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基于太阳漫射板的星上定标方法研究

更新时间：2019-12-25 11:09:58 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：太阳漫射板 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

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%。


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基于太阳漫射板的星上定标方法研究.pdf 2M

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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．３ ９５２９５７  
ｐｐ  
第
卷
３７  
ꢀ
期
３
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｍａｒｃｈ ２０１７  
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１７  
ꢀꢀꢀ  
３
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
基于太阳漫射板的星上定标方法研究  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
张黎明  
，
司孝龙  
，
曹兴家  
，
李俊麟  
，
汪
，
朱雪梅  
黄文薪  
伟
ꢀ
，
中国科学院安徽光学精密机械研究所 安徽 合肥  
１．  
２３００３１  
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀ  
，
中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室 安徽 合肥  
２．  
２３００３１  
ꢀ
、 、 ，  
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  
ꢀ
摘
要
ꢀ
。 、  
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  
。 ， ，  
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  
度最主要的因素是太阳漫射板  
ＢＲＤＦ  
。
进行了测量 通过对太阳漫射板  
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  
，
量值的监测及修正 确保太阳漫射板定标时刻  
从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的  
ＢＲＤＦ  
， 。 ，  
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 类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定  
Ｂ
，
度进行了预估 可实现星上反射率定标不确定度优于  
，
。
２．０４％  
绝对辐射定标方法不确定度优于  
２．０３％  
； ； ；  
关键词 遥感 星上定标 太阳漫射板 双向反射分布函数  
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
（
）
中图分类号  
ＴＰ７９  
ꢀꢀ  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０３０９５２０６  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
－
（
卫星搭载的中分辨率成像光谱仪  
ｍｏｄｅｒａｔｅｒｅｓｏ  
射的  
Ｔｅｒｒａ  
ꢀ
－
，
ｌｕｔｉｏｎｉｍａｉｎ ｓｅｃｔｒｏｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ＭＯＤＩＳ  
ｇ ｇ ｐ  
）
采 用 了 基 于 太 阳  
引
言
