CN105181150A - 一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法，首先建立绝对辐射定标模型，之后进行绝对辐射定标，利用定标精度高的阵列探测器作为参考阵列探测器，对目标阵列探测器进行交叉定标；然后根据参考阵列探测器的空间分辨率和目标阵列探测器的空间分辨率的比值要求，确定交叉定标参考阵列探测器；而后通过地表均匀性要求和观测参数要求选择定标区域；获取目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度，最终计算获得绝对辐射定标系数。本发明方法解决了不具备全光路星上定标黑体装置的中波红外焦平面阵列探测器绝对辐射定标方法的技术问题。

Description

一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法

技术领域

本发明涉及中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法，特别涉及一种不具备全光路星上黑体定标装置的中波红外焦平面探测器绝对辐射定标方法。

背景技术

地表的温度一般为300K，地表辐射能量基本上处在3.0μm以上的波段，中波红外焦平面阵列探测器利用空间光学系统收集3.0μm～5.0μm的中波红外辐射能量，其具有穿透烟、尘、雾、雪以及识别伪装的能力，可以进行白天和黑夜的准全天候观测，这些特点使得它获得的高精度面阵热辐射信息在实现导弹预警、红外侦察等军事方面以及森林火灾、地表温度、洋面温度、昼夜云、海岸线监测等民用方面具有的广阔应用。其准全天候观测的观测方式不仅可以定性地获得关于“感兴趣目标地区”的二进制数字信息，同时还可以定量地获得目标的物理能量辐射信息，实现从遥感图像数据的二进制数字信息到物理能量辐射信息的定量转换过程称为绝对辐射定标。

目前，在轨运行的可见光近红外载荷和远红外载荷主要采用基于遥感卫星辐射校正场地的在轨绝对辐射定标方法，但是由于中波红外波段同时受地表反射的太阳辐射和地表的热辐射的影响，在具体的外场定标试验过程中很难测量出二者的影响，因此无法采用该方法，故中波红外载荷的定标常采用星上黑体定标法。

星上黑体定标系统一般分为全光路与半光路两种：全光路定标指黑体辐射源置于探测器整个光学系统前，这样可以减小光学系统像差、性能退化对定标的影响，因此全光路定标可是同时实现相对辐射定标和绝对辐射定标；但是由于为了实现遥感应用的空间分辨率等需求，中波红外焦平面阵列探测器的光学口径非常大(如某凝视卫星50m空间分辨率的中波红外焦平面阵列探测器的光学口径达米级)，在如此大口径的光学遥感器中要实现全光路定标需要配置更大的黑体辐射源，这在工程上很难实现，这时一般采用半光路定标；半光路定标是指将定标黑体插入探测器的后光路，可以对后光路、红外焦平面阵列探测器与电路部分进行监测与标定,但是半光路定标无法监测前光路的变化，因此无法实现绝对辐射定标只能用于相对辐射校正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法，解决了不具备全光路星上定标黑体装置的中波红外焦平面阵列探测器绝对辐射定标方法的技术问题。

本发明的技术方案是：一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法，步骤如下：

1)建立绝对辐射定标模型：在探测器设计时的线性工作区，建立经过相对辐射校正后的遥感图像数字DN值信息与入瞳处辐射能量信息的线性定量关系；

2)绝对辐射定标：利用定标精度高的阵列探测器作为参考阵列探测器，对目标阵列探测器进行交叉定标；

3)选择交叉定标参考阵列探测器：根据参考阵列探测器的空间分辨率GSD_ref和目标阵列探测器的空间分辨率GSD_obj的比值要求，即确定交叉定标参考阵列探测器；

4)选择交叉定标区域：通过地表均匀性要求和观测参数要求选择定标区域；

41)地表均匀性要求

定标区域选择具有一定大小均匀稳定的区域，其面积大小Area和相对变化Relative的选择指标为：

Area≥10GSD_max×10GSD_max；

GSD_max＝max(GSD_obj,GSD_ref)；

$\mathrm{Relative}=\left|\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right|\×100\≤1\%;$

式中：μ为定标区域Area中所含探元的均值；

σ为定标区域Area中所含探元的标准方差；

42)观测参数要求

对参考阵列探测器和目标阵列探测器的过境时间差Time、太阳天顶角度θ_s差值比和探测器观测角度θ_v差值比加以要求：

Time＝|Time_obj-Time_ref|≤15min

${\mathrm{Ratio}}_{{\mathrm{\θ}}_s}=\left|\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{s,obj}-{\mathrm{cos\θ}}_{s,ref}}{{\mathrm{cos\θ}}_{s,ref}}\right|\≤0.05$

${\mathrm{Ratio}}_{{\mathrm{\θ}}_v}=\left|\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{v,obj}-{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}{{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}\right|\≤0.1$

