CN108680534B - 基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法 - Google Patents

基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法 Download PDF

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CN108680534B CN201810264534.3A CN201810264534A CN108680534B CN 108680534 B CN108680534 B CN 108680534B CN 201810264534 A CN201810264534 A CN 201810264534A CN 108680534 B CN108680534 B CN 108680534B
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Abstract

本发明提供了基于中波红外(3～5μm)反射率基准的光学通道在轨定标验证方法。主要包括：A)利用中波红外高精度在轨定标特性，系统构建以中波红外通道反射率为基准的波段间在轨定标验证模型、理论与方法；B)以海洋耀斑区为验证场景，以中波红外通道大气层顶反射率为参考基准的进行波段间在轨定标验证。本发明为全谱段传感器在轨辐射定标与验证提供新途径，为提高航天载荷定量化水平提供有效验证手段。

Description

基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法
技术领域
本发明涉及遥感技术领域，特别是关于一种利用中波红外通道高精度在轨定标特性，构建基于中波红外通道反射率基准的光学通道在轨定标验证方法。
背景技术
绝对辐射定标是使用光学仪器获取地物信息的质量保证，分析卫星传感器辐射性能在轨衰变情况，有助于跟踪评估传感器的定标精度并进行衰减订正，保证传感器在轨运行期间数据产品的质量和定标稳定性。
即使飞行前的定标工作已经做得足够好，传感器在发射阶段仍然会由于震动、空气-真空转换等方面导致性能的改变。在轨运行期间，传感器本身由于受到紫外线、原子氧和质子的剥蚀或强烈照射，也会导致退化。对于搭载有在轨定标系统的卫星传感器，定标系统光纤自身或是太阳漫反射板的退化也会使得传感器的辐射性能精度和稳定性难以保证。
以上这些问题，都使卫星传感器辐射性能随着发射时间的推移逐渐退化成为一个非常常见的现象，尤其是在光学通道(也称反射太阳波段，Reflective Solar Band,RSB)退化现象更为严重。因此，在飞行中对传感器辐射性能进行持续监测是必要且迫切的，研究独立于在轨定标系统的验证方法，对定标结果进行验证和在轨性能进行评价具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用中波红外通道高精度在轨定标特性，构建基于中波红外通道反射率基准的光学通道在轨定标验证的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。
基于中波红外反射率基准光学通道在轨定标验证方法，包括以下步骤：
选定海水耀斑区作为定标验证场景，选定VIIRS中波红外通道数据作为定标验证参考基准通道反射率；
根据VIIRS中波红外通道数据，计算大气层顶中波红外通道反射率并评价其精度，作为定标验证模型的基准；
构建基准通道和待评价光学通道反射率关系；通过大气辐射传输模型将该关系传输至大气层顶，得到大气层顶基准通道反射率与待评价光学通道的反射率线性关系；根据前述定标验证模型的基准计算待评价光学通道的大气层顶理论反射率(Theoretical TOAreflectance)；
将待评价光学通道的大气层顶理论反射率值与遥感影像观测的大气层顶反射率(Observed TOA reflectance)比较，得到VIIRS光学通道的大气层顶反射率偏差。
进一步地，作为定标验证场景的海水耀斑区为深海洋面区域。
进一步地，选定VIIRS中波红外通道数据作为定标验证参考基准包括；M12中波红外通道作为波段间定标验证模型的参考基准，M13通道辅助M12通道计算海表反射率；M5、M7、M8和M10四个通道作为待评价光学通道。
进一步地，根据VIIRS中波红外通道数据，计算大气层顶中波红外通道反射率包括：
使用M15通道大气层顶的亮度温度近似为大气层顶温度插入到M12通道的普朗克公式中来计算M12中波红外通道大气层顶的发射能量：
Figure GDA0001707111260000021
式中，
Figure GDA0001707111260000022
是波长3.7μm处的大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，T15是M15通道大气层顶亮温，单位是K；
在此基础上计算M12通道的大气层顶发射能量：
Figure GDA0001707111260000023
式中，
Figure GDA0001707111260000024
是M12通道大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，f12是M12通道光谱响应函数，λ1和λ2是M12通道的起止波长；
