仪器的积分时间档位获取反射波段的辐射定标方程Lint＝fint(DN)，Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，fint是变积分时间定标方程的函数表达式；
(3)建立变辐亮度定标方程f与变积分时间定标方程fint两者之间的函数映射关系L＝F(Lint)，L是仪器接收的辐亮度，Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，F是函数映射关系的表达式；
(4)空间光学遥感仪器发射入轨后，计算大气上界太阳照明漫反射板在仪器观测方向上产生的光谱辐亮度LSD(λ)；结合发射前实验室测量的仪器光谱响应函数R(λ)，计算波段内的加权平均光谱辐亮度L0；
(5)空间光学遥感仪器发射入轨后，以多档积分时间的方式观测漫反射板并采集定标数据；当积分时间为Tint时，仪器接收的变积分时间等效辐亮度为Lint＝Tint·L0，此时对应的仪器响应信号为DNint；通过设置多档积分时间，可以在整个动态范围内获取多个定标数据点(DNint，Lint)，采用多组数据点回归分析的方法得到在轨衰减后的变积分时间定标方程 是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，/>是在轨后变积分时间定标方程的函数表达式；
(6)利用步骤(3)中得到的两种定标方程的函数映射关系F以及步骤(5)中得到的在轨衰减后的变积分时间定标方程就可以获得仪器在轨衰减后的变辐亮度定标方程/>Lorbit是在轨后仪器接收的辐亮度，/>是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度。
优选的，步骤(4)所述光谱辐亮度式中，λ为波长；θi，/>分别为定标时刻太阳的入射天顶角与方位角；θv，/>分别为仪器的观测天顶角与方位角；E0(λ)为大气上界的太阳光谱辐照度；D为定标时刻的日地距离因子；fr为定标时刻漫反射板的双向反射率分布函数。
优选的，步骤(4)所述波段内的加权平均光谱辐亮度式中，λ为波长，λ1、λ2分别为波长下限和上限；LSD(λ)为大气上界太阳照明漫反射板在仪器观测方向上产生的光谱辐亮度；R(λ)为发射前实验室测量的仪器光谱响应函数。
优选的，步骤(5)所述积分时间Tint为归一化积分时间，其量纲为1，定义为式中，tint为遥感仪器的物理积分时间，/>为遥感仪器对地观测和变辐亮度定标时的物理积分时间。
本发明与现有技术方法相比具有以下的优点：
本发明在传统太阳漫反射板基础上无需增加额外的定标装置，保证了仪器在轨工作的可靠性；具有很好的通用性，流程简单易于在轨实施。
本发明通过设置多档积分时间覆盖仪器的整个动态范围获取多点定标数据，可以实现非线性定标参数的在轨更新，这是传统两点在轨定标方法所不具备的优点。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施方式的实现流程示意图。
图2是本发明的一种具体实施方式中的变辐亮度定标方程实施例。
图3是本发明的一种具体实施方式中的变积分时间定标方程实施例。
图4是本发明的一种具体实施方式中的变辐亮度与变积分时间定标方程间的函数映射关系实施例。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明的空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法具体实施需要如图1所示的6个步骤。
(1)建立发射前的变辐亮度定标方程。
在实验室暗室内，仪器物理积分时间选择对地观测常用的档位并保持该参数不变，调节积分球定标光源的辐亮度等级使光强能够覆盖仪器的整个动态范围。在每个辐亮度等级下，采集仪器对积分球观测的响应信号DNi。
在每个辐亮度等级下，当遥感仪器采集数据结束后，紧接着利用高精度标准传递光谱辐射计对积分球进行同步校准得到光谱辐亮度结合发射前实验室测量的仪器光谱响应函数R(λ)，计算波段内的加权平均光谱辐亮度Li。
在整个仪器动态范围内，采用多组数据点(DNi，Li)回归分析的方法得到发射前的变辐亮度定标方程L＝f(DN)，L是仪器接收的辐亮度，DN是仪器的响应信号，f是变辐亮度定标方程的函数表达式。图2是该方程的一个实施例。
(2)建立发射前的变积分时间定标方程。
在实验室暗室内，选择一个合适的积分球光谱辐亮度等级保持该辐亮度等级不变，改变遥感仪器的积分时间档位使信号能够覆盖仪器的整个动态范围，并采集每一档积分时间下观测积分球的响应信号DNint。
根据发射前实验室测量的仪器光谱响应函数R(λ)以及积分球光谱辐亮度计算波段内的加权平均光谱辐亮度LIS；每一档积分时间下仪器接收的辐亮度为Lint＝Tint·LIS，Tint为归一化积分时间。
在整个仪器动态范围内，采用多组数据点(DNint，Lint)回归分析的方法得到发射前的变积分时间定标方程Lint＝fint(DN)，Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，fint是变积分时间定标方程的函数表达式。图3是该方程的一个实施例。
(3)建立发射前两种定标方程之间的函数映射关系。
在整个仪器动态范围内，生成一个响应信号序列，将该信号序列分别代入两种定标方程中可以得到两种辐亮度序列L与Lint，同样采用回归分析的方法可以得到发射前两种定标方程之间的函数映射关系L＝F(Lint)，L是仪器接收的辐亮度，Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，F是函数映射关系的表达式。图4是该映射关系的一个实施例。
