CN102346247B - Hj-1b b08的有效波段宽度计算方法及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HJ-1B B08的有效波段宽度计算方法及定标方法，具体为：1)卫星在发射前根据实验室里面的标准面源黑体数据建立面源黑体温度与辐照度转换方程，计算在不同面源黑体温度时的辐照度；2)根据地面标准面源黑体下的比辐射率、温度和通道响应函数，构建有效辐亮度与面源黑体温度的方程，并计算在特定面源黑体温度时面源黑体的有效辐亮度；3)根据光学物理学中，辐照度和辐亮度存在的基本关系，构建基于地面实验室数据的有效波段宽度和面源黑体温度的查找表，得到不同黑体温度条件下的有效波段宽度。本发明的有效波段宽度计算方法，不仅考虑了通道响应函数，还充分考虑了其它可能影响到有效波段宽度值的参数，其计算出的有效波段宽度值准确能很好的应用于星上定标。

Description

HJ-1B B08的有效波段宽度计算方法及定标方法

技术领域

本发明涉及一种轨星上有效波段宽度计算及定标方法，尤指一种HJ-1B B08在轨星上的有效波段宽度计算及定标方法。

背景技术

通道有效波段宽度是星上定标实施过程中的重要参数，现有计算有效波段宽度的方法均以传感器通道响应CRF为基础，其中主要有半高宽法和矩方法。半高宽法以光谱最大响应的一半高度(0.5Rmax)来表示，经验化且简单，如图1所示。矩方法通过中心波长来计算有效波段宽度，但是由于以上两种方法没有充分考虑影响有效波段宽度的因素，以及HJ-1B B08通道响应的特性，因此半高宽法和矩方法计算出的通道有效波段宽度往往不准确，从而影响定标结果，半高宽法过低计算了通道有效波段宽度，定标结果偏高，而矩方法定标结果偏低，半高宽法和矩方法并不适用于HJ-1B B08通道有效波段宽度的计算。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于HJ-1B B08通道有效波段宽度计算，且计算准确，能很好的应用于星上定标的有效波段宽度计算方法及其定标方法。

为实现上述目的，本发明的HJ-1B B08在轨星上定标有效波段宽度的方法，具体为：1)HJ-1B B08通道在发射前根据实验室里面的标准面源黑体数据建立面源黑体温度与辐照度转换方程，计算在不同面源黑体温度T_m时的辐照度N_Tm；2)根据地面标准面源黑体下的比辐射率ε_m、温度T_m和通道响应函数CRF，利用Planck方程，构建有效辐亮度L_m与面源黑体温度T_m的方程，并计算在特定面源黑体温度T_m时面源黑体的有效辐亮度L_m；3)根据光学物理学中，辐照度和辐亮度存在的基本关系，构建基于地面实验室数据的有效波段宽度和面源黑体温度的查找表，得到不同黑体温度T_m条件下的有效波段宽度Δλ。

进一步，所述HJ-1B卫星的面源黑体温度与辐照度转换方程为

k₀，k₁，k₂，k₃是已知常数。

进一步，所述有效辐亮度L_m与面源黑体温度T_m的方程为

式中h为Planck常数，k为玻耳兹曼常数，c为光速，f(λ)为传感器通道响应函数CRF，其中

为Planck万程。

进一步，辐照度和辐亮度存在的基本关系为N＝π×Δλ×L。

本发明的HJ-1B B08在轨星上的定标方法，具体为：1)卫星发射后根据面源黑体温度与辐照度转换方程，计算星上定标黑体在特定温度T_c时，定标黑体发射的辐照度N_Tc；2)根据上述建立的查找表，计算星上定标黑体在温度Tc时对应的有效波段宽度，再根据辐照度和辐亮度存在的基本关系，得到定标黑体的辐亮度L_Tc；3)利用星上定标黑体在高温点(328±5K)和低温点(293±5K)两点的L_定标黑体和DN_定标黑体，基于L＝(DN-b)/g回归得到星上定标系数：增益g和偏移b；4)根据得到的增益g和偏移b，利用式L＝(DN-b)/g对遥感影像进行计算，得到卫星观测地面时的辐亮度L。