通过下式计算M12通道大气层顶反射率：
Figure GDA0001707111260000025
式中，
Figure GDA0001707111260000026
是M12通道的大气层顶双向反射率，
Figure GDA0001707111260000027
为大气层顶M12通道的传感器入瞳辐处接收到的反射率太阳能量，单位：W/(m2·sr·μm)，
Figure GDA0001707111260000028
是大气层顶M12通道的发射率。
进一步地，在局地热平衡条件下：
Figure GDA0001707111260000031
M12通道的大气层顶反射率通过下式计算：
Figure GDA0001707111260000032
式中，
Figure GDA0001707111260000033
是传感器入瞳处观测到的M12通道总辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)。
进一步地，通过菲涅尔反射定律构建海表基准通道反射率和待评价光学通道的反射率关系，包括以下步骤：
令M12通道的海表反射率在5％～35％间变化，作为海表理论反射率基准；通过下式计算每个样本区四个待评价光学通道的海表菲涅尔反射率：
Figure GDA0001707111260000034
式中，
Figure GDA0001707111260000035
是通道i的海表菲涅尔反射率，
Figure GDA0001707111260000036
和
Figure GDA0001707111260000037
分别表示通道i入射光垂直分量和平行分量的反射率，具体表示为：
Figure GDA0001707111260000038
Figure GDA0001707111260000039
式中，
Figure GDA00017071112600000310
是通道i真空中的折射率，
Figure GDA00017071112600000311
是通道i的海水折射率，θsun是太阳天顶角，即入射角。
构建M12通道与四个待评价光学通道海表反射率的关联关系：
Figure GDA0001707111260000041
式中，ρri是待评价光学通道i与M12通道真实海表菲涅尔反射率的比值，将计算得到的比值关系与设置的M12中波红外通道5％～35％的海表反射率相乘，得到四个待评价光学通道对应的海表预设反射率。
进一步地，当有大气存在时，海表通道的菲涅尔反射率通过下式计算：
Figure GDA0001707111260000042
式中，
Figure GDA0001707111260000043
是通道i在有大气状况下海表耀斑区的菲涅尔反射率。
进一步地，通过大气辐射传输模型将该关系传输至大气层顶，得到大气层顶基准通道反射率与待评价光学通道的反射率线性关系包括：
根据海表各通道预设的海表理论反射率，计算对应的大气层顶辐亮度；
将得到的各通道大气层顶辐亮度转换为大气层顶反射率，得到每个样本区各通道大气层顶的预设反射率；
使用得到每个样本区的各通道大气层顶预设反射率，构建不同样本区M5、M7、M8、M10四个通道与中波红外M12通道预设反射率之间的线性关系。
进一步地，根据前述定标验证模型的基准计算待评价光学通道的大气层顶理论反射率包括：
使用得到的每个样本区预设反射率之间线性关系，结合该样本区M12通道大气层顶实际反射率，计算得到四个待评价光学通道的大气层顶理论反射率；
将待评价光学通道理论反射率与卫星数据实测的大气层顶反射率值比较，得到大气层顶的反射率偏差。
进一步地，还包括：对得到的大气层顶反射率偏差进行不确定度评价。
进一步地，对得到的大气层顶反射率偏差进行不确定度评价包括：
以每一个误差源的平均值作为测量真值，经过辐射传输计算得到的定标验证结果作为定标验证的真值；
以每个误差源的误差范围作为新的输入进行辐射传输计算得到新的定标验证结果；
计算新的定标验证结果和定标验证结果真值之间的绝对差与定标验证真值的百分比，作为该误差源产生的不确定度；
将每一个误差源得到的不确定度的平方和的根作为辐射定标验证的总不确定度。
通过采取以上技术方案，对比现有技术，本发明通过利用海水耀斑区大气层顶光学通道能量的高透过性以及中波红外通道在轨性能及其稳定的特性实现光学通道的高精度定标；并且可以节省大量的人力物力，定标验证的频率高，可以实现全年持续进行定标验证。
同时，本发明还可以确保在轨辐射定标的精度和可信度。对于提高遥感定量化水平、挖掘卫星数据的应用潜力方面有重要意义，为宽谱段(可见光-近红外-中波红外-热红外)传感器的设计与研制提供理论参考。
附图说明
图1是本发明基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证流程示意图；
图2是本发明基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证模型示意图。
具体实施方式
工作原理：
基于海表耀斑区作为验证场景，利用中波红外反射率为基准对光学通道进行在轨定标验证进行定标验证是一种波段间的定标方法，使用海表对太阳的镜面反射将定标从一个参考波段传达到其他波段。这种定标方法除了需要一个精确标定过的参考波段作为前提，不需要耗费大量的人力物力在卫星过境时测量配套参数和地面光谱，而能够达到较高的精度，适用于可见光-近红外波段，理论上甚至可以覆盖到中波红外波段，定标验证频率高，可全年持续进行定标验证。同时，由于定标验证模型中的参考基准与被定标通道数据同步获取，该定标方法也适用于历史数据的定标验证。
