CN108132217B - 一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，包括：S1，通过地面标定试验，建立目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型；S2，根据所述目标高光谱遥感仪器在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比；S3，基于所述在轨稳定目标源信噪比，利用所述信噪比各能级能量实验模型，评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况。本发明能够有效提高高光遥感仪器在轨信噪比评估的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及遥感定标技术领域，更具体地，涉及一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法。
背景技术
在卫星高光谱温室气体遥感领域，由于温室气体含量低，仪器需要具备极高的信噪比指标，才能探测出温室气体的微量变化。
现代卫星遥感仪器的典型特征，一是具有超高光谱分辨率，二是在极窄的光谱范围内，具有极高的信噪比。我国成功发射的碳卫星通过对弱CO2吸收带(1.6μm)、强CO2吸收带(2.06μm)以及O2-A吸收带(0.76μm)的观测光谱进行高精度的CO2浓度定量反演，最高分辨率可达0.03nm，在约15nm的范围内，具有1000多个通道，每一个通道在规定的典型能量条件下，要求信噪比达到300。
高光谱仪器在轨运行后，由于受到环境温度变化影响，以及探测器探测能力的衰变、坏探元的影响，每一个通道的信噪比可能会降低，这会对定量产品的反演精度造成一定程度的影响，因此，仪器在轨信噪比的监测和评估成为高光谱遥感数据在轨性能评估的重要技术点。
一般可见光、近红外光波段高光谱遥感仪器指明信噪比时要求同时说明能量条件，在这一条件下稳定观测帧数不小于一定数量，才能计算评估信噪比。实验室测定条件下容易满足这一条件，但在轨运行后，难以找到稳定不变的处于规定能量条件下的目标物。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，用以有效提高高光遥感仪器在轨信噪比评估的稳定性和可靠性。
本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，其特征在于，包括：S1，通过地面标定试验，建立目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型；S2，根据所述目标高光谱遥感仪器在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比；S3，基于所述在轨稳定目标源信噪比，利用所述信噪比各能级能量实验模型，评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况。
其中，所述S1的步骤进一步包括：S11，通过所述地面标定试验，获取所述目标高光谱遥感仪器各测试能级下试验观测数据；S12，基于所述各测试能级下试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比；S13，基于所述每一通道各测试能级下试验信噪比，建立所述目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型。
其中，所述S2的步骤进一步包括：S21，提取所述目标高光谱遥感仪器在轨运行的稳定目标源观测数据，并对各通道所述在轨运行的稳定目标源观测数据消除暗背景信号；S22，基于所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
其中，所述S11的步骤进一步还包括：对所述各测试能级下试验观测数据进行消除暗背景处理，获取各测试能级下纯净试验观测数据；相应的，所述S12的步骤进一步具体包括：基于所述各测试能级下纯净试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比。
进一步的，在所述S21和S22的步骤之间，所述方法还包括：对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除；相应的，所述S22的步骤进一步具体包括：基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
其中，所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤进一步包括：消除所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据中灯随时间的缓慢衰变走势，和/或，所述在轨运行的稳定目标源观测数据随日地距离变化的趋势变动。
其中，所述基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比的步骤进一步包括：以所述消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的平均值作为信号分量，以消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的标准差作为噪声分量，基于所述信号分量和所述噪声分量，计算所述在轨稳定目标源信噪比。
其中，所述各测试能级下试验观测数据和所述在轨运行的稳定目标源观测数据每一能级下的测试帧数不少于预设帧数。