Time_obj为目标阵列探测器过境时间，Time_ref为参考阵列探测器过境时间；cosθ_s,obj为目标阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦，cosθ_s,ref为参考阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦；cosθ_v,obj为目标阵列探测器的观测角余弦，cosθ_v,ref为参考阵列探测器的观测角余弦；

5)获取目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度：利用步骤3)和步骤4)确定的交叉定标参考阵列探测器和交叉定标区域，通过参考阵列探测器的影像和定标系数，得到目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度；

6)计算获得绝对辐射定标系数：利用步骤5)得到的目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度与步骤4)确定的交叉定标区域的目标阵列探测器数字DN值进行线性拟合，计算获得出绝对辐射定标系数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明利用已知定标精度较高的中波红外焦平面阵列探测器作为参考，采用交叉定标方法，通过空间分辨率要求、地表均匀性要求和观测参数要求等多方面的限制，科学合理地选择出定标载荷和定标区域，实现了中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射校正技术问题。

2、本发明为中波红外焦平面阵列探测器提出的方法，兼顾了中波红外焦平面阵列探测器的成像特点与可实行性，对太阳同步轨道卫星或地球同步轨道卫星上不具备全光路星上黑体定标装置的中波红外焦平面阵列探测器遥感图像绝对辐射定标具有很强的工程应用意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

(1)绝对辐射定标模型确立：依据绝对辐射定标的基本思想，考虑到探测器设计时的线性工作区，建立经过相对辐射校正后的中波红外焦平面阵列探测器遥感图像数据数字DN值信息与中波红外焦平面阵列探测器的入瞳处辐射能量信息的线性定量关系；

DN_R(m,n)＝f[L(m,m)]

①

＝Gain×L(m,n)+Bias

式中：m，n为探测器的探元位置m∈[1,M]，n∈[1,N]；

DN_R(m,n)为探元(m,n)经过相对辐射校正后的数字DN值；

L(m,n)为探元(m,n)的入瞳处辐射能量辐射值；

Gain和Bias为探测器的绝对辐射定标系数。

(2)绝对辐射定标方法：依据绝对辐射定标模型，针对背景技术里的问题，利用定标精度较高的中波红外焦平面阵列探测器作为参考对目标中波红外焦平面阵列探测器进行定标的交叉定标方法；

交叉定标方法的核心在于建立目标中波红外焦平面阵列探测器影像和参考中波红外焦平面阵列探测器之间的关系，然后利用参考中波红外焦平面阵列探测器的定标系数，推算出目标中波红外焦平面阵列探测器图像的辐射亮度，结合交叉定标区域的图像数字DN值，得到中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标系数。

(3)交叉定标探测器选择：由于地表的异质性，在任何空间分辨率下探元或多或少包含了一些其它地表覆盖类型，其空间分辨率越低混合像元数目就越多；为此通过方程②式，对参考中波红外焦平面阵列探测器空间分辨率(GSD_ref)和目标中波红外焦平面阵列探测器上空间分辨率(GSD_obj)的比值要求，确定交叉定标参考探测器；

(4)交叉定标区域选择：交叉定标区域的选择直接影响着定标的精度，为此通过地表均匀性要求和观测参数要求等多方面的限制选择定标区域；

(4.1)地表均匀性要求

定标区域应选择具有一定大小均匀稳定的区域，其面积大小Area和相对变化Relative的评价指标为：

GSD_max＝max(GSD_obj,GSD_ref)

Area≥10GSD_max×10GSD_max③

$\mathrm{Re}lative=\left|\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right|\×100\≤1\%$

式中：μ为定标区域Area中所含探元的均值；

σ为定标区域Area中所含探元的标准方差。

(4.2)观测参数要求

为了减小大气的影响和影像匹配的差异，对参考中波红外焦平面阵列探测器和目标中波红外焦平面阵列探测器的过境时间差Time、太阳天顶角度θ_s差值比和探测器观测角度θ_v差值比加以要求：

Time＝|Time_obj-Time_ref|≤15min

${\mathrm{Ratio}}_{{\mathrm{\θ}}_v}=\left|\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{v,obj}-{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}{{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}\right|\≤0.1$

Time_obj为目标阵列探测器过境时间，Time_ref为参考阵列探测器过境时间；cosθ_s,obj为目标阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦，cosθ_s,ref为参考阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦；cosθ_v,obj为目标阵列探测器的观测角余弦，cosθ_v,ref为参考阵列探测器的观测角余弦。

(5)获取目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度：利用步骤3)和步骤4)确定的交叉定标参考阵列探测器和交叉定标区域，通过参考阵列探测器的影像和定标系数，得到目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度；