本申请正是基于上述工作原理提供了一种基于中波红外反射率基准光学通道在轨定标验证方法，以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
参考图1及图2，在一实施例中，所描述的基于中波红外反射率基准光学通道在轨定标验证方法，包括以下步骤：
1.选择海表耀斑区定标验证场景以及作为定标验证参考基准的VIIRS(VisbleInfrared Imaging Rediometer可见光红外成像辐射仪)中波红外通道数据。
南印度洋夏季海表极易形成太阳耀斑区。为了增加耀斑区出现的频率，选择每年12月份到次年1月份的南印度洋(南印度洋夏季)作为研究样本区域，作为定标验证场景。需说明的是，此为为优选示例，理论上选择深海洋面都符合本申请的技术构思，可以达成本申请的技术目的。
由于中波红外(3-5μm)通道的高精度在轨定标特性以及通道反射率对大气层顶温度的不敏感性，使其可以作为波段间定标验证的参考基准；而海表耀斑区域反射率较高、发生频次高、表面性能均一等特性使其适合作为卫星传感器在轨定标验证的目标场景。本发明使用VIIRS M12中波红外通道(中心波长3.697μm)作为波段间定标验证模型的参考基准，使用M13(中心波长4.067μm)通道辅助M12通道计算海表反射率。使用VIIRS光学通道中的M5(中心波长0.672μm)、M7(中心波长0.862μm)、M8(中心波长1.238μm)和M10(中心波长1.602μm)四个通道作为待评价光学通道，包含了可见光到近红外的波谱范围。选择这几个通道进行评价是因为NOAA NCC在对这几个通道进行持续的长期监测，与MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer中分辨率成像光谱仪)反射率进行比对得到大气层顶的反射率偏差结果，可用于本发明的结果对照。
2.根据步骤1中的VIIRS中波红外数据通道，计算所有样本区大气层顶中波红外通道反射率，为构建基于海表耀斑区的定标验证模型提供可靠、稳定、高精度的基准。
对于中波红外通道VIIRS M12通道，其入瞳处的总辐亮度是来源于反射大气层顶的太阳能量和大气的热辐射能量，因此要确定M12通道的大气层顶反射率，必需要从总辐射能量中去除掉热辐射能量。为此，大气层顶的温度是必需的参数。由于大气与下垫面作为一个整体并在11μm前后的波谱区间近似为黑体，因此可以使用VIIRS M15通道(中心波长为10.729μm)的大气层顶亮温近似为大气层顶的温度，进而得到M12通道的大气层顶反射率。
首先，使用VIIRS的M15通道大气层顶的亮度温度近似为大气层顶温度插入到M12通道的普朗克公式中来计算M12中波红外通道大气层顶的发射能量：
Figure GDA0001707111260000071
式中，
Figure GDA0001707111260000072
是波长3.7μm处的大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，T15是M15通道大气层顶亮温，单位是K，可以通过卫星数据直接获得，公式(1)即借助M15通道亮温利用普朗克公式计算得3.7μm处大气层顶发射能量。在此基础上计算M12通道的大气层顶发射能量：
Figure GDA0001707111260000073
式中，
Figure GDA0001707111260000074
是M12通道大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，f12是M12通道光谱响应函数，λ1和λ2是M12通道的起止波长。根据公式(2)即可求出M12通道的大气层顶发射能量。
另一方面，M12通道大气层顶反射率的公式为：
Figure GDA0001707111260000081
式中，
Figure GDA0001707111260000082
是M12通道的大气层顶双向反射率，
Figure GDA0001707111260000083
为大气层顶M12通道的传感器入瞳辐处接收到的反射率太阳能量，单位：W/(m2·sr·μm)，
Figure GDA0001707111260000084
是大气层顶M12通道的发射率。在局地热平衡条件下：
Figure GDA0001707111260000085
结合公式(3)和公式(4)即可计算M12通道的大气层顶反射率：
Figure GDA0001707111260000086
式中，
Figure GDA0001707111260000087
是传感器入瞳处观测到的M12通道总辐亮度，单位：W/(m2.sr·μm)。使用公式(5)即可计算每个耀斑样本区M12通道的大气层顶反射率。
3.使用菲涅尔反射定律构建海水表面基准通道反射率和待评价光学通道的反射率关系；通过大气辐射传输模型(公知)将其关系传输至大气层顶，得到大气层顶基准通道反射率与待评价光学通道的反射率线性关系；结合步骤2中得到的大气层顶耀斑区中波红外通道反射率计算待评价光学通道的大气层顶理论反射率。
