CN104977024B - 一种日盲紫外遥感相机绝对辐射定标系数在轨修正方法 - Google Patents
一种日盲紫外遥感相机绝对辐射定标系数在轨修正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种日盲紫外相机绝对辐射定标方程系数在轨修正方法，对相机进行实验室绝对辐射定标，得到相机绝对辐射定标系数和非均匀校正系数，相机在轨运行满足一定成像方式、地理位置、光照条件约束时，基于大气辐射传输模型计算的大气背景辐射值可以认为是真实背景辐亮度，根据实验室绝对辐射定标系数和图像局部灰度均值反演背景辐亮度，采用线性回归方法分析反演和真实辐亮度值，实现定标方程系数的在轨修正。本发明依据日盲紫外谱段大气背景辐射特性，可支持日盲紫外谱段遥感器高频次、业务化在轨绝对辐射定标，填补我国该谱段相机的在轨绝对辐射定标方法空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种日盲紫外遥感相机绝对辐射定标系数在轨修正方法，属于航天光学遥感技术领域。
背景技术
从20世纪70年代起，美国先后反射了用于紫外谱段大气遥感探测的OGO-4(1976)、S3-4(1978)、DE-1(1981)、VIKING(1986)、Polar BEAR(1986)、AURA(2004)，这些紫外探测器大都采用测量紫外恒星进行在轨绝对辐射定标，如《Calibration of the Viking AuroralImager Using Ultraviolet Stars》、《Satellite Observations with the VUPIInstrument》等文中提到采用单点绝对辐射定标法，该定标方法存在两个问题：首先，通过对恒星点目标成像确定相机响应与恒星辐射通量密度间的比例系数，使用这种方法进行辐射定标假设相机响应特性曲线满足比例关系y＝k·x，即认为相机绝对辐射定标方程偏移量为0，假设不成立时会带来较大的辐射定标误差；其次，由于紫外恒星辐射定标属于点定标，由于相机系统点扩散函数PSF的影响，点目标在像面上成像为一个弥散斑，弥散斑的大小与目标自身对系统的张角和PSF都相关，弥散斑总辐亮度统计必然引入误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种日盲紫外遥感相机绝对辐射定标系数在轨修正方法，将根据实验室绝对辐射定标方程反演的入瞳辐亮度与根据相机成像模式和辐射传输理论模型计算的背景辐亮度进行线性回归分析，实现对地面辐射定标方程系数的修正。
本发明的技术方案是：一种日盲紫外相机绝对辐射定标系数在轨修正方法，步骤如下：
(1)实验室辐射定标，获得绝对辐射定标方程和非均匀校正系数；
11)相机绝对辐射定标
调节相机光源辐亮度由小变大依次为L1,L2……LN(L1<L2<……<LN)，对应的相机输出平均响应依次为得到一组实验室定标点序列，采用最小二乘法线性拟合得到：
其中K和C为拟合系数，将相机输出平均响应依次代入上述方程计算辐亮度L值，并计算该相机平均响应下定标残差：
依次检查每一点定标残差是否满足|εi|<5％，若不满足，则从定标点中剔除该定标点，否则保留该定标点，保留的定标点组成新的定标点序列，如果本次检查中出现剔除定标点，则对新的定标点序列重复最小二乘线性拟合与检查定标残差，直至本次检查中未出现剔除定标点，则本次最小二乘法线性拟合得到的方程为相机绝对辐射定标方程：
拟合系数K和C为相机绝对辐射定标系数，分别表示增益和偏置，为定标点序列最小平均响应，为定标点序列最大平均响应，为相机线性响应范围；
12)像元绝对辐射定标
根据相机绝对辐射定标方法，对相机进行逐像元绝对辐射定标，得到相机各像元绝对辐射定标方程为：
L＝ki,jvi,j+ci,j；
其中vi,j表示像元(i,j)的响应，ki,j和ci,j表示像元(i,j)的增益和偏置；
13)非均匀性校正
非均匀校正系数计算公式为：
其中Gi,j和Qi,j为非均匀校正系数，即非均匀校正增益和非均匀校正偏移；
(2)获取相机在轨成像参数，包括成像模式、成像时间T1、卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)和在轨图像；