本发明的HJ-1B B08的有效波段宽度计算方法，不仅考虑了HJ-1B B08的通道响应函数CRF，还充分考虑了其它可能影响到有效波段宽度值的参数，得到的有效波段宽度和面源黑体温度的查找表，有效波段宽度Δλ从星上定标低温点293±5K到高温点328±5K，由2.010近似线性变化到2.016，相对差异在0.3％以内，非常稳定。根据本发明的方法计算出的有效波段宽度进行定标，在低温点时，探元本身的记数差异在4DN左右，辐射差异在0.02W·m^-2·μm^-1·sr^-1左右，探元之间的相对差异较大；在高温点时，探元本身的记数差异在2DN左右，辐射差异在0.02W·m^-2·μm^-1·sr^-1左右，线性变化较为稳定，探元之间也存在一定的相对差异。为了降低记数差异和辐射差异的影响，本发明的定标方法对所有探元的响应作均值处理，分别得到低温点和高温点的辐亮度L及计数值DN，再通过线性回归，得到在不同有效波段宽度下的定标系数，定标准确，能很好的应用于星上定标。

附图说明

图1为半高宽法计算的有效波段宽度；

图2为本发明的查找表法计算的有效波段宽度；

图3为2009年8月5日星上定标高温点计数值；

图4为2009年8月5日星上定标低温点计数值；

图5为2009年8月14日星上定标高温点计数值；

图6为2009年8月14日星上定标低温点计数值；

图7为校正黑体辐射温度T_c与等效辐射率N_Tc对应曲线；

图8为2009年8月5日星上定标高温点辐射率；

图9为2009年8月5日星上定标低温点辐射率；

图10为2009年8月14日星上定标高温点辐射率；

图11为2009年8月14日星上定标低温点辐射率；

图12为青海湖湖区HJ-1B B08遥感影像；

图13为不同定标系数得到的水平剖面辐亮度；

图14为不同定标系数得到的垂直剖面辐亮度。

具体实施方式

以下对本发明的HJ-1B B08的有效波段宽度计算方法，具体说明如下：

1.式(1)是卫星在发射前根据实验室里面的标准面源黑体数据建立起来的温度与辐照度转换方程，利用式(1)计算在不同面源温度T_m时的辐照度N_Tm。

2.按照式(2)，利用Planck方程，地面标准面源黑体比辐射率ε_m、温度T_m和通道响应函数CRF，如图1所示，卷积积分计算在特定温度T_m时面源黑体的有效辐亮度L_m。其中，面源黑体比辐射率ε_m＝0.998，通道响应函数CRF是传感器的属性，由实验室里测量得到。

3.在光学物理学中，辐照度和辐亮度存在基本关系，如式(3)。因此，可通过N_Tm和πL_m的比值构建基于地面实验室数据的Δλ(T_m)查找表，得到在不同黑体温度T_m条件下的Δλ。

$N_{T_m}=k_0+k_1{T}_m+k_2{T_m}^2+k_3{T_m}^3$ 式(1)

上式(1)中，N_Tm为辐照度，单位W·m^-2。T_m为黑体温度，单位K。k₀，k₁，k₂，k₃是已知常数，如

表1所示。

$L_m=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\mathrm{\ϵ}}_{m}2h{c}^2{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}{\mathrm{kT}}_m}}-1)}^{-1}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$ 式(2)

上式(2)中，L_m为辐亮度，单位W·m^-2·μm^-1·sr^-1，h为Planck常数，取值6.626×10^-34，单位J.s，k为玻耳兹曼常数，取值1.3806×10^-23，单位J·K^-1，c为光速，取值2.998×10⁸，单位m·s^-1，f(λ)为传感器通道响应CRF。其中

为Planck方程。

N＝π×Δλ×L        式(3)

上式(3)中，Δλ为有效波段宽度，单位μm。

表1HJ-1B B08通道辐射率N和温度T的反演系数

查找表法得到的有效波段宽度结果如图2和表2所示。从图2可知，Δλ从星上定标低温点293±5K到高温点328±5K，由2.010近似线性变化到2.016，相对差异在0.3％以内，非常稳定。

表2查找表法计算的有效波段宽度

以下介绍本发明的查找表计算星上有效波段宽度的定标应用：

1.卫星发射后，根据式(1)计算星上定标黑体在特定温度T_c时，定标黑体发射的辐照度N_Tc。

2.根据建立的查找表，计算星上定标黑体在温度T_c时对应的有效波段宽度，再根据式(3)，得到定标黑体的辐亮度L_Tc。

3.利用星上定标黑体在高温点(328±5K)和常温点(293±5K)两点的L定标黑体和DN定标黑体，基于式(4)回归得到星上定标系数：增益g和偏移b。

L＝(DN-b)/g        式(4)