由步骤2中得到的大气层顶中波红外通道反射率，构建基于大气层顶可见光-近红外通道定标验证模型，计算待评价光学通道的大气层顶(TOA)理论反射率。使用待评价光学通道的数据计算得到观测的大气层顶反射率。将待评价光学通道的大气层顶理论反射率值与观测的大气层顶反射率比较，得到VIIRS光学通道的大气层顶反射率偏差，以评价通道的在轨辐射性能。计算得到反射率偏差即完成本方法的主要步骤，即意味着，获得该参数即基本完成在轨定标验证，完成卫星的在轨辐射评价。具体步骤如下：
3.1计算每个样本区各通道的菲涅尔反射率
令M12通道的海表反射率在5％～35％间变化，以此作为海表理论反射率基准。另一方面，使用公式(6)计算每个样本区四个待评价光学通道的海表菲涅尔反射率：
Figure GDA0001707111260000091
式中，
Figure GDA0001707111260000092
是通道i的海表菲涅尔反射率，
Figure GDA0001707111260000093
和
Figure GDA0001707111260000094
分别表示通道i入射光垂直分量和平行分量的反射率，具体表示为：
Figure GDA0001707111260000095
Figure GDA0001707111260000096
式中，
Figure GDA0001707111260000097
是通道i真空中的折射率，
Figure GDA0001707111260000098
是通道i的海水折射率，θsun是太阳天顶角，即入射角。公式(7)和公式(8)中可以看出，真空环境下的菲涅尔反射率只与不同波长处的海水折射率与入射角相关。
菲涅尔反射公式适用于无大气影响的、完全镜面反射情况下的反射率计算，由于大气对不同通道吸收的影响，其真实环境下的通道反射率总会与菲涅尔反射有异。当有大气存在时，海表通道的菲涅尔反射计算公式为：
Figure GDA0001707111260000099
式中，
Figure GDA00017071112600000910
是通道i在有大气状况下海表耀斑区的菲涅尔反射率。据此，可以构建M12通道与四个待评价光学通道海表反射率的关联关系：
Figure GDA00017071112600000911
式中，ρri是待评价光学通道i与M12通道真实海表菲涅尔反射率的比值，利用公式(9)得到每个样本区四个待评价光学通道与M12通道间海表的菲涅尔反射率比值。将计算得到的比值关系与设置的M12中波红外通道5％～35％的海表反射率相乘，得到四个待评价光学通道对应的海表预设反射率。
3.2根据步骤3.1得到海表各通道预设的海表理论反射率，计算对应的大气层顶辐亮度。
基于中波红外大气层顶反射率基准的光学通道在轨定标验证方法需从海表预设反射率计算到大气层顶对应的预设反射率，因此四个待评价光学通道和作为基准的M12通道均需要进行辐射传输的计算，获得大气层顶的辐射亮度值。对于处于可见光-近红外波谱区间的四个待评价光学通道，传感器接在耀斑区接收到的总能量可以表示为：
Figure GDA0001707111260000101
式中，
Figure GDA0001707111260000102
是可见光-近红外波谱区间通道i的大气层顶入瞳处的辐亮度值；
Figure GDA0001707111260000103
是传感器接收到的大气气溶胶或者分子的单次或多次散射能量；
Figure GDA0001707111260000104
是大气向下的散射辐射
Figure GDA0001707111260000105
经海表朗伯反射后再经过海表-传感器方向的透射到达传感器的能量部分，
Figure GDA0001707111260000106
是通道i的大气向下的散射辐射在海表的朗伯反射率；
Figure GDA0001707111260000107
是传感器接收到的海洋表面白帽反射并经过海表-传感器方向透射到达传感器的能量，
Figure GDA0001707111260000108
是通道的海表的白帽反射能量，
Figure GDA0001707111260000109
是通道i的海表白帽反射率；
Figure GDA00017071112600001010
是太阳的能量经大气透射到达海表，反射能量的角度与其入射的角度近似于镜面反射，再经大气透射到达传感器的部分；
Figure GDA00017071112600001011
是海水的离水辐射经过海表-传感器方向透射到达传感器的能量，
Figure GDA00017071112600001012
是海水离水辐射能量。
公式(11)中的白帽影响项
Figure GDA00017071112600001013
当海表风速大于7m/s时通常才会出现白帽现象，本发明使用ECMWF中分辨率的风速数据，并考虑该数据的不确定度，认为当样本区ECMWF风速小于等于5m/s时，白帽现象可以忽略。
对于离水辐射项
Figure GDA00017071112600001014
波长＜750nm的波谱区间在海表非耀斑区，实测与理论模拟计算表明，传感器接收到的离水辐射能量项在总辐亮度中所占比例＜5％，而在近红外波谱区间，如λ＞750nm，
Figure GDA0001707111260000111
那么对于耀斑区，由于太阳的镜面反射导致入瞳处总能量的极速增加，本实施例定义在λ＞750nm的波谱区间
Figure GDA0001707111260000112