(4)计算入轨后漫反射板在波段内的加权平均光谱辐亮度L0。
根据空间平台的轨道与姿态参数，漫反射板、仪器与平台的安装矩阵参数，漫反射板光学特性的表征参数，太阳的位置与光谱辐照度参数等计算大气上界太阳照明漫反射板在仪器观测方向上产生的光谱辐亮度LSD(λ)；结合发射前实验室测量的仪器光谱响应函数R(λ)，计算对应的波段内的加权平均光谱辐亮度L0。
(5)建立在轨衰减后的变积分时间定标方程。
空间光学遥感仪器发射入轨后，仪器以多档不同的积分时间来观测漫反射板并采集定标数据。当积分时间为Tint时，仪器接收的变积分时间等效辐亮度为Lint＝Tint·L0，此时对应的仪器响应信号为DNint。
通过设置多档不同的积分时间，可以在整个动态范围内获取多个定标数据点(DNint，Lint)，采用多组数据点回归分析的方法得到在轨衰减后的变积分时间定标方程 是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，/>是在轨后变积分时间定标方程的函数表达式。
(6)更新在轨衰减后的变辐亮度定标方程。
利用步骤(3)中得到的两种定标方程的函数映射关系F以及步骤(5)中得到的在轨衰减后的变积分时间定标方程就可以获得仪器在轨衰减后的变辐亮度定标方程Lorbit是在轨后仪器接收的辐亮度，
是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度。
以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并非对实施方式的限制，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或由此所引伸出的显而易见的变化或变动等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)空间光学遥感仪器发射前，在保持仪器积分时间不变的条件下，通过改变地面定标光源的辐亮度等级获取反射波段的辐射定标方程L＝f(DN)，L是仪器接收的辐亮度，DN是仪器的响应信号，f是变辐亮度定标方程的函数表达式；
(2)空间光学遥感仪器发射前，在保持地面定标光源辐亮度等级不变的条件下，通过改变仪器的积分时间档位获取反射波段的辐射定标方程：
Lint＝fint(DN)，
式中Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，fint是变积分时间定标方程的函数表达式；
(3)建立变辐亮度定标方程表达式f与变积分时间定标方程表达式fint两者之间的函数映射关系L＝F(Lint)，L是仪器接收的辐亮度，Lint是仪器接收的变积分时间等效辐亮度，F是函数映射关系的表达式；
(4)空间光学遥感仪器发射入轨后，计算大气上界太阳照明漫反射板在仪器观测方向上产生的光谱辐亮度LSD(λ)，结合发射前实验室测量的仪器光谱响应函数R(λ)，计算波段内的加权平均光谱辐亮度L0，λ是波长；
(5)空间光学遥感仪器发射入轨后，以多档积分时间的方式观测漫反射板并采集定标数据；当积分时间为Tint时，仪器接收的变积分时间等效辐亮度为Lint＝Tint·L0，此时对应的仪器响应信号为DNint；通过设置多档积分时间，可以在整个动态范围内获取多个定标数据点(DNint，Lint)，采用多组数据点回归分析的方法得到在轨衰减后的变积分时间定标方程 是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度，DN是仪器的响应信号，/>是在轨后变积分时间定标方程的函数表达式；
(6)利用步骤(3)中得到的两种定标方程的函数映射关系表达式F以及步骤(5)中得到的在轨衰减后的变积分时间定标方程表达式就可以获得仪器在轨衰减后的变辐亮度定标方程/>Lorbit是在轨后仪器接收的辐亮度，/>是在轨后仪器接收的变积分时间等效辐亮度。
2.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法，其特征在于，步骤(4)中所述光谱辐亮度 式中，λ为波长；θi，/>分别为定标时刻太阳的入射天顶角与方位角；θv，/>分别为仪器的观测天顶角与方位角；E0(λ)为大气上界的太阳光谱辐照度；D为定标时刻的日地距离因子；fr为定标时刻漫反射板的双向反射率分布函数。
3.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法，其特征在于，步骤(4)中所述波段内的加权平均光谱辐亮度式中，λ为波长，λ1、λ2分别为波长下限和上限；LSD(λ)为大气上界太阳照明漫反射板在仪器观测方向上产生的光谱辐亮度；R(λ)为发射前实验室测量的仪器光谱响应函数。
4.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感仪器反射波段在轨全动态范围辐射定标方法，其特征在于，步骤(5)中所述积分时间Tint为归一化积分时间，其量纲为1，定义为式中，tint为遥感仪器的物理积分时间，/>为遥感仪器对地观测和变辐亮度定标时的物理积分时间。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李秀举 等.扫描镜热辐射校正对FY-4A星AGRI定标禁锢的提升研究.《红外与毫米波学报》.2022,第41卷(第3期),608-617. * |
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| CN113945278A (zh) | 2022-01-18 |
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