进一步的，在所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤之前，还包括：利用线性模型或者二次多项式计算所述趋势分量。
其中，步骤S3中所述评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况的步骤进一步包括：判断所述在轨稳定目标源信噪比与所述信噪比各能级能量实验模型是否符合，若是，则返回在轨信噪比合格，否则，返回在轨信噪比不合格。
本发明提供的一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，通过基于信噪比模型+在轨稳定目标源的评估构成，将非规定条件下的信噪比推算到规定条件下，能够有效提高高光遥感仪器在轨信噪比评估的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法的流程图；
图2为本发明实施例一种建立高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型的流程图；
图3为本发明实施例一种计算高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比的流程图；
图4为本发明实施例一种卫星在轨对太阳观测示意图；
图5为本发明实施例另一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，参考图1，为本发明实施例一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法的流程图，包括：
S1，通过地面标定试验，建立目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型；
S2，根据所述目标高光谱遥感仪器在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比；
S3，基于所述在轨稳定目标源信噪比，利用所述信噪比各能级能量实验模型，评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况。
步骤S1可以理解为，在卫星发射之前先对装设有目标高光谱遥感仪器的卫星进行地面标定试验，在实验室测取各测试能级下的原始测量数据，进行目标高光谱遥感仪器各通道的理论信噪比计算，并基于该理论信噪比建立信噪比随各能级能量变化的模型，即信噪比各能级能量实验模型。同时可回归得到模型各参数值。
也即，基于实验室积分球辐射定标时各能级测试数据，计算任一能级下的理论信噪比，并基于理论信噪比建立信噪比模型。其中可选的，每一能级测试帧数要求不少于设定帧数，如100帧，
其中可选的，所述S1的进一步处理步骤参考图2，为本发明实施例一种建立高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型的流程图，包括：
S11，通过所述地面标定试验，获取所述目标高光谱遥感仪器各测试能级下试验观测数据。
可以理解为，本步骤提取实验室标定试验信噪比测试数据。目标高光谱遥感仪器在发射前都要利用积分球进行辐射定标测试，这一步是要提取实验室各测试能级下原始测量数据，而不仅仅是规定典型能量条件下的测试数据。在一个实施例中，获取的目标高光谱遥感仪器各测试能级下试验观测数据的帧数不少于设定值，例如要求测量帧数不少于100帧。
S12，基于所述各测试能级下试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比。
可以理解为，本步骤利用上述步骤获取的各测试能级下试验观测数据，利用信噪比计算方法，得到高光谱仪器每一个通道各能级下的信噪比。即，对各测试能级下试验观测数据进行统计计算，分别得到信号分量和噪声分量，再基于信号分量和噪声分类计算每一通道各测试能级下试验信噪比。
S13，基于所述每一通道各测试能级下试验信噪比，建立所述目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型。
可以理解为，本步骤基于步骤S12计算的每一个通道各能级下的信噪比数据，建立信噪比随各能级能量变化的模型，回归得到模型各参数值。根据积分球各个能级亮度下测量得到的信噪比，建立数学模型。对于碳卫星高光谱CO2探测仪，单个像元信噪比理论模型如下：
式中，c1、c2表示各像元的信噪比曲线拟合的两个常数矩阵，Radiance(i,j)表示不同亮度级下，某一波段i通道第j视场像元入瞳亮度，SNR(i,j)表示不同亮度级下，某一波段i通道第j视场像元信噪比。
依据上述公式，已知任何亮度条件下，都可以计算出相应的信噪比。
步骤S2可以理解为，由于地表类型变化，对地目标物能量并不稳定，难以评估信噪比。本实施例利用我国首次发射的碳卫星，基于太阳、月亮或定标灯的观测进行信噪比评价。提取卫星在轨稳定目标源观测数据，统计在轨稳定目标观测数据的平均值作为信号，统计标准差作为噪音，按照信品比计算公式计算出目标源的信噪比。
其中可选的，所述S2的进一步处理步骤参考图3，为本发明实施例一种计算高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比的流程图，包括：
S21，提取所述目标高光谱遥感仪器在轨运行的稳定目标源观测数据，并对各通道所述在轨运行的稳定目标源观测数据消除暗背景信号。