因此离水辐射能量对VIIRS的M7、M8、M10和M12通道没有影响，对于M7、M8、M10通道，公式(11)简化为：
Figure GDA0001707111260000113
公式(12)是VIIRS的M7、M8、M10通道在海表耀斑区的大气层顶传感器接收到的辐亮度与海表反射率之间的辐射传输公式。
而根据文献的实测计算表明，远洋海表非耀斑区的离水辐射项
Figure GDA0001707111260000114
在670nm(VIIRS M5通道)处占传感器接收到的总能量的百分比约为2.2％，需要考虑M5通道离水辐射能量的影响，其对应辐射传输公式为：
Figure GDA0001707111260000115
式中，下标5代表M5通道。在耀斑区，通道离水辐射能量的绝对值相对非耀斑区保持不变，本发明采集十个非耀斑区无云区域的M5通道大气层顶辐亮度估算在耀斑区的M5通道的离水辐射能量值。
对于可见光-近红外通道，使用公式(12)和(13)正向计算模式，结合每个样本区的大气参数与观测几何，使用大气校正软件模拟得到M5、M7、M8、M10四个可见光-近红外通道在每个样本区的大气下行辐射、海洋太阳方向透射、海洋传感器方向透射、大气上行辐射四个大气参数，可计算得到不同通道在不同样本区预设海表反射率对应的大气层顶辐亮度。
对于M12中波红外通道，其大气层顶辐亮度包括反射太阳能量和大气的反射能量，其大气层顶的反射辐射能量的计算公式为：
Figure GDA0001707111260000121
式中，
Figure GDA0001707111260000122
是M12中波红外通道大气层顶的反射辐射能量，单位：W/(m2·sr·μm)；
Figure GDA0001707111260000123
是M12中波红外通道大气上行辐射中单次散射并被传感器接收到的能量，单位：W/(m2·sr·μm)。
通过海表各通道预设的海表理论反射率，根据辐射传输方程(11)和(14)的正向计算，得到各通道预设的大气层顶理论辐射亮度。
3.3将步骤3.2中得到的各通道大气层顶理论辐亮度转换为大气层顶反射率，即得到每个样本区各通道大气层顶的预设反射率
Figure GDA0001707111260000124
3.4使用步骤3.3中模拟得到每个样本区的各通道大气层顶预设反射率，构建不同样本区M5、M7、M8、M10四个通道与中波红外M12通道预设反射率之间的线性关系，得到每个样本区的斜率与截距：
Figure GDA0001707111260000125
式中，
Figure GDA0001707111260000126
是四个待评价光学通道大气层顶的预设反射率，
Figure GDA0001707111260000127
是M12通道大气层顶的预设反射率，ki和li分别是待评价光学通道i与中波红外通道大气层顶预设反射率之间的斜率与截距。
3.5使用步骤3.4得到的每个样本区预设反射率之间线性关系，结合步骤4计算得到的该样本区M12通道大气层顶实际反射率
Figure GDA0001707111260000128
可得到四个待评价光学通道的大气层顶理论反射率：
Figure GDA0001707111260000129
式中，
Figure GDA00017071112600001210
是M12通道计算得到的大气层顶反射率，
Figure GDA00017071112600001211
是不同待评价光学通道大气层顶的理论反射率值。
3.6将待评价光学通道理论反射率
Figure GDA0001707111260000131
与卫星数据实测的大气层顶反射率值
Figure GDA0001707111260000132
比较，即可得到大气层顶的反射率偏差，评价通道的在轨辐射性能：
Figure GDA0001707111260000133
式中，
Figure GDA0001707111260000134
待评价光学通道卫星实测的大气层顶反射率，
Figure GDA0001707111260000135
是不同待评价光学通道的大气层顶反射率偏差。
4.对该定标方法进行不确定度评价。主要考虑两类误差导致的定标不确定度的影响因素：仪器误差以及测量误差。在假设各种误差因素相互独立、观测精度同等的情况下，将每一个误差源得到的不确定度的平方和的根作为辐射定标验证的总不确定度。不确定度的计算是对前民得到的反射率偏差的准确度估计，以提高评价结果的可靠性。
其中仪器误差包括MODTRAN模型误差、仪器噪声误差、定标基准误差和偏振敏感性误差；观测误差包括耀斑区海表白帽影响、水汽观测误差、气溶胶光学厚度关系观测误差和海表折射率对结果的影响等。
假设各种误差因素相互独立、观测精度同等的情况下，以每一个误差源的平均值作为测量真值，经过辐射传输计算得到的定标验证结果作为定标验证的真值。然后以每个误差源的误差范围作为新的输入进行辐射传输计算得到新的定标验证结果。计算新的定标验证结果和定标验证结果真值之间的绝对差与定标验证真值的百分比，作为这个误差源产生的不确定度，将每一个误差源得到的不确定度的平方和的根作为辐射定标验证的总不确定度。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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。

Claims (9)

