CN105092055A - 基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，按照步骤进行：步骤一，冷云目标物的提取：采用205K作为冷云目标物提取的统一阈值，提取TBB<205K的冷云目标；步骤二，冷云反射率归一化处理：经过角度校正、日地距离校正、双向反射率函数校正后，得到归一化冷云目标的表观反射率；步骤三，辐射定标响应的在轨状态监控与日衰减模型建立：按照步骤一～步骤二滑动获取之前30天内的归一化的冷云目标，采用概率密度函数分布获取辐射定标响应的在轨状态监控和日衰减规律模型建立；步骤四，基于辐射参考的气象卫星太阳反射波段重新定标。本发明实现了卫星仪器观测的连续性和一致性；不受天气条件影响，省时省力，可以方便快捷、准实时得到卫星响应变化。

Description

基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法

技术领域

本发明涉及气象卫星辐射定标技术领域，尤其涉及基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法。

背景技术

精确的辐射定标是气象卫星应用的基础。辐射定标以辐射标准源或参考信号为基准，通过比对实验，建立遥感仪器输出信号与观测目标绝对物理量间的换算关系。目前进行辐射定标采用的方法有发射前的实验室定标、用地面的辐射校正场进行的在轨场地定标、用卫星上的参考标准进行的在轨星上定标等。

但是发射前定标试验是在遥感器发射之前对其进行的波长位置、辐射精度、空间定位等的定标，将仪器的输出值转换为辐射值。但发射前定标试验的精度受限于天气状况、仪器稳定性和精度等情况，往往达不到精确定量应用的客观需求，因为定标时的环境不同于天上交替地处于日光照射和黑暗的真空之中，卫星上的温度也可能不同于定时时的情况，卫星上天以后，滤光片和其它一些镀有薄膜的光学元件光谱特性也可能改变，随着传感器相应的的衰减，其辐射定标系数也会发生变化，对定量应用带来不利的影响。

场地替代定标是遥感器在轨绝对辐射定标与真实性检验的重要手段。场地定标是遥感器处于正常运行条件下，选择辐射定标场地，通过地面同步测量对遥感器的定标，场地定标可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到了大气传输和环境的影响。该定标方法可以实现对遥感器运行状态下与获取地面图像完全相同条件的绝对校正，可以提供遥感器整个寿命期间的定标，对遥感器进行真实性检验和对一些模型进行正确性检验。但是地面目标应是典型的均匀稳定目标，地面定标还必须同时测量和计算遥感器过顶时的大气环境参量和地物反射率。在遥感器飞越辐射定标场地上空时，在定标场地选择偌干个像元区，测量成像光谱仪对应的地物的各波段光谱反射率和大气光谱等参量，并利用大气辐射传输模型等手段给出成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与成像光谱仪对应输出的数字量化值的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。例如风云二号静止卫星(FY-2)和风云三号极轨气象卫星(FY-3)在轨以来每年均开展一次敦煌场地替代定标，目前卫星定标外场试验敦煌试验场主要定标方法有反射率基法、辐照度基法和辐亮度基法。反射率法：在卫星过顶时同步测量地面目标反射率因子和大气光学参量(如大气光学厚度、大气柱水汽含量等)然后利用大气辐射传输模型计算出遥感器入瞳处辐射亮度值，具有较高的精度。