(3)判断相机在轨成像模式是否为星下点成像，若满足，则进入步骤(4)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(4)根据成像时间T1和卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)计算获得卫星星下点地理纬度
(5)判断T1时刻卫星是否位于中纬度地区，判据为：
若满足判据条件，则进入步骤(6)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(6)计算获得T1时刻卫星星下点太阳高度角hs
其中，δ0表示太阳赤纬，φ表示为星下点纬度，为太阳时角；
(7)判断T1时刻卫星是否满足光照条件，判据为：
hs>20°；
若满足判据条件，则进入步骤(8)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(8)根据T1时刻卫星星下点纬度星下点太阳高度角hs，计算获得相机入瞳辐亮度
(9)对在轨图像进行相对非均匀校正，校正公式为：
Vi,j＝Gi,j×vi,j+Qi,j；
vi,j为在轨图像校正前的响应值，Vi,j为在轨图像校正后的响应值；
(10)根据相机地面分辨率a×b，计算获得可用于背景辐亮度反演的最大定标区域行数Na和列数Nb：
其中[·]表示取整；以非均匀校正后的在轨图像中心像素为中心，截取大小为Nrow×Ncol的矩形区域，Nrow、Ncol为正整数，取值范围分别是Nrow≤Na和Ncol≤Nb，计算获得截取定标区域内图像平均灰度值
(11)判断图像平均灰度值是否位于响应线性范围，判据为：
若满足判据条件，则根据相机绝对辐射定标系数K和C，反演入瞳辐亮度
否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(12)改变观测时刻依次为T1,T2,…Tm，m为大于2的正整数，按照步骤(3)～步骤(8)计算相机入瞳辐亮度序列根据相机对应的绝对辐射定标系数和图像平均响应按照步骤(9)～步骤(11)反演入瞳辐亮度序列采用最小二乘法线性拟合得到一元线性回归方程系数Korbit与Corbit：
Lorbit＝KorbitLcalibration+Corbit；
(13)利用步骤(12)求得的一元线性回归方程系数对步骤(1)得到的相机绝对辐射定标方程进行修正，得到修正后的绝对辐射定标方程为：
L＝KorbitKV+KorbitC+Corbit；
其中KorbitK为增益，KorbitC+Corbit为偏置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有国外日盲紫外遥感相机基于紫外恒星的单点在轨绝对辐射定标方法存在以下缺陷：
a)单点法只能确定增益值，如果在整个动态范围内相机响应存在偏置量，则单点法辐射定标精度无法保证；
b)紫外恒星为点目标，由于相机系统点扩散函数PSF的影响，点目标在像面上成像为一个弥散斑，弥散斑的大小与目标自身对系统的张角和PSF都相关，弥散斑总辐亮度才能够表征恒星紫外辐射特性，总辐亮度的统计必然引入误差；
本发明克服现有日盲紫外遥感相机在轨绝对辐射定标的以上缺陷，首次提出一种约束条件下基于大气背景观测的通用日盲紫外谱段相机在轨绝对辐射定标方程系数修正方法；
(2)本发明基于日盲紫外谱段大气背景辐射特性，采用交叉辐射定标的思想，在满足成像模式、成像地区、光照条件观测约束条件下，大气辐射传输模型计算结果可作为真实背景辐亮度，在轨绝对辐射定标方程系数修正只依赖于实验室绝对辐射定标结果和相机在轨大气背景图像，既易于方法在工程中的实施推广，也可以满足遥感相机高频次在轨定标要求；
(3)本发明成果可以为国内日盲谱段遥感器在轨绝对辐射定标提供技术参考。
附图说明
图1为太阳高度角24°时LOWTRAN 7模型计算和S3-4卫星紫外相机在轨实测的日盲紫外背景辐亮度对比图，横坐标表示波长，纵坐标表示光谱辐亮度，图中实线为模型计算光谱辐亮度，虚线为在轨实测光谱辐亮度；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
日盲紫外大气背景辐射特点分析如下：
1)美国CIPS日盲紫外成像探测器在轨实测结果表明：大气背景日盲紫外辐射具有空间分布均匀的特点，星下点50km×50km范围内大气背景辐亮度变化小于5‰；
2)日盲紫外谱段大气背景辐亮度的理论计算模型与天基紫外相机测量对比结果表明：日盲紫外波段在轨大气背景辐射测量结果与大气辐射传输模型LOWTRAN理论计算模型一致性很高，图1所示为太阳高度角24°时LOWTRAN 7模型计算和S3-4卫星紫外相机在轨实测的日盲紫外背景辐亮度对比图，横坐标表示波长，纵坐标表示光谱辐亮度，其中实线为模型计算值，虚线为在轨实测值。一致性要求紫外相机在轨测量满足以下三个观测条件：