1.基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，包括以下步骤：
选定海水耀斑区作为定标验证场景，选定VIIRS中波红外通道数据作为定标验证参考基准；
根据VIIRS中波红外通道数据，计算大气层顶中波红外通道反射率并评价其精度，作为定标验证模型的基准；其中计算大气层顶中波红外通道反射率包括：首先使用M15通道大气层顶的亮度温度近似为大气层顶温度插入到M12通道的普朗克公式中来计算M12中波红外通道大气层顶的发射能量
Figure FDA0002794924330000011
然后计算M12通道的大气层顶发射能量
Figure FDA0002794924330000012
然后计算M12通道大气层顶反射率
Figure FDA0002794924330000013
其中，
Figure FDA0002794924330000014
是波长3.7μm处的大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，T15是M15通道大气层顶亮温，单位是K；
Figure FDA0002794924330000015
是M12通道大气层顶对应的黑体发射辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)，f12是M12通道光谱响应函数，λ1和λ2是M12通道的起止波长，
Figure FDA0002794924330000016
是M12通道的大气层顶双向反射率，
Figure FDA0002794924330000017
为大气层顶M12通道的传感器入瞳辐处接收到的反射率太阳能量，单位：W/(m2·sr·μm)，
Figure FDA0002794924330000018
是大气层顶M12通道的发射率，θsun是太阳天顶角，即入射角；
在海水表面构建基准通道和待评价光学通道的反射率关系；通过大气辐射传输模型将该反射率关系传输至大气层顶，得到大气层顶基准通道反射率与待评价光学通道反射率的线性关系；根据前述定标验证模型的基准和得到的线性关系计算待评价光学通道的大气层顶理论反射率；通过菲涅尔反射定律构建基准通道和待评价光学通道的反射率关系，包括以下步骤：令M12通道的海表反射率在5％～35％间变化，作为海表理论反射率基准；通过下式计算每个样本区四个待评价光学通道的海表菲涅尔反射率：
Figure FDA0002794924330000019
式中，
Figure FDA00027949243300000110
是通道i的海表菲涅尔反射率，
Figure FDA00027949243300000111
和
Figure FDA00027949243300000112
分别表示通道i入射光垂直分量和平行分量的反射率，具体表示为：
Figure FDA0002794924330000021
Figure FDA0002794924330000022
式中，
Figure FDA0002794924330000023
是通道i真空中的折射率，
Figure FDA0002794924330000024
是通道i的海水折射率；
构建M12通道与四个待评价光学通道海表反射率的关联关系：
Figure FDA0002794924330000025
式中，ρri是待评价光学通道i与M12通道真实海表菲涅尔反射率的比值，将计算得到的比值关系与设置的M12中波红外通道5％～35％的海表反射率相乘，得到四个待评价光学通道对应的海表预设反射率，
Figure FDA0002794924330000026
是通道i在有大气状况下海表耀斑区的菲涅尔反射率；
将待评价光学通道的大气层顶理论反射率值与遥感影像观测的大气层顶反射率比较，得到VIIRS光学通道的大气层顶反射率偏差。
2.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，作为定标验证场景的海水耀斑区为深海洋面区域。
3.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，选定VIIRS中波红外通道数据作为定标验证参考基准包括；M12中波红外通道作为波段间定标验证模型的参考基准，M13通道辅助M12通道计算海表反射率；M5、M7、M8和M10四个通道作为待评价光学通道。
4.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，在局地热平衡条件下：
Figure FDA0002794924330000031
M12通道的大气层顶反射率通过下式计算：
Figure FDA0002794924330000032
式中，
Figure FDA0002794924330000033
是传感器入瞳处观测到的M12通道总辐亮度，单位：W/(m2·sr·μm)。
5.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，当有大气存在时，海表通道的菲涅尔反射率通过下式计算：
Figure FDA0002794924330000034
6.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，通过大气辐射传输模型将该关系传输至大气层顶，得到大气层顶基准通道与待评价光学通道的反射率线性关系包括：