辐亮度法：采用经过严格光谱与辐射标定的辐射计，通过航空平台实现与卫星遥感器观测几何相似的同步测量，把机载辐射计测量的辐射度作为已知量，去标定飞行中遥感器的辐射量，从而实现卫星的标定，最后辐射校正系数的误差以辐射计的定标误差为主，仅仅需要对飞行高度以上的大气进行校正，回避了底层大气的校正误差，有利于提高精度。辐照度法：又称改进的反射率法，利用地面测量的向下漫射与总辐射度值来确定卫星遥感器高度的表观反射率，进而确定出遥感器入瞳处辐射亮度，这种方法是使用解析近似方法来计算反射率，从而可大大缩减计算时间和计算复杂性。发现风云二号替代定标系数与发射前系数有较大差异，但因为敦煌辐射校正场相对FY-2各卫星的观测角度偏大、双向反射率函数(BRDF)不确定、受大气影响较大(特别是气溶胶)、敦煌场反射率偏低，一直未能确定这种差异是否是真实的还是由于方法的误差造成。也发现FY-3可见光某些通道的衰减非常迅速，一年一次的场地试验仍无法及时发现星上仪器的状态变化，因此，这种大型试验不仅需要大量的人力和物力的消耗，也无法实现仪器的在轨状态跟踪监控。现有技术《一种卫星通信载荷地面检测仪与检测方法》(CN104407550A)，本发明公开了一种卫星通信载荷地面检测仪与检测方法，卫星通信载荷地面检测仪包括电源模块、LVDS数传接收模块、主控计算机、FMC信号回放子卡、背板和机箱；卫星通信载荷地面检测方法包括一个LVDS数传接收模块对信号的接收步骤和一个FMC信号回放子卡对信号的回放步骤。该发明用于模拟数传设备，接收被测设备数据并实时存储，接收秒脉冲，实现触发信号的控制以及产生被测设备需要的OC指令，并支持基带信号的回放，且设备结构小巧，便于携带，然而，地面检测定标利用卫星通信载荷地面检测仪仍受多种因素的干扰，难以保证检测的准确性和及时性。

用卫星上的参考标准进行的在轨星上定标方法主要是利用在轨星上定标器。现有技术《基于图像要素的在轨卫星遥感器调制传递函数的监测方法》(CN101281250B)公开了一种基于图像要素的在轨卫星遥感器调制传递函数的监测方法。该方法从图像工程的角度，运用实验与计算，用量化的图像参数，结合实验获取调制传递函数，进行MTF与图像要素分析，在实验室条件下和卫星遥感器在轨运行时，建立MTF与图像要素的关系模型，从而实现对于在轨卫星遥感器的调制传递函数MTF的动态监测。用量化的图像参数，结合实验获取调制传递函数，从而实现对中、低、高分辨率、特别是中、低分辨率的在轨卫星遥感器的调制传递函数MTF的动态监测；不需要复杂的地面装备，就可以获取在轨卫星遥感器的MTF，并且应用所得到的遥感器MTF的变化，给出了一种基于MTF的遥感图像补偿方法，显著地改善了图像质量；同时为预估遥感器提供图像的周期提供了手段。在轨星上定标的方法主要用人工光源灯和自然太阳光源进行频繁的传感器定标，这些光源都直接或通过光学系统加以应用，最佳状态时这些光线通过仪器全部光路并且充满整个口径。定标时，它们被放置于传感器光学系统前面来反射太阳辐射度，都利用太阳漫射白板，在太阳光谱范围内近似郎伯托面。这种方法是可以检测到灯的输出值很低的蓝光部分和全部光路系统,然而，在轨星上定标器暴露在太空环境和高能太阳辐射下很容易衰减而无法实现在轨星上准确定标。

目前的技术存在种种弊端，因此亟需寻找另外的方法来实现气象卫星的在轨仪器状态监控以及替代定标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，实现了卫星仪器观测的连续性和一致性；而且本发明方法不受天气条件影响，无需进行外场试验，省时省力，可以方便快捷、准实时得到卫星响应变化。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤一，冷云目标物的提取：根据气象卫星提取冷云目标的经纬度区域，并计算气象卫星的红外通道亮温值TBB，采用205K作为冷云目标物提取的统一阈值，提取TBB<205K的冷云目标；

步骤二，冷云反射率归一化处理：经过卫星定标反射率查找表得到表观反射率，经过角度校正、日地距离校正、双向反射率函数校正后，得到归一化到统一的天顶观测和标准日地距离观测处的冷云目标的表观反射率；

步骤三，辐射定标响应的在轨状态监控与日衰减模型建立：采用30天作为滑动平均窗口，按照步骤一～步骤二滑动获取之前30天内的所有的归一化的冷云目标，采用概率密度函数分布的最大值作为该天的冷云稳定反射率，获得时间序列的反射率，以此作为特征量监控在轨辐射状态；并能够获取辐射定标响应的日衰减规律模型；

