CN108955885A - 卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，利用自动控制与采集单元切换同一光学观测系统与光谱仪在光谱辐射观测和观测自校准两种工作模式下工作，实现天空总照度、天空漫射照度、反射辐亮度、太阳直射辐照度的观测；光谱辐射观测模式，能够实现总照度与反射辐亮度探测，获得光谱辐射直接观测结果；光谱辐射观测观测自校准模式能够以两种不同观测方式实现太阳直射辐照度观测，得到观测自校准系数。本发明方法可以实现实时校准的光谱辐射观测数据，在光辐射测量、光辐射定标和卫星遥感器定标技术领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光辐射测量、光辐射定标和卫星遥感器定标技术领域，尤其涉及卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法。
背景技术
卫星遥感器在轨期间的性能衰变是持续的，只有通过卫星遥感器在轨定标的实时校准与校正才能有效区分地球系统的真实变化与载荷自身的衰变，实现卫星遥感器的高精度定量化遥感需求。
目前国际上基于陆地场的在轨场地定标方法有反射率基法、辐照度基法、辐亮度基法。其中，反射率基法是在定标场进行场地反射率、大气气溶胶和气象观测，经过模式计算并与卫星结果比对得到定标系数。辐照度基法是反射率基法的改进，增加了漫总比的测量，提高定标中大气透过率的数据精度。辐亮度基法是利用航空遥感器与卫星遥感器同步观测进行定标，但是涉及到飞机协调、仪器观测等问题，实施难度较大。
经过多年的发展，卫星遥感器形成了以“反射率基法”为核心的在轨定标技术流程。使用反射率基法进行卫星遥感器的绝对辐射定标，根据不确定度评估规范，计算得到的最终合成不确定度约为4.75％。根据场地定标不确定度来源的分析，反射率的测量精度对卫星在轨场地定标不确定度影响最大，必须解决反射率受测量方法、测量设备、人为因素的影响，实现反射率测量精度的提高，从而降低卫星在轨场地定标不确定度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法。就观测功能而言，该方法能够实现光谱辐射的直接观测；就自校准功能而言，该方法基于同一定标基准源，保证光谱辐射观测的实时校准，提供准确的辐射观测结果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，利用自动控制与采集单元切换同一光学观测系统与光谱仪在光谱辐射观测和观测自校准两种工作模式下工作，实现天空总照度、天空漫射照度、反射辐亮度、太阳直射辐照度的观测；所述的光谱辐射观测模式，利用光学观测系统的积分球、反射观测单元和自动控制与采集单元、光谱仪联合实现天空总照度与反射辐亮度观测，获得天空和光谱辐射观测结果；所述的观测自校准模式，利用光学观测系统的积分球、太阳直射遮挡器、反射观测单元和自动控制与采集单元、光谱仪实现两种不同观测方式的太阳直射辐照度观测，得到观测自校准系数，实现光谱辐射的实时观测与实时校准。
所述的光谱辐射观测模式，利用自动控制与采集单元分时打开积分球上、下入光口和反射观测单元的观测镜头入光口，利用同一光谱仪获得天空总照度和反射辐亮度的光谱辐射观测结果。
所述的观测自校准模式，利用自动控制与采集单元分时测量实现基于积分球入射的天空总照度、天空漫射照度的观测和基于反射观测单元的太阳直射辐照度观测，将两者观测结果进行比对，实现观测结果的自校准。
所述的天空光辐射观测光路与反射辐射观测光路为同一个出光口，天空光辐射的观测光路为天空光辐射、积分球匀光、积分球出光口、光辐射探测，反射观测的光路为反射辐射、观测镜头、积分球匀光、积分球出光口、光辐射探测，观测中的光学链路进行自校准，辐射探测链路一致，实现光谱辐射的实时观测与实时校准。
所述的光辐射观测中的积分球顶端采用平顶设计，具有良好的余弦特性，内壁涂层材料采用聚四氟乙烯，增强匀光特性，消除偏振效应，积分球上下开口，上入光口用于接收来自半球空间的光辐射，下入光口用于接收反射的光辐射。
所述的积分球上、下入光口、观测镜头入光口由光学快门实现密闭，并由自动控制与采集单元控制打开与闭合，实现天空光辐射与反射辐射的分时观测，相互无光能量干扰。