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
２００２  
漫射板的星上定标方法  
年欧空局  
卫星搭载的  
ＥｎｖｉＳａｔ  
（
中分辨率成像光谱仪  
ｍｅｄｉｕｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｍａｉｎ ｓｅｃｔｒｏｍｅ  
要获得遥感探测器的预期应用性能就需要在使用前先对  
ꢀꢀ  
ꢀ
ꢀ
－
ｇ ｇ ｐ  
ꢀ
，
其进行定标 随 着 卫 星 遥 感 数 据 定 量 化 应 用 的 需 求 日 趋 迫  
，
）
也采用了同样的星上定标方法 两者当时都实  
ｔｅｒ ＭＥＲＩＳ  
，
，
。
对遥感器的定标精度提出了更高的要求 遥感仪器在发  
，
２％  
切
现了星上反射率定标不确定度优于  
绝对辐射定标不确  
基于太阳漫射板高精度  
星上定标的实现主要是依赖于地面实验室对太阳漫射板双向  
［
］
。
３５  
－
的高精度星上定标  
５％  
，
射前会在实验室完成全面的高精度定标 系统的响应模型及  
定度优于  
。
各个参数都已确定 由于遥感仪器元器件在发射过程中可能  
、 ，  
受振动产生微小相对位移 燃料燃烧排放物的污染 在发射  
（
，
反射分布函数  
ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
、
后又有辐照 温度剧烈变化及元器件自身随时间发生老化等  
） ，  
的精确测量 以及太阳漫射板  
ＢＲＤＦ  
衰减具有各向同  
ＢＲＤＦ  
［］  
５
。
， ，  
影响 其系统参数会发生变化 与发射前实验室定标结果会  
性的特点  
太阳漫射板  
在发射前的地面存储过程中  
ＢＲＤＦ  
。 ，  
产生差异 从发射时到遥感器寿命终结的整个过程 对其系  
， 、  
可能会受污染 发射后在空间环境中受紫外辐照 原子氧剥  
统参数及状态的确认只能通过星上定标及在轨同步检测来实  
、 ，  
质子轰击等影响会随时间缓慢衰减 因此对其全寿命期  
蚀
。
、 、  
星上定标是一种具有高频次 高效率 高精度等优点的  
现
量值的监测及修正方法研究就成了保证遥感器全寿命  
ＢＲＤＦ  
期星上定标精度的关键  
我国在遥感定标领域的发展起步较晚 目前还未实现真  
，
独立定标方法 更适合遥感仪器的实际应用需求  
。
从
１９７２  
。
年
，
开始 美国  
，
系列卫星就已经开始将星上定标方法应  
Ｌａｎｄｓａｔ  
，
用于遥感器的星上定标 经历了基于标准灯的部分孔径部分  
，
正意义上的全孔径全光路端到端的高精度星上定标 传统定  
。
标方法的精度已不能满足遥感定量化应用需求 为提高我国  
光路星上定标到基于标准灯 积分球的全孔径部分光路星上  
＋
，
定标 再到目前基于太阳漫射板的全孔径全光路高精度星上  
，
遥感卫星的定标精度 促进遥感数据定量化应用的发展  
，
安
。
定标的发展演变过程 其中基于太阳漫射板的星上定标方法  
徽光学精密机械研究所开展了基于太阳漫射板的星上定标方  
［
］
１５  
。
－
，
美国发  
。
法研究 本文根据所建立的基于太阳漫射板的星上定标物理  
代表了当前星上定标的最高技术水平  
年
１９９９  
：
，
：
修订日期  
２０１６０７１９  
收稿日期  
２０１６０２２２  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（ ）  
资助  
ＣＸＪＪ１６Ｓ００７  
基金项目 中国科学院重点实验室基金项目  
－
：
，
，
年生 中国科学院合肥物质科学研究院博士研究生  
ｅｍａｉｌ ｈｕａｎ ｗｅｎｘｉｎ．０６０５６９ １６３．ｃｏｍ  
ꢀꢀ  
：
作者简介 黄文薪  
１９８８  
－
ｇ
＠
第
期
光谱学与光谱分析  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
３
９５３  
，
模型 对发射前后影响星上定标精度的因素进行了分析  
，
并
， ，  
星上定标数据获取后 遥感器可进行地物观测 地物目  
ꢀꢀ  
（， ）  
可表示为  
λ
ｔ
对太阳漫射板星上定标时需要使用的所有照明及观测角度下  
标表观辐亮度  
Ｌａｒｅ  
ｔ
ｔ
ｇ
。
进行了测量 由于地面实验室无法模拟太空环境及缺  
（）  
ｃｏｓ  
λ
ｓ
（
）
，
ｔ
ＢＲＤＦ  
Ｅ
θ
ＥＶ  
（， ）  