步骤四，基于辐射参考的气象卫星太阳反射波段重新定标：按照步骤一～步骤三的方式获取国际基准仪器的冷云反射率，结合静止卫星观测的冷空值，利用两点定标公式进行两点辐射定标，得到气象卫星的太阳反射波段定标系数。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，所述步骤一中设定提取冷云目标的经纬度区域，对于静止卫星为星下点±20°范围内，对于极轨卫星为全球赤道±20°范围内。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，所述步骤一中气象卫星的红外通道亮温值TBB为卫星11微米窗区通道的亮温值TBB。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，所述步骤一中对该冷云目标进行均一性判断，满足以下数据的冷云目标才被选择：

STDEV(3*3TBB)<1；STDEV(3*3REF)<3％，

即3*3格点内的红外方差小于1，且3*3格点内的可见光反射率方差小于3％的冷云数据才被选择。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，所述角度校正为太阳高度角的校正，采用以下公式：

REF_sza＝REF/Cos(SZA)，其中REF_sza为校正后的反射率，REF为校正前反射率，Cos(SZA)为太阳高度角(SZA)的余弦。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，对所述进行太阳高度角的校正的数据进行日地距离的修正，修正到平均日地距离处反射率：

REF_sza_des＝REF_sza/DES，其中DES是当前日地距离与平均日地距离之比的平方。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，对所述平均日地距离处反射率进行冷云双向反射率修正：

REF_sza_des_adms＝REF_sza_des/ADM，其中，ADM是冷云的双向反射率函数。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，所述步骤三中是采用线性回归、二次项回归和指数回归三种方式分别获取辐射定标响应的日衰减规律模型。

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，利用光谱修正因子对所述步骤四中获取的国际基准仪器的冷云反射率校正到气象卫星待定标仪器的光谱响应函数处；

上述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其中，对所述提取的待定标仪器的冷空数据，结合经过光谱修正的基准参考仪器，进行辐射定标，得到气象卫星待定标仪器的辐射响应。

有益效果

本发明提供所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，以云顶温度非常低的发展旺盛的冷云目标为辐射定标物，利用太阳反射波段反射率的稳定性，对一颗乃至多颗气象卫星太阳反射波段的辐射定标的稳定性、一致性进行在轨监控并进行重新辐射定标，本发明具有全动态范围覆盖、BRDF特性小、受大气影响小、具备连续跟踪等优势，保证了卫星仪器观测的连续性和一致性；而且本发明方法不受天气条件影响，无需进行外场试验，省时省力，可以方便快捷、准实时得到卫星响应变化。

附图说明

图1是本发明基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法的示意框图。

图2是静止气象卫星FY2D和FY2E与参考仪器MODIS的辐射响应差异示意图。

图3是静止气象卫星FY2E经过本发明方法的替代定标校正后，与参考仪器MODIS的辐射响应的一致性有了很大的提升示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，为本发明的要技术方案的示意框图，其中，FY红外辐射定标：是采用卫星的红外辐射定标系数计算红外通道亮温值TBB；FYDCC提取：指根据气象卫星所处的定点位置设定的提取冷云目标的经纬度区域，采用205K作为冷云目标物提取的统一阈值，提取TBB<205K的冷云目标；VIS的DN：是指采用前面方法得到的仪器太阳反射波段的计数值(DN)；SZA/ADMS/DES校正：是指获取仪器太阳反射波段的计数值(DN)经过太阳高度角订正(SZA)、双向反射率函数订正(ADMS)和日地距离订正(DES)；FY辐射稳定性监控：是指通过前述处理得到的校正后的DN来进行仪器的稳定性监控；MODIS的DCC提取(BT11＜205K)是指与前述方法相同的针对MODIS仪器进行冷云目标的提取；FYSRF是指输入FY卫星的光谱响应函数(SRF)；SAF校正是指将获取的MODIS的DCC反射率经FYSRF的函数校正；参考辐射：是指通过以上步骤获取的MODIS的参考辐射；两点定标公式：是指通过获取的FY的DN和MODIS的参考辐射以及FY的冷空值这两个点，建立线性定标拟合，获取定标系数；FY定标表：指通过前述处理获得的定标系数转换为FY的定标表。