可以理解为，本步骤首先提取在轨稳定目标源观测数据。在轨稳定目标源有多种选择，一般有太阳、月球、仪器自带的定标灯等。以太阳为例，参考图4，为本发明实施例一种卫星在轨对太阳观测示意图。在卫星稳定姿态前提下，碳卫星距地700km-400km时开展太阳定标观测，对获取的在轨观测数据，每一个通道的观测数据要消除暗背景信号。
S22，基于所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
可以理解为，在上述步骤对各通道所述在轨运行的稳定目标源观测数据消除暗背景信号的处理之后，对消除背景信号后的在轨稳定目标源观测数据按与地面标定试验信噪比同样的计算公式计算各通道在轨稳定目标源信噪比。
其中可选的，所述各测试能级下试验观测数据和所述在轨运行的稳定目标源观测数据每一能级下的测试帧数不少于预设帧数。
可以理解为，为使获取的数据具有统计意义，在进行在轨稳定目标源观测数据的获取时，要求每一能级测试帧数不少于设定帧数，如要求不少于100帧。
步骤S3可以理解为，将在轨稳定目标源观测数据信噪比与实验室测得的信噪比模型值比较，判断目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况。即将上述步骤S2中的目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比与步骤S1中获取的目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型进行比较，评估信噪比变化。
其中可选的，步骤S3中所述评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况的步骤进一步包括：判断所述在轨稳定目标源信噪比与所述信噪比各能级能量实验模型是否符合，若是，则返回在轨信噪比合格，否则，返回在轨信噪比不合格。
可以理解为，将上述步骤S2中的目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比与步骤S1中获取的目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型进行比较时，根据比较结果判断在轨稳定目标源信噪比的有效性。如果与模型相符合，则仪器在轨后信噪比符合要求，如果信噪比低于模型值，则可判断仪器在轨信噪比不符合要求。
本发明实施例提供的一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，通过基于信噪比模型+在轨稳定目标源的评估构成，将非规定条件下的信噪比推算到规定条件下，能够有效提高高光遥感仪器在轨信噪比评估的稳定性和可靠性。
在一个实施例中，所述S11的步骤进一步还包括：对所述各测试能级下试验观测数据进行消除暗背景处理，获取各测试能级下纯净试验观测数据；相应的，所述S12的步骤进一步具体包括：基于所述各测试能级下纯净试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比。
可以理解为，根据上述实施例的步骤S11，在获取实验室地面标定原始测量数据之后，由于原始测量数据中包括暗背景信号，首先要把暗背景信号扣除，剩余的信号即为积分球目标信号，即：
SC＝SR-SB
式中，Sc表示目标信号，SR表示原始测量数据，SB表示暗背景信号。
相应的，在步骤S12中采用去除暗背景信号的实验室地面标定测量数据进行地面标定每一通道各测试能级下试验信噪比。
进一步的，在所述S21和S22的步骤之间，所述方法还包括：对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除；相应的，所述S22的步骤进一步具体包括：基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
可以理解为，由于卫星相对太阳的运动，会导致存在微小的趋势变化，在根据上述实施例的步骤S21对各通道所述在轨运行的稳定目标源观测数据消除暗背景信号之后，计算信噪比之前，应先利用线性或二次多项式计算这一趋势量，并去掉这一变动趋势。
在一个实施例中，在所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤之前，还包括：利用线性模型或者二次多项式计算所述趋势分量。如，采用线性模型模拟太阳信号随时间的变化，即：
S′＝A·t+B
式中，A、B表示模型系数，t表示观测时间，S′表示由于卫星相对太阳距离变化引入的信号值。
在一个实施例中，所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤进一步包括：消除所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据中灯随时间的缓慢衰变走势，和/或，所述在轨运行的稳定目标源观测数据随日地距离变化的趋势变动。
可以理解为，在根据上述实施例的在轨运行的稳定目标源观测数据趋势分量，如果目标源信号存在随时间稳定变化的趋势，则应该消除掉这一趋势，比如灯随时间的缓慢衰变走势；太阳观测值由于日地距离变化引起的微小趋势变动。
其中可选的，所述基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比的步骤进一步包括：以所述消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的平均值作为信号分量，以消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的标准差作为噪声分量，基于所述信号分量和所述噪声分量，计算所述在轨稳定目标源信噪比。
可以理解为，对各测试能级下试验观测数据进行统计计算，分别按下式计算得到统计数据平均值和统计数据标准差：