i.探测器观测方式为星下点成像；
ii.星下点太阳高度角大于20度；
iii.星下点区域地理纬度是中纬度地区；
3)利用LOWTRAN仿真计算日盲紫外谱段大气背景辐亮度结果表明：星下点大气背景辐亮度只与太阳天顶角、星下点季节、地理位置有关，与地物反射率、能见度、云雨条件等其他大气条件无关。
基于以上分析结果，提出一种日盲紫外遥感相机绝对辐射定标系数在轨修正方法：在一定的相机观测条件约束下，将辐射传输软件计算大气背景辐射作为在轨真实测量值，与根据实验室定标方程反演的辐亮度值进行线性回归分析，修正实验室绝对辐射定标方程系数，如图1所示：
(1)实验室辐射定标，获得绝对辐射定标方程和非均匀校正系数；
11)绝对辐射定标
设置相机工作参数，调节相机光源辐亮度由小变大依次为L1,L2……LN(L1<L2<……<LN)，对应的相机输出平均响应依次为得到一组实验室定标点序列，采用最小二乘法线性拟合得到：
其中K和C为拟合系数，将相机输出平均响应依次代入以上方程计算辐亮度L值，并计算该相机平均响应下定标残差：
考虑相机低端和高端的非线性响应特性，为了保证实验室辐射定标精度，采取以下方法进行非线性定标点剔除，剔除的定标点对应辐亮度可以在其他相机工作参数下进行辐射定标处理。
依次检查每一点定标残差是否满足|εi|<5％，若不满足，则从定标点中剔除该定标点，否则保留该定标点，保留的定标点组成新的定标点序列，如果本次检查中出现剔除定标点，则对新的定标点序列重复最小二乘线性拟合与检查定标残差，否则，本次最小二乘法线性拟合得到的方程为相机绝对辐射定标方程：
拟合系数K和C为相机绝对辐射定标系数，分别表示增益和偏置，为定标点序列最小平均响应，为定标点序列最大平均响应，为相机线性响应范围；
12)像元绝对辐射定标
根据相机绝对辐射定标方法，对相机进行逐像元绝对辐射定标，得到相机各像元绝对辐射定标方程为：
L＝ki,jvi,j+ci,j；
其中vi,j表示像元(i,j)的响应，ki,j和ci,j表示像元(i,j)的增益和偏置；
13)非均匀性校正
非均匀校正系数计算公式为：
其中Gi,j和Qi,j为非均匀校正系数，即非均匀校正增益和非均匀校正偏移；
(2)获取相机在轨成像参数，包括成像模式、成像时间T1、卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)和在轨图像；
(3)判断相机在轨成像模式是否为星下点成像，若满足，则进入步骤(4)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(4)根据成像时间T和卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)计算卫星星下点地理纬度
41)计算T时刻偏近点角E
用迭代法解开普勒方程
Ei+1＝M+e sin Ei；
其中，e为偏心率，M为平近点角；当|Ei+1-Ei|<ε，取E＝Ei+1；ε为给定精度，迭代的初值取E1＝M；
42)计算T时刻真近点角f
其中和在同一象限；
43)计算T时刻地心距r
其中a为半长轴；
44)计算T时刻纬度幅角u
u＝ω+f；
其中ω为近地点幅角；
45)计算T时刻卫星在天球坐标系的位置x,y,z
x＝r(cosΩcos u-sinΩsin u cos i)
y＝r(sinΩcos u+cosΩsin u cos i)
z＝r sin u sin i；
其中Ω为升交点赤经；
46)计算T时刻卫星星下点经纬度α,φ
47)计算T时刻卫星星下点地理纬度
(5)判断T1时刻卫星是否位于中纬度地区，判据为：
若满足判据条件，则进入步骤(6)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(6)计算T1时刻卫星星下点太阳高度角hs
其中，δ0表示太阳赤纬，φ表示为星下点纬度，为太阳时角；
(7)判断T1时刻卫星是否满足光照条件，判据为：
hs>20°；
若满足判据条件，则进入步骤(8)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(8)根据T1时刻卫星星下点纬度星下点太阳高度角hs，计算相机入瞳辐亮度