所述的光谱辐射观测方法具体如下：(1)光谱辐射前置光学观测系统垂直放置，利用便携式计算机连接电子学自动控制与采集系统，打开积分球上入光口，同时关闭积分球下入光口和反射观测单元入光口，控制光谱仪实现天空总照度的观测；(2)关闭所有入光口，测量辐射暗信号；(3)关闭积分球上入光口，同时打开积分球下入光口和反射观测单元入光口，控制光谱仪系统实现反射辐亮度的观测；(4)关闭所有入光口，测量辐射暗信号；(5)将天空总照度与反射辐亮度值分别处理，最后比值计算得到光谱辐射观测结果。
所述的光谱辐射自校准观测采用太阳作为基准光源，天空光观测光路的直射辐照度是利用天空总照度和天空漫射照度的差值获得，反射观测光路的直射辐照度是利用观测镜头直射太阳进行观测，双光路近同步对太阳直射进行观测，获得相同光源、不同入射光路、相同出射光路和光谱仪下的辐射探测信号，计算的比值校正因子用于光谱辐射观测的自校准。
所述的在自校准观测模式下，天空光观测光路的直射辐照度是利用天空总照度和天空漫射照度的差值获得，反射观测光路的直射辐照度是利用观测镜头直射太阳进行观测，不同模式相同光源下的观测结果进行比对校正。
所述的自校准观测模式下，天空总照度和天空漫射照度的观测采用太阳直射遮挡器进行连续观测，反射观测光路的直射辐照度是利用光学观测系统自动跟踪太阳进行观测，所有的运动部件的工作都基于自动控制与采集单元的控制，近同步完成不同工作方式下的太阳直射辐射探测。
所述的光谱辐射观测自校准方法具体如下：(1)利用便携式计算机控制电子学自动控制与采集系统，打开积分球上入光口，关闭积分球下入光口和反射观测单元的观测镜头入光口，利用光谱仪采集得到半球空间总照度结果，包括太阳直射光和天空漫射光；(2)控制太阳直射遮挡器遮挡太阳直射光，使其阴影完全覆盖积分球入口，利用光谱仪采集得到天空漫射光测量结果；(3)步骤(1)测得的测量结果减去步骤(2)测得的测量结果，得到太阳直射光的辐射测量结果；(4)利用便携式计算机控制电子学自动控制与采集系统，使反射观测镜头直射观测太阳，获得此时的太阳直射观测结果；(5)利用步骤(4)得到的太阳直射辐射结果与步骤(3)得到的太阳直射光观测结果进行比值计算，获得反射观测镜头光路系统与天空总照度观测光路系统的比值系数。
所述的光谱辐射观测的参考量值传递方法如下：
光谱辐射观测结果是由天空总照度和反射辐亮度的测量结果获取，利用积分球测量装置获得天空总照度的测量结果E(λ)，利用对地观测镜头获得反射辐亮度的结果L(λ)。
根据下式(1)给出的光谱辐射观测原理可知，利用观测的天空总照度E(λ)和反射辐亮度L(λ)，天空光测量与对地反射测量信号进入光机系统后一致，仪器输出信号值直接代表了两光路的入射光通量，见式(2)及式(3)，代入公式(1)，最终可由式(4)得到光谱辐射观测结果。公式(4)的第二项为两光路透过率和几何因子的比值，该部分利用实验室定标得到精确结果。
DNE＝E(λ)·RE(λ)·AE (2)
DNL＝E(λ)·RL(λ)·AL·Ω (3)
上述公式中，ρ(λ)为反射率，L(λ)为反射亮度，E(λ)为天空入射照度，DNL为对地观测输出数字电压，DNE为照度观测输出数字电压，RE(λ)为天空观测透过率，RL(λ)为对地观测镜头透过率，Ω为镜头观测立体角，AL为镜头入瞳面积，AE为天空观测入瞳面积。
所述的观测自校准方法的参考量值传递方法如下：
为了保证光谱直接观测结果的一致性，在自校准观测模式下校正天空光观测光路与对地观测光路的比值相对变化，完成两路入射光路野外观测的自校准，以野外观测结果定标两光路透过率的相对变化，保持长期观测数据的稳定性。
光谱辐射直接法观测的原理如式(5)所示，式中，为系统的光谱辐射观测比值因子，其中为透过率比值因子，为几何比值因子。
实验室系统级定标后的光谱辐射实际观测值如式(6)所示，C(λ)为校准因子，该校准因子是自校准测量的透过率因子与实验室初始透过率因子的比值，如式(7)所示。该校正因子的应用将及时校正仪器自身的衰变，保持光谱辐射长期观测的高精度。
式中，A(λ)为初始透过率因子，DNE0(λ)为辐照度光路观测标准灯输出电压值，DNL0(λ)为辐亮度光路观测标准灯输出电压值。B(λ)为透过率定标因子，DNE(λ)为辐照度光路观测太阳输出电压值，DNL(λ)为辐亮度光路观测太阳输出电压值。
公式(6)～(7)中，系统的初始比值因子A(λ)利用实验室系统级定标方法获得，在实验室中利用标准灯光源分别进行天空观测光路的辐照度定标和反射观测光路的辐亮度定标，根据测量的信号值获取初值透过率因子。
自校准测量中的透过率因子B(λ)是利用太阳作为定标光源，两光路分别对太阳进行直射测量，获得相同光源下的结果，经过比值计算得到透过率因子，进行系统光谱辐射观测的校准。