式中，
表示各测试能级下M帧试验观测数据的统计平均值，SNR(i,j)表示各测试能级下试验观测数据统计标准差，S(i,j)k表示某一波段i通道第j视场像元第k帧信号观测值，M表示存储的帧总数。
然后以上述统计平均值为各测试能级下试验观测数据的信号分量，以统计标准差为噪声分量，并根据该信号分量和噪声分量计算地面标定试验数据信噪比。
应当理解的是，上述公式也可作为在轨稳定目标源观测的信噪比计算公式。
本发明实施例提供的一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，通过采用观测数据的统计平均值作为观测数据的信号分量，以标准差作为噪声分量计算信噪比，获取的数据具有统计意义，计算结果更可靠。
为了进一步说明本发明技术方案，本实施例提供如图5所示的控制流程，图5为本发明实施例另一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法的流程图。图中一方面利用实验室积分球测试数据建立理论信噪比模型，另一方面对稳定目标源观测数据进行信号趋势消除之后，根据信号趋势消除后的数据计算遥感仪器在轨信噪比，最后通过比较建立的理论信噪比模型和计算获取的遥感仪器在轨信噪比，进行目标高光谱遥感仪器的在轨信噪比变化评估。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种高光谱遥感仪器在轨信噪比评估方法，其特征在于，包括：
S1，通过地面标定试验，建立目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型；
S2，根据所述目标高光谱遥感仪器的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器在轨稳定目标源信噪比；
S3，基于所述在轨稳定目标源信噪比，利用所述信噪比各能级能量实验模型，评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况；
所述S2的步骤进一步包括：
S21，提取所述目标高光谱遥感仪器的在轨运行的稳定目标源观测数据，并对各通道所述在轨运行的稳定目标源观测数据消除暗背景信号；
S22，基于所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤进一步包括：
S11，通过所述地面标定试验，获取所述目标高光谱遥感仪器各测试能级下试验观测数据；
S12，基于所述各测试能级下试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比；
S13，基于所述每一通道各测试能级下试验信噪比，建立所述目标高光谱遥感仪器信噪比各能级能量实验模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11的步骤进一步还包括：对所述各测试能级下试验观测数据进行消除暗背景处理，获取各测试能级下纯净试验观测数据；
相应的，所述S12的步骤进一步具体包括：基于所述各测试能级下纯净试验观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器每一通道各测试能级下试验信噪比。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S21和S22的步骤之间，还包括：对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除；
相应的，所述S22的步骤进一步具体包括：基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤进一步包括：
消除所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据中灯随时间的缓慢衰变走势，和/或，所述在轨运行的稳定目标源观测数据随日地距离变化的趋势变动。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据，计算所述目标高光谱遥感仪器各通道在轨稳定目标源信噪比的步骤进一步包括：
以所述消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的平均值作为信号分量，以消除趋势分量的所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据的标准差作为噪声分量，基于所述信号分量和所述噪声分量，计算所述在轨稳定目标源信噪比。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述各测试能级下试验观测数据和所述在轨运行的稳定目标源观测数据每一能级下的测试帧数不少于预设帧数。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述对所述消除暗背景的在轨运行的稳定目标源观测数据进行趋势分量消除的步骤之前，还包括：利用线性模型或者二次多项式计算所述趋势分量。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述评估所述目标高光谱遥感仪器在轨信噪比变化情况的步骤进一步包括：判断所述在轨稳定目标源信噪比与所述信噪比各能级能量实验模型是否符合，若是，则返回在轨信噪比合格，否则，返回在轨信噪比不合格。
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