(9)对在轨图像进行相对非均匀校正，校正公式为：
Vi,j＝Gi,j×vi,j+Qi,j；
vi,j为在轨图像校正前的响应值，Vi,j为在轨图像校正后的响应值；
(10)根据相机地面分辨率a×b，地面分辨率单位为km，计算最多可用于背景辐亮度反演的定标区域行数Na和列数Nb：
其中[·]表示取整；以非均匀校正后的在轨图像中心像素为中心截取大小为Nrow×Ncol的矩形区域，Nrow、Ncol为正整数，取值范围分别是Nrow≤Na和Ncol≤Nb，计算截取定标区域内图像平均灰度值
(11)判断图像平均灰度值是否位于响应线性范围，判据为：
若满足判据条件，则根据相机绝对辐射定标系数K和C，反演入瞳辐亮度
否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(12)改变观测时刻依次为T1,T2,…Tm，m为大于2的正整数，按照步骤(3)～步骤(8)计算相机入瞳辐亮度序列根据相机对应的绝对辐射定标系数和图像平均响应按照步骤(9)～步骤(11)反演计算相机入瞳辐亮度序列采用最小二乘法线性拟合得到一元线性回归方程系数Korbit与Corbit：
Lorbit＝KorbitLcalibration+Corbit；
(13)利用步骤(12)求得的一元线性回归方程系数对步骤(1)得到的相机绝对辐射定标方程进行修正，得到修正后的绝对辐射定标方程为：
L＝KorbitKV+KorbitC+Corbit；
其中KorbitK为增益，KorbitC+Corbit为偏置。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种日盲紫外相机绝对辐射定标系数在轨修正方法，其特征在于步骤如下：
(1)实验室辐射定标，获得绝对辐射定标方程和非均匀校正系数；
111)相机绝对辐射定标
调节相机光源辐亮度由小变大依次为L1,L2……LN,其中L1<L2<……<LN，对应的相机输出平均响应依次为其中得到一组实验室定标点序列，采用最小二乘法线性拟合得到：
L＝KV+C,其中
其中K和C为拟合系数，将相机输出平均响应依次代入上述方程计算辐亮度L值，并计算该相机平均响应下定标残差：
<mrow>
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<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
依次检查每一点定标残差是否满足|εi|<5％，若不满足，则从定标点中剔除该定标点，否则保留该定标点，保留的定标点组成新的定标点序列，如果本次检查中出现剔除定标点，则对新的定标点序列重复最小二乘线性拟合与检查定标残差，直至本次检查中未出现剔除定标点，则本次最小二乘法线性拟合得到的方程为相机绝对辐射定标方程：
L＝KV+C,其中
拟合系数K和C为相机绝对辐射定标系数，分别表示增益和偏置，为定标点序列最小平均响应，为定标点序列最大平均响应，为相机线性响应范围；
112)像元绝对辐射定标
根据相机绝对辐射定标方法，对相机进行逐像元绝对辐射定标，得到相机各像元绝对辐射定标方程为：
L＝ki,jvi,j+ci,j；
其中vi,j表示像元(i,j)的响应，ki,j和ci,j表示像元(i,j)的增益和偏置；
113)非均匀性校正
非均匀校正系数计算公式为：
<mrow>
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<mi>i</mi>
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<mo>-</mo>
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<mi>C</mi>
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</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中Gi,j和Qi,j为非均匀校正系数，即非均匀校正增益和非均匀校正偏移；
(2)获取相机在轨成像参数，包括成像模式、成像时间T1、卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)和在轨图像；
(3)判断相机在轨成像模式是否为星下点成像，若满足，则进入步骤(4)，