本发明的优点是：
本发明实现了不依赖于参考目标的光谱辐射直接观测，并利用外场自校准方法实时校正实验室定标结果，解决了高精度光谱观测和外场观测设备的周期性定标问题。本发明提出的观测方法，可以针对定标场进行直接观测，不依赖于参考板等设备的参考；发明中提出的自校准方法，在可以保证观测系统进行比值自校准，无需将设备返回实验室，定标流程简单，操作方便，两者结合可以保证在观测系统的寿命周期内长期无人值守的进行野外数据观测，提高设备的工作效益。在卫星遥感器自动化定标场的业务化运行中具有重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明中光谱辐射观测和自校准的前置光学系统装配图。
图2为本发明中光谱辐射观测的天空总照度观测示意图。
图3为本发明中光谱辐射观测的反射辐亮度观测示意图。
图4为本发明中光谱辐射观测自校准的天空漫射照度观测示意图。
图5为本发明中光谱辐射观测自校准的太阳直射辐照度观测示意图。
图6为本发明工作原理框图。
具体实施方式
可实现卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法的实施方式如图1所示，包含有积分球防护罩1、积分球上入光口2、天空照度观测积分球3、积分球出光口4、积分球挡光板5、积分球下入光口6、反射亮度观测镜头7、观测镜头入光口8、反射辐亮度观测孔径9、太阳直射辐照度观测孔径10、光谱仪11、导光光纤12、太阳直射遮挡器13。
积分球3的上入光口处安装防护罩1，用于防护沙尘、潮汽对内壁的污染。积分球上入光口2和下入光口6都利用挡光板遮挡，保护积分球3的内壁不受紫外线的照射，减小内壁反射层的衰变。积分球3内置积分球挡光板5，其中积分球挡光板5与积分球出光口4呈45°夹角。反射亮度观测镜头7分别设置不同的孔径光阑，用于反射观测和直射观测。
(1)光谱辐射观测的工作方式
在光谱辐射观测模式下，分别进行天空总照度观测和反射辐亮度观测，参考图2、图3、图6。
在图2中，打开积分球上入光口2，同时关闭积分球下入光口6和观测镜头入光口8，控制光谱仪11获得天空总照度的观测结果E(λ)。
在图3中，关闭积分球上入光口2，同时打开积分球下入光口6和观测镜头入光口8，切换镜头观测光阑到反射观测模式，控制光谱仪获得反射辐亮度观测结果L(λ)。
将天空总照度与反射辐亮度值分别处理，最后得到光谱辐射观测结果。
(2)光谱辐射观测的自校准工作方式
在自校准观测模式下，分别进行基于积分球观测的天空总照度、天空漫射照度观测，基于反射观测镜头的太阳直射辐照度观测，参考图2、图4、图5、图6。
在图2中，同样获得天空总照度的观测结果E(λ)。
在图4中，保持天空总照度的观测方式不变，控制太阳直射遮挡器13运动，保证太阳直射遮挡器13可以完全遮挡积分球的上入光口2，控制光谱仪系统获得天空漫射照度的观测结果E’(λ)，结合以上的两次观测结果获得基于积分球的直射辐照度观测结果Et(λ)。
在图5中，旋转整个辐射观测光学系统，利用跟踪器使反射镜头观测光路跟踪太阳，并切换镜头观测系统内部的孔径光阑，控制光谱仪系统获得太阳直射辐照度的观测EL(λ)。
将以上观测得到的基于积分球观测的太阳直射观测结果Et(λ)，基于反射观测镜头的太阳直射辐照度观测EL(λ)进行比值计算，获得野外观测系统透过率因子B(λ)，对实验室观测的透过率因子A(λ)进行校正，获得光谱辐射观测校正因子C(λ)，对野外光谱辐射观测数据进行实时校准。
Claims (10)
1.卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：利用自动控制与采集单元切换同一光学观测系统与光谱仪在光谱辐射观测和观测自校准两种工作模式下工作，实现天空总照度、天空漫射照度、反射辐亮度、太阳直射辐照度的观测；所述的光谱辐射观测模式，利用光学观测系统的积分球、反射观测单元和自动控制与采集单元、光谱仪联合实现天空总照度与反射辐亮度观测，获得天空和光谱辐射观测结果；所述的观测自校准模式，利用光学观测系统的积分球、太阳直射遮挡器、反射观测单元和自动控制与采集单元、光谱仪实现两种不同观测方式的太阳直射辐照度观测，得到观测自校准系数，实现光谱辐射的实时观测与实时校准。