λ
ｔ
·
Ｌａｒｅ  
ｔ
＝
ｔ
ｇ
２
Ｒ ｔ  
（）  
、 ，  
少如太阳般稳定 照度均匀的光源 结合目前国内对定标模  
（
，
θ
ＥＶ ｔ  
，
，
ＥＶ ｔ  
；
，
θ
ｖ ｔ  
，
； ； ）  
（）  
４
，
ｔ
λ
ｖ ｔ  
ｆｔａｒｅ  
ｇ
ｔ
ｅ
ｅ
， ，  
型所包含参数的相关测量水平 采用 类评定的方法 最终  
Ｂ
（）  
和式  
３
（）  
可得到所观测地物目标的表观反射率  
４
根据式  
。
合成给出了基于太阳漫射板的星上定标不确定度  
（
，
θ
ＥＶ ｔ  
，
，
ＥＶ ｔ  
；
，
θ
ｖ ｔ  
，
； ； ）  
，
ｔ
λ ＝  
ｖ ｔ  
ｆｔａｒｅ  
ｇ
ｔ
ｅ
ｅ
（
ｃｏｓ  
θ
ＳＤ ｔ  
， ） （， ）  
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
，
ＳＤ ｔ  
；
，
； ） （， ）  
Ｌａｒｅ ｔ  
λ
ｔ
Ｈ
ｔ
，
λ
θ
λ
ｆｌａｂ  
ｖ
ｖ
ｔ
ｇ
基于太阳漫射板的星上定标原理  
１
ꢀ
（）  
５
（
ｃｏｓ  
θ
ＥＶ  
）
（， ）  
Ｌ ｔ  
λ
ＳＤ  
，
ｔ
：
（）  
为大气外太阳光谱辐照度  
λ
；
Ｌ
（， ）  
为星 上 定  
ＳＤ  
其中  
Ｅ
ｔ
λ
ｓ
基于太阳漫射板的星上定标就是在合适的时机下将太阳  
ꢀꢀ  
，
时刻 太阳漫射板遥感器观测方向的光谱辐亮度  
；
Ｌａｒｅ  
ｔ
标
ｔ
ｔ
ｇ
，
漫射板展开于遥感器入瞳前端 引入光谱辐照度稳定均匀的  
（， ）  
为 遥 感 器 观 测 方 向 的 地 物 目 标 表 观 辐 亮 度  
ｔ
λ
；
，
，
ＳＤ ｔ  
θ
，
已知的太阳漫射板 产生光谱辐亮度  
大气外太阳照明  
ＢＲＤＦ  
；
，
分别为星上定标 时刻 太阳漫射板坐标系下的  
θ   
ｖ ｖ  
，
，
ＳＤ ｔ  
ｔ
。
，
已知的空间辐射标准 遥感器通过观测空间辐射标准 结合  
它的实时响应模型可建立已知输入与其探测器输出计数值的  
；
太阳入射 天 顶 角 与 方 位 角 及 遥 感 器 观 测 天 顶 角 与 方 位 角  
，
，
ＥＶ ｔ  
；
，
ｖ，ｔ分别为遥感器观测地物目标时太阳照  
，
ｖ ｔ ｅ  
，
θ
ＥＶ ｔ  
θ
ｅ
， 。  
关系 实现高精度星上辐 射 定 标 与 地 面 反 射 率 测 量 类 似  
，
；
ｆ
明目标的天顶角与方位角及遥感器观测天顶角与方位角  
，
可将太阳漫射板作为标准参照 观测地物目标得到的  
值
ＤＮ  
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
； ， ； ； ）  
为 星 上 定 标 时 刻 太 阳 以 角 度  
ｔ
θ  λ  
ＳＤ ｔ ｖ ｖ  
，
，
，
ｔ
与观测反射率已知漫射板得到的  
值比较可实现星上高精  
ＤＮ  
，
， ，  
θ   
ｖ ｖ  
ＳＤ ｔ照明太阳 漫 射 板  
，
角 度 观 测 的 太 阳 漫 射 板  
，
θ
ＳＤ ｔ  
。
度表观反射率定标 太阳漫射板星上定标原理如图 所示  
１
，
；
ＢＲＤＦ  
ｆ
（
，
θ
ＥＶ ｔ  
，
，
ＥＶ ｔ  
；
，
θ
ｖ ｔ  
， ； ； ）  
为遥感器观测地  
，
ｅｖ ｔ  
ｔ
λ
ｔ
ａ
ｒｅ  
ｔ
ｅ
ｇ
其中比辐射计 用 于 星 上 监 测 太 阳 漫 射 板 长 期 的  
衰 减  
ＢＲＤＦ  
２
；
（） ； （， ）  
为日地距离因子 为星  
Ｈ ｔ  
λ
物目标的表观反射率  
Ｒ ｔ  
，
系数 并以此对太阳漫射板  
，
量值进行实时修正 确保  
ＢＲＤＦ  
；
ｆｌａ  
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
；
，
ＳＤ ｔ  
上定标 时刻的太阳漫射板综合衰减系数  
ｔ
，
ｂ
。
遥感器全寿命期的星上定标精度  
，
； ）  
为星上定标 时刻太阳漫射板所对应角度的实验室  
 λ  
ｖ
ｔ
θ
ｖ
。
ＢＲＤＦ  
测量  
（）  
非 常 均 匀  
λ
、
上述公式中的大气外太阳光谱辐照度  
Ｅ
ｓ
［］  
６
，
日地距离因子  
，
稳定 由国内外专家长期科学观测得到  
Ｒ
（）、  
太阳照明角度  
ｔ
，
，
ＳＤ ｔ  
，
，
ｔ ＥＶ  