否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(4)根据成像时间T1和卫星轨道根数(a,e,i,Ω,ω,M0)计算获得卫星星下点地理纬度
(5)判断T1时刻卫星是否位于中纬度地区，判据为：
若满足判据条件，则进入步骤(6)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(6)计算获得T1时刻卫星星下点太阳高度角hs
其中，δ0表示太阳赤纬，φ表示为星下点纬度，为太阳时角；
(7)判断T1时刻卫星是否满足光照条件，判据为：
hs>20°；
若满足判据条件，则进入步骤(8)，否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(8)根据T1时刻卫星星下点纬度星下点太阳高度角hs，计算获得相机入瞳辐亮度
(9)对在轨图像进行相对非均匀校正，校正公式为：
Vi,j＝Gi,j×vi,j+Qi,j；
vi,j为在轨图像校正前的响应值，Vi,j为在轨图像校正后的响应值；
(10)根据相机地面分辨率a×b，计算获得可用于背景辐亮度反演的最大定标区域行数Na和列数Nb：
<mrow>
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<mi>N</mi>
<mi>a</mi>
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<mo>&lsqb;</mo>
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<mn>50</mn>
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<mo>&rsqb;</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中[·]表示取整；以非均匀校正后的在轨图像中心像素为中心，截取大小为Nrow×Ncol的矩形区域，Nrow、Ncol为正整数，取值范围分别是Nrow≤Na和Ncol≤Nb，计算获得截取定标区域内图像平均灰度值
(11)判断图像平均灰度值是否位于响应线性范围，判据为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
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<mi>min</mi>
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<mo>,</mo>
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若满足判据条件，则根据相机绝对辐射定标系数K和C，反演入瞳辐亮度
<mrow>
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<mrow>
<mi>c</mi>
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</msubsup>
<mo>-</mo>
<mi>C</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>/</mo>
<mi>K</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
否则跳回步骤(2)重新获取新的相机在轨成像参数；
(12)改变观测时刻依次为T1,T2,…Tm，m为大于2的正整数，按照步骤(3)～步骤(8)计算相机入瞳辐亮度序列根据相机对应的绝对辐射定标系数和图像平均响应其中按照步骤(9)～步骤(11)反演入瞳辐亮度序列采用最小二乘法线性拟合得到一元线性回归方程系数Korbit与Corbit：
Lorbit＝KorbitLcalibration+Corbit；
(13)利用步骤(12)求得的一元线性回归方程系数对步骤(1)得到的相机绝对辐射定标方程进行修正，得到修正后的绝对辐射定标方程为：
L＝KorbitKV+KorbitC+Corbit；
其中KorbitK为增益，KorbitC+Corbit为偏置。
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