2.根据权利要求1所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：在光谱辐射观测模式，利用自动控制与采集单元分时打开积分球上、下入光口和反射观测单元的观测镜头入光口，利用同一光谱仪获得天空总照度和反射辐亮度的光谱辐射观测结果。
3.根据权利要求1所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：在观测自校准模式，利用自动控制与采集单元分时测量实现基于积分球入射的天空总照度、天空漫射照度的观测和基于反射观测单元的太阳直射辐照度观测，将两者观测结果进行比对，实现观测结果的自校准。
4.根据权利要求2所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：所述的天空光辐射观测光路与反射辐射观测光路为同一个出光口，天空光辐射的观测光路为天空光辐射、积分球匀光、积分球出光口、光辐射探测，反射观测的光路为反射辐射、观测镜头、积分球匀光、积分球出光口、光辐射探测，观测中的光学链路进行自校准，辐射探测链路一致，实现光谱辐射的实时观测与实时校准。
5.根据权利要求2所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：所述的光谱辐射观测方法具体如下：
（1）光谱观测的光学系统垂直放置，利用便携式计算机连接电子学自动控制与采集系统，打开积分球上入光口，同时关闭积分球下入光口和反射观测单元入光口，控制光谱仪实现天空总照度的观测；
（2）关闭所有入光口，测量辐射暗信号；
（3）关闭积分球上入光口，同时打开积分球下入光口和反射观测单元入光口，控制光谱仪实现反射辐亮度的观测；
（4）关闭所有入光口，测量辐射暗信号；
（5）将天空总照度与反射辐亮度的光谱测量结果。
6.根据权利要求3所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：光谱辐射自校准观测采用太阳作为基准光源，天空光观测光路的直射辐照度是利用天空总照度和天空漫射照度的差值获得，反射观测光路的直射辐照度是利用观测镜头直射太阳进行观测，双光路近同步对太阳直射进行观测，获得相同光源、不同入射光路、相同出射光路和光谱仪下的辐射探测信号，计算的比值校正因子用于光谱辐射观测的自校准。
7.根据权利要求6所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：自校准观测模式下，天空总照度和天空漫射照度的观测采用太阳直射遮挡器进行连续观测，反射观测光路的直射辐照度是利用光学观测系统自动跟踪太阳进行观测，所有的运动部件的工作都基于自动控制与采集单元的控制，近同步完成不同工作方式下的太阳直射辐射探测。
8.根据权利要求7所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：所述的观测自校准方法具体如下：
（1）利用便携式计算机控制电子学自动控制与采集系统，打开积分球上入光口，关闭积分球下入光口和反射观测单元入光口，利用光谱仪采集得到天空半球空间总照度结果，包括太阳直射光和天空漫射光；
（2）控制太阳直射遮挡器遮挡太阳直射光，使其阴影完全覆盖积分球入口，利用光谱仪采集得到天空漫射光测量结果；
（3）步骤（1）测得的测量结果减去步骤（2）测得的测量结果，得到太阳直射光的辐射测量结果；
（4）利用便携式计算机控制电子学自动控制与采集系统，使反射观测镜头直射观测太阳，获得此时的太阳直射观测结果；
（5）利用步骤（4）得到的太阳直射辐射结果与步骤（3）得到的太阳直射光观测结果进行比值计算，进行反射辐亮度/天空总照度的比值校准。
9.根据权利要求1所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：在满足卫星遥感器在轨定标的工作环境下，采用直接观测获得光谱辐射的观测结果，并利用自校准观测模式获得观测的比值校准系数。
10.根据权利要求1所述的卫星遥感器在轨定标的光谱辐射观测与自校准方法，其特征在于：所述的积分球顶端采用平顶设计，具有良好的余弦特性，内壁涂层材料采用聚四氟乙烯，积分球上下开口，上入光口用于接收来自半球空间的光辐射，下入光口用于接收反射的光辐射；所述的积分球上、下入光口、观测镜头入光口由光学快门实现密闭，并由自动控制与采集单元控制打开与闭合，实现天空光辐射与反射辐射的分时观测，相互无光能量干扰。
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