(5.1)参考中波红外焦平面阵列探测器的入瞳处辐射亮度

利用已知参考中波红外焦平面阵列探测器的数字DN值DN_R,ref(m,n)和定标系数Gain_ref和Bias_ref，通过方程①式计算交叉定标区域中各探元的入瞳处辐射亮度：

(5.2)目标中波红外焦平面阵列探测器的入瞳处辐射亮度

利用上面获得参考中波红外焦平面阵列探测器的入瞳处辐射亮度和通过辐射传输模型模拟得到的光谱匹配因子k，通过方程⑥式计算目标中波红外焦平面阵列探测器的入瞳处辐射亮度：

L_obj(m,n)＝k×L_ref(m,n)⑥

$k=\frac{\∫f_{obj}\left(\mathrm{\λ}\right)\×L\left(\mathrm{\λ}\right)\×d\mathrm{\λ}}{\∫f_{obj}\left(\mathrm{\λ}\right)\×d\mathrm{\λ}}/\frac{\∫f_{ref}\left(\mathrm{\λ}\right)\×L\left(\mathrm{\λ}\right)\×d\mathrm{\λ}}{\∫f_{ref}\left(\mathrm{\λ}\right)\×d\mathrm{\λ}}$

式中：f_obj(λ)和f_ref(λ)为波长λ处的目标中波红外焦平面阵列探测器和参考中波红外焦平面阵列探测器的波长响应函数，可从遥感数据地面系统处理中心获得；L(λ)为一已知标准大气条件、已知地表信息和观测条件下，通过辐射传输模型模拟得到的波长λ处的入瞳处辐射亮度。

(6)绝对辐射定标系数计算：利用步骤(5)得到的入瞳处辐射亮度L_obj(m,n)与步骤(4)确定的交叉定标区域的经过相对辐射校正的数字DN值DN_R(m,n)进行线性拟合(DN_R,obj(m,n)＝Gain_obj×L_obj(m,n)+Bias_obj)，即可计算出绝对辐射定标系数Gain_obj和Bias_obj。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种中波红外焦平面阵列探测器的绝对辐射定标方法，其特征在于步骤如下：

1)建立绝对辐射定标模型：在探测器设计时的线性工作区，建立经过相对辐射校正后的遥感图像数字DN值信息与入瞳处辐射能量信息的线性定量关系；

2)绝对辐射定标：利用定标精度高的阵列探测器作为参考阵列探测器，对目标阵列探测器进行交叉定标；

3)选择交叉定标参考阵列探测器：根据参考阵列探测器的空间分辨率GSD_ref和目标阵列探测器的空间分辨率GSD_obj的比值要求，即确定交叉定标参考阵列探测器；

4)选择交叉定标区域：通过地表均匀性要求和观测参数要求选择定标区域；

41)地表均匀性要求

定标区域选择具有一定大小均匀稳定的区域，其面积大小Area和相对变化Relative的选择指标为：

Area≥10GSD_max×10GSD_max；

GSD_max＝max(GSD_obj,GSD_ref)；

$\mathrm{Re}lative=\left|\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right|\×100\≤1\%;$

式中：μ为定标区域Area中所含探元的均值；

σ为定标区域Area中所含探元的标准方差；

42)观测参数要求

对参考阵列探测器和目标阵列探测器的过境时间差Time、太阳天顶角度θ_s差值比和探测器观测角度θ_v差值比加以要求：

Time＝|Time_obj-Time_ref|≤15min

${\mathrm{Ratio}}_{{\mathrm{\θ}}_s}=\left|\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{s,obj}-{\mathrm{cos\θ}}_{s,ref}}{{\mathrm{cos\θ}}_{s,ref}}\right|\≤0.05$

${\mathrm{Ratio}}_{{\mathrm{\θ}}_v}=\left|\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{v,obj}-{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}{{\mathrm{cos\θ}}_{v,ref}}\right|\≤0.1$

Time_obj为目标阵列探测器过境时间，Time_ref为参考阵列探测器过境时间；cosθ_s,obj为目标阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦，cosθ_s,ref为参考阵列探测器过境时的太阳天顶角余弦；cosθ_v,obj为目标阵列探测器的观测角余弦，cosθ_v,ref为参考阵列探测器的观测角余弦；

5)获取目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度：利用步骤3)和步骤4)确定的交叉定标参考阵列探测器和交叉定标区域，通过参考阵列探测器的影像和定标系数，得到目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度；

6)计算获得绝对辐射定标系数：利用步骤5)得到的目标阵列探测器的入瞳处辐射亮度与步骤4)确定的交叉定标区域的目标阵列探测器数字DN值进行线性拟合，计算获得出绝对辐射定标系数。