如图1所示，本发明的步骤具体如下：

步骤一，冷云目标物的提取：根据气象卫星提取冷云目标的经纬度区域，并计算气象卫星的红外通道亮温值TBB，采用205K作为冷云目标物提取的统一阈值，提取TBB<205K的冷云目标；

其中设定提取冷云目标的经纬度区域，是根据静止卫星所处的定点位置设立不同的获取冷云目标的经纬度区域，对于静止卫星为星下点±20°范围内，对于极轨卫星为全球赤道±20°范围内；

另外步骤一中气象卫星的红外通道亮温值TBB为卫星11微米窗区通道的亮温值TBB；

优选地，步骤一中对该冷云目标进行均一性判断，满足以下数据的冷云目标才被选择：

STDEV(3*3TBB)<1；STDEV(3*3REF)<3％，

即3*3格点内的红外方差小于1，且3*3格点内的可见光反射率方差小于3％的冷云数据才被选择；

步骤二，冷云反射率归一化处理：经过卫星定标反射率查找表得到表观反射率，经过角度校正、日地距离校正、双向反射率函数校正后，得到归一化到统一的天顶观测和标准日地距离观测处的冷云目标的表观反射率，具体校正如下：

角度校正为太阳高度角的校正，采用以下公式：

REF_sza＝REF/Cos(SZA)，其中REF_sza为校正后的反射率，REF为校正前反射率，Cos(SZA)为太阳高度角(SZA)的余弦；

接着进行日地距离的修正，修正到平均日地距离处反射率：

REF_sza_des＝REF_sza/DES，其中DES是当前日地距离与平均日地距离之比的平方；

然后对以上平均日地距离处反射率进行冷云双向反射率修正：

REF_sza_des_adms＝REF_sza_des/ADM，其中，ADM是冷云的双向反射率函数，它与观测角度相关；

步骤三，辐射定标响应的在轨状态监控与日衰减模型建立：采用30天作为滑动平均窗口，按照步骤一～步骤二滑动获取之前30天内的所有的归一化的冷云目标，采用概率密度函数分布(PossibilityDistributionFunction，PDF)的最大值作为该天的冷云稳定反射率，获得时间序列的反射率，以此作为特征量监控在轨辐射状态，当发现此天的反射率与昨天相比有较大差异(反射率差异>5％)则可以认为该天有异常状况，从而可以监控是否出现异常状况；并能够获取辐射定标响应的日衰减规律模型；

步骤三中是采用线性回归、二次项回归和指数回归三种方式分别获取辐射定标响应的日衰减规律模型的；

步骤四，基于辐射参考的气象卫星太阳反射波段重新定标：按照步骤一～步骤三的方式获取国际基准仪器的冷云反射率，获取基准参考仪器值，结合卫星观测的冷空值，利用两点定标公式进行两点辐射定标。以x轴为DN，y轴为反射率，根据线性拟合公式，得到的线性拟合方程即为得到气象卫星的太阳反射波段定标系数进行定标；

优选地，步骤四中利用光谱修正因子对所述步骤四中获取的国际基准仪器的冷云反射率校正到气象卫星待定标仪器的光谱响应函数处；对提取的待定标仪器的冷空数据，结合经过光谱修正的基准参考仪器，进行辐射定标，得到气象卫星待定标仪器的辐射响应。

本发明提供所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，以云顶温度非常低的发展旺盛的冷云目标为辐射定标物，利用太阳反射波段反射率的稳定性，对一颗乃至多颗气象卫星太阳反射波段的辐射定标的稳定性、一致性进行在轨监控并进行重新辐射定标。以深对流云作为辐射定标基准传递载体，以现有技术中的同类仪器作为基准参考仪器进行辐射基准传递定标。这种方法具有全动态范围覆盖、双向反射率函数BRDF特性小、受大气影响小、具备连续跟踪等优势，克服了传统方法上的弊端。