式(4)中DN为传感器计数值，即为影像记录值，b为定标系数的偏移，单位DN，g为定标系数的增益，单位DN·W^-1·m²·sr·μm。

4.根据得到的增益g和偏移b，利用式(4)对遥感影像进行计算，得到卫星观测地面时的辐亮度L。

现有的方法均以传感器通道响应CRF为基础，进行有效波段宽度的计算，其中主要有半高宽法和矩方法。半高宽法以光谱最大响应的一半高度(0.5Rmax)来表示，经验化且简单，如图1所示。矩方法通过中心波长来计算有效波段宽度，如式(5)所示。表3为三种方法计算出的Δλ结果，从表中可知，半高宽法和矩方法计算出的结果差异较大，相对差异在20％左右。查找表法得到的Δλ结果介于半高宽法和矩方法得到的结果之间。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\λ}=2\sqrt{3}\mathrm{\σ}\\ {\mathrm{\σ}}^2={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}f\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\λ}}^2\mathrm{d\λ}/{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}-{\mathrm{\λ}}_c^2\\ {\mathrm{\λ}}_c={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\λd\λ}/{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.$ 式(5)

上式(4)中，中λ_max和λ_min是波段的最大值和最小值，在这个波段范围之外传感器的响应函数是0，其它参数与上述参数一致。

表3  半高宽法和矩方法计算HJ-1B B08有效波段宽度

以2009年8月5日和2009年8月14日，星上定标黑体的记录数据为对象，利用三种不同的方法得到的有效波段宽度计算星上定标系数，并通过星上定标的精度来说明不同有效波段宽度值的优劣性。

HJ-1B B08波段共有10个扫描探元，每次星上定标时共进行225帧测控，测控参数主要记录在黑体状态文件(rcp格式)和传感器状态文件(ca1格式)中。ca1文件记录了传感器对热辐射响应的计数值DN，定标时每帧每个探元分别记录8次DN值，对应于ca1文件的最后8列，计算时取8个DN的均值。图3和图4分别为2009年8月5日星上定标高温点和低温点计数值计算结果，图5和图6分别为2009年8月14日星上定标高温点和低温点计数值计算结果。

rcp文件包含了定标时校正黑体的温度T_c和双面镜左、右边缘温度TM_L和TM_R，根据由地面标准面源黑体建立的式(1)计算校正黑体在温度T_c时传感器经由内部光路系统接受到的等效辐射率N_Tc(单位：W·m^-2)，其中k_i为发射前实验室测量的常数，图7为根据k_i计算出来的不同黑体温度T_c对应的辐射率N_Tc曲线。

B08波段通过双面镜观测成像，双面镜温度对内部光路系统具有辐射贡献，因此通过式(6)对双面镜的辐射贡献进行纠正，得到纠正后的辐照度N_c，式中a_ci和b_ci分别为双面镜温度纠正常数。图8和图9分别为2009年8月5日星上定标高温点和低温点辐照度计算结果，图10和图11分别为2009年8月14日星上定标高温点和低温点辐照度计算结果。

N_c＝a_c+b_c×N_Tc

a_c＝a_c0+a_c1×T_M

                                    式(6)

b_c＝a_c0+b_c1×T_M

T_M＝(T_{M_L}+T_{M_R})/2

由图3至图6的计数值和图8至图11的辐射率值可知，HJ-1B B08传感器的10个探元本身及相互之间存在着记数差异和辐射差异。在低温点时，探元本身的记数差异在4DN左右，辐射差异在0.02W·m^-2·μm^-1·sr^-1左右，探元之间的相对差异较大；在高温点时，探元本身的记数差异在2DN左右，辐射差异在0.02W·m^-2·μm^-1·sr^-1左右，线性变化较为稳定，探元之间也存在一定的相对差异。为了降低记数差异和辐射差异的影响，对所有探元的响应作均值处理，分别得到低温点和高温点的辐亮度L及计数值DN，再通过线性回归，得到在不同有效波段宽度下的定标系数，如表4所示。

表48月5日和8月14日星上绝对辐射定标结果

由表4可知，半高宽法、矩方法和查找表法得到的定标系数相互之间存在差异，矩方法增益最大，半高宽法与查找表法相近，查找表法偏移最大，半高宽法和矩方法相近。以MODIS数据和星地同步观测实验数据比对不同定标系数得到的HJ-1B B08表观辐亮度，进而分析不同有效波段宽度计算方法的精度及适用性。