和
ｔ可根据卫星轨道  
，
，
θ
ＳＤ ｔ  
θ
ＥＶ  
，
（， ）  
与
ｔ
λ
ｔ
（，  
Ｌ
λ
ＳＤ  
参数及所选取星上定标时机计算得出  
Ｌａｒｅ  
ｔ
ｇ
）
的比值可由遥感器的实时输出响应消去探测器响应度后确  
ｔ
，
ｆｌａ  
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
；
， ； ）  
在 实 验 室 可 实 现 高 精 度 测  
θ  λ  
ＳＤ ｔ ｖ ｖ  
定
，
，
ｂ
［］  
７
。
，
（， ） ，  
确定 则  
ｔ
λ
量
因此 一旦太阳漫射板综合衰减系数  
Ｈ
（）  
及式  
３
（）  
实现遥感器星上高精度绝对辐射定标及  
５
可根据式  
。
反射率定标 其中  
， （）  
式 建立的星上空 间 辐 射 标 准 可 对 高  
３
、 ，  
光谱型 偏振型及干涉型等遥感器进行绝对辐射定标 而各  
图
太阳漫射板星上定标及其  
衰减监测原理示意图  
ＢＲＤＦ  
１
ꢀ
，
种遥感器响应模型不确定度都不同 本文只讨论基于太阳漫  
Ｆｉ．１ ＯｎｏｒｂｉｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＳＤａｎｄ  
ꢀ － ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
。
射板定标方法的不确定度  
ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｏｆｔｈｅＳＤＢＲＤＦｄｅｅｎｅｒａｔｉｏｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ꢀ
星 上 定 标 时 机 及 太 阳 漫 射 板 全 寿 命 期  
２
ꢀ
，
根据实际星上定标实现过程 星上定标 时刻太阳漫射  
ｔ
ꢀꢀ  
（， ）  
为
ｔ
λ
量值确定  
ＢＲＤＦ  
板遥感器观测方向的光谱辐亮度  
ＬＳＤ  
（）  
ｃｏｓ  
λ
ｓ
（
）
，
ＳＤ ｔ  
Ｅ
θ
（， ）  
ｔ
λ ＝  
Ｌ
ＳＤ  
×
２
（）  
Ｒ ｔ  
（）  
与式  
３
（）  
所包含参数的误差都会对太阳漫射板星上  
５
式
ꢀꢀ  
，
定标不确定度作出贡献 而不包含在定标物理模型中的影响  
（
θ
ｆ ＳＤ ｔ  
，
； ， ； ； ）  
ｔ
θ  λ  
ＳＤ ｔ ｖ ｖ  
（）  
１
，
，
，
因素还存在来自地球及大气散射杂散光的影响 其影响程度  
太阳漫射 板 在 地 面 储 存 和 空 间 环 境 中  
量 值 都 会  
ＢＲＤＦ  
ꢀꢀ  
。
与星上定标时机的选择有关  
，
发生衰减 根据漫射板  
，
实
量值衰减各向同性的特点  
ＢＲＤＦ  
量值与实验室测量量值存在如下关系  
星上定标时机选择  
２．１  
时的  
ꢀ
ＢＲＤＦ  
星上定标一般 选 择 在 卫 星 入 光 之 后 星 下 点 入 光 之 前 进  
（
θ
ｆ ＳＤ ｔ  
，
，
ＳＤ ｔ  
；
，
； ； ）  
ｔ
λ
（， ）  
ｔ
λ
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
； ， ； ）  
，
θ  λ  
ＳＤ ｔ ｖ ｖ  
，
Ｈ
，
θ
＝
ｖ
ｖ
ｆｌａｂ  
，
， 、  
如图 所示 将卫星 地球与太阳之间形成的夹角定义  
２
行
为
（
（）  
２
（
ＳＥＳｓａｔｅｌｌｉｔｅｅａｒｔｈｓｕｎ  
ꢀ
） 。  
角 根 据 日 本 温 室 气 体 观 测 卫 星  
ꢀ
， （）  
式 可改写为  
１
因此  
）
，
当
星 上 所 做 的 杂 散 光 影 响 分 析 实 验  
角 在  
ＳＥＳ  
ＧＯＳＡＴ  
（）  
（
ｃｏｓ  
θ
ＳＤ ｔ  
）
，
Ｅ
ｓ
λ
（， ）  
ｔ
λ ＝  
Ｌ
ＳＤ  
×
２
（）  
Ｒ ｔ  
［］  
８
，
范围时受来自地球及大气杂散光影响最小  
１０５° １０９°  
～
据
（， ）  
ｔ
λ
（
θ
ＳＤ ｔ  
，
； ， ； ）  
θ  λ  
ＳＤ ｔ ｖ ｖ  
（）  
３
此可确定卫星坐标系下每轨周期性变化的太阳入射卫星天顶  
Ｈ
，
，
ｆｌａｂ  

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