如图2所示，选择静止气象卫星FY2D和FY2E作为被检验的卫星，应用本发明方法可以很好地观测到静止气象卫星FY2D和FY2E太阳反射波段仪器响应的波动性和长期衰减趋势，还可以观测到两颗卫星之间辐射响应的不一致。然后与参考仪器MODIS的标准仪器相比，可以看到参考仪器MODIS与静止气象卫星FY2D、FY2E的辐射响应差异。从图2我们可以得出2个结论，一是FY2D和FY2E在轨期间都有一定程度的衰减，其相对衰减率分别为16.83％和8.82％，且两者之间的辐射响应是不一致的；二是与作为辐射基准的MODIS相比，FY2D和FY2E的辐射定标偏差较大。

如图3所示，可以看到，经过本发明方法的替代定标校正，FY2E与MODIS的一致性有了很大的提升，其对比斜率从原来的0.65提升至0.95，基本保证了其与国际基准卫星的辐射观测一致性。所以，经过本发明方法能够校正到与作为辐射基准的MODIS相同的辐射响应上来，保证了卫星仪器观测的连续性和一致性。

本发明方法不受天气条件影响，无需进行外场试验，省时省力，可以方便快捷、准实时得到卫星响应变化，且能够对历史数据进行再处理。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤一，冷云目标物的提取：根据气象卫星提取冷云目标的经纬度区域，并计算气象卫星的红外通道亮温值TBB，采用205K作为冷云目标物提取的统一阈值，提取TBB<205K的冷云目标；

步骤二，冷云反射率归一化处理：经过卫星定标反射率查找表得到表观反射率，经过角度校正、日地距离校正、双向反射率函数校正后，得到归一化到统一的天顶观测和标准日地距离观测处的冷云目标的表观反射率；

步骤三，辐射定标响应的在轨状态监控与日衰减模型建立：采用30天作为滑动平均窗口，按照步骤一～步骤二滑动获取之前30天内的所有的归一化的冷云目标，采用概率密度函数分布的最大值作为该天的冷云稳定反射率，获得时间序列的反射率，以此作为特征量监控在轨辐射状态；并能够获取辐射定标响应的日衰减规律模型；

步骤四，基于辐射参考的气象卫星太阳反射波段重新定标：按照步骤一～步骤三的方式获取国际基准仪器的冷云反射率，结合静止卫星观测的冷空值，利用两点定标公式进行两点辐射定标，得到气象卫星的太阳反射波段定标系数。

2.根据权利要求1所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，所述步骤一中设定提取冷云目标的经纬度区域，对于静止卫星为星下点±20°范围内，对于极轨卫星为全球赤道±20°范围内。

3.根据权利要求1所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，所述步骤一中气象卫星的红外通道亮温值TBB为卫星11微米窗区通道的亮温值TBB。

4.根据权利要求1所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，所述步骤一中对该冷云目标进行均一性判断，满足以下数据的冷云目标才被选择：

STDEV(3*3TBB)<1；STDEV(3*3REF)<3％，

即3*3格点内的红外方差小于1，且3*3格点内的可见光反射率方差小于3％的冷云数据才被选择。

5.根据权利要求1或4所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，所述角度校正为太阳高度角的校正，采用以下公式：

REF_sza＝REF/Cos(SZA)，其中REF_sza为校正后的反射率，REF为校正前反射率，Cos(SZA)为太阳高度角(SZA)的余弦。

6.根据权利要求5所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，对所述进行太阳高度角的校正的数据进行日地距离的修正，修正到平均日地距离处反射率：

REF_sza_des＝REF_sza/DES，其中DES是当前日地距离与平均日地距离之比的平方。

7.根据权利要求6所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，对所述平均日地距离处反射率进行冷云双向反射率修正：

REF_sza_des_adms＝REF_sza_des/ADM，其中，ADM是冷云的双向反射率函数。

8.根据权利要求1所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，所述步骤三中是采用线性回归、二次项回归和指数回归三种方式分别获取辐射定标响应的日衰减规律模型。

9.根据权利要求1所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，利用光谱修正因子对所述步骤四中获取的国际基准仪器的冷云反射率校正到气象卫星待定标仪器的光谱响应函数处；

10.根据权利要求9所述的基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法，其特征在于，对所述提取的待定标仪器的冷空数据，结合经过光谱修正的基准参考仪器，进行辐射定标，得到气象卫星待定标仪器的辐射响应。