利用表4中8月5日三组星上定标结果，分别定标2009年8月12日04点22分(UTM)过境于中国定标与真实性检验场地之一的青海湖湖区遥感影像，如图13所示，得到不同定标系数下的表观辐亮度L，并与同天04点18分(UTM)过境的MODIS传感器第31波段和32波段数据进行比较，图14和图15分别为MODIS B31，32数据和HJ-1B B08数据水平方向剖面序列和垂直方向剖面序列。由图14和图15可知，矩方法值低于所有其它值，半高宽法值和查找表法值基本介于MODIS B31，B32之间，但半高宽法在水体地物处明显高于MODIS值。结合图11中HJ-1B B08等效中心波长位于MODIS B31，32中间及热红外辐射传输理论可知，矩方法过高计算了通道有效波段宽度，定标结果明显偏低，误差最大。

由于水体在大范围内温度变化不大且近似于黑体，因此是定标与真实性检验的倾向性目标之一。基于2009年8月12日卫星过境时刻在青海湖实验区(如图12所示)获取的星地同步观测水表参数和大气探空廓线，利用热红外辐射传输方程计算HJ-1B B08在卫星入瞳处的表观辐亮度，结果如图13和图14中“实验值”所示。表3为实验值与水体垂直剖面表观辐亮度均值的比对。结合图表可知，半高宽法过低计算了通道有效波段宽度，定标结果偏高，矩方法定标结果偏低，查找表法结果与实验值非常接近，表观辐亮度绝对误差为0.04W·m^-2·sr^-1·μm^-1。

综上，通道有效波段宽度是星上定标实施过程中的重要参数，基于HJ-1B星上定标原理，利用发射前地面实验数据和Planck方程，构建有效波段宽度计算的查找表法，结果显示查找表法计算的有效波段宽度从低温点的2.010μm变化到高温点的2.016μm，非常稳定，介于半高宽法和矩方法得到的有效波段宽度之间。通过比对分析不同定标系数计算出的HJ-1B B08、MODIS B31，32及星地同步观测实验的表观辐亮度可知，半高宽法、矩方法和查找表法产生的表观辐亮度绝对误差分别为0.32、-0.81和0.04W·m^-2·sr^-1·μm^-1，对应的亮温差异分别在3K、-8K和0.4K左右。由于HJ-1B B08通道响应的特性，半高宽法和矩方法并不适用于HJ-1B B08通道有效波段宽度的计算，基于发射前地面实验数据构建的查找表法，能很好的应用于星上定标。

Claims (2)

1.一种HJ-1B B08的有效波段宽度计算的方法，具体为：1)HJ-1B B08通道在发射前根据实验室里面的标准面源黑体数据建立面源黑体温度与辐照度转换方程N＝k₀   +k₁T+k₂T²+k ₃   T³，k₀，k₁，k₂，k₃，在温度为200～290K时，k₀＝0.00454626，k₁＝-4.82804092E-5，k₂＝8.63356885E-8，k₃＝2.96034127E-10，在温度为290～360K时，k₀＝0.0150768，k₁＝-1.60957613E-4，k₂＝4.89428984E-7，k₃＝-1.85970521E-10，计算在不同面源黑体温度T时的辐照度N；2)根据地面标准面源黑体下的比辐射率ε、温度T和通道响应函数CRF，利用Planck方程，构建有效辐亮度L与面源黑体温度T的方程

式中h为Planck常数，k为玻耳兹曼常数，c为光速，λ为波长，f(λ)为传感器通道响应函数CRF，其中为Planck方程，并计算在特定面源黑体温度T时面源黑体的有效辐亮度L；3)根据光学物理学中，辐照度和辐亮度存在的基本关系N＝π×Δλ×L，N为辐照度，L为辐亮度，构建基于地面实验室数据的有效波段宽度和面源黑体温度的查找表，得到不同黑体温度T条件下的有效波段宽度Δλ。

2.一种采用如权利要求1的有效波段宽度计算方法对HJ-1B B08在轨星上的定标方法，具体为：1)卫星发射后根据面源黑体温度与辐照度转换方程，计算星上定标黑体在特定温度T时，定标黑体发射的辐照度N；2)根据上述建立的查找表，计算星上定标黑体在温度T时对应的有效波段宽度，再根据辐照度和辐亮度存在的基本关系，得到定标黑体的辐亮度L；3)利用星上定标黑体在温度为328±5K的高温点和293±5K的低温点两点的L和DN，基于L＝(DN-b)/g回归得到星上定标系数：增益g和偏移b；4)根据得到的增益g和偏移b，利用式L＝(DN-b)/g，DN为传感器计数值，对遥感影像进行计算，得到卫星观测地面时的辐亮度L。

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