根据海表各通道预设的海表理论反射率，计算对应的大气层顶辐亮度；
将得到的各通道大气层顶辐亮度转换为大气层顶反射率，得到每个样本区各通道大气层顶的预设反射率；
使用得到每个样本区的各通道大气层顶预设反射率，构建不同样本区M5、M7、M8、M10四个通道与中波红外M12通道预设反射率之间的线性关系。
7.如权利要求6所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，根据前述定标验证模型的基准计算待评价光学通道的大气层顶理论反射率包括：
使用得到的每个样本区预设反射率之间线性关系，结合该样本区M12通道大气层顶实际反射率，计算得到四个待评价光学通道的大气层顶理论反射率：
将待评价光学通道理论反射率与卫星数据实测的大气层顶反射率值比较，得到大气层顶的反射率偏差。
8.如权利要求1所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，还包括：对得到的大气层顶反射率偏差进行不确定度评价。
9.如权利要求8所述的基于中波红外反射率基准的光学通道在轨定标验证方法，其特征在于，对得到的大气层顶反射率偏差进行不确定度评价包括：
以每一个误差源的平均值作为测量真值，经过辐射传输计算得到的定标验证结果作为定标验证的真值；
以每个误差源的误差范围作为新的输入进行辐射传输计算得到新的定标验证结果；
计算新的定标验证结果和定标验证结果真值之间的绝对差与定标验证真值的百分比，作为该误差源产生的不确定度；
将每一个误差源得到的不确定度的平方和的根作为辐射定标验证的总不确定度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112798013B (zh) * 2019-11-13 2023-04-18 中国科学院光电研究院 一种对光学载荷在轨绝对辐射定标结果进行验证的方法
CN111007024B (zh) * 2019-12-25 2021-01-26 武汉大学 一种适用于氧气a带的云反射比快速确定方法
CN113125015B (zh) * 2020-01-15 2022-07-05 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 用于卫星传感器的长时间序列跟踪方法及系统
CN113495060A (zh) * 2020-03-19 2021-10-12 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 一种通道间辐射基准传递方法及装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5022765A (en) * 1987-10-23 1991-06-11 International Business Machines Corporation Nulling optical bridge for contactless measurement of changes in reflectivity and/or transmissivity
US8594375B1 (en) * 2010-05-20 2013-11-26 Digitalglobe, Inc. Advanced cloud cover assessment
CN102346070A (zh) * 2010-07-30 2012-02-08 中国科学院遥感应用研究所 Hj-1a卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法
CN102607592B (zh) * 2012-02-24 2014-11-26 北京大学 遥感定标综合方法及定标设备车
US8767210B1 (en) * 2012-05-08 2014-07-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method for ground-to-space laser calibration system
CN102901516B (zh) * 2012-09-29 2015-08-19 航天恒星科技有限公司 一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法
CN103529439B (zh) * 2013-10-23 2015-09-30 环境保护部卫星环境应用中心 一种神经网络系统的植被参数遥感反演方法和装置
US9449244B2 (en) * 2013-12-11 2016-09-20 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defense Methods for in-scene atmospheric compensation by endmember matching
CN107219497B (zh) * 2017-05-17 2019-06-25 武汉大学 用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法及系统

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