CN117849769A - 一种卫星光学遥感探测器的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星遥感技术领域，公开了一种卫星光学遥感探测器的校准方法。本发明利用能够产生多种波长单色光，并且能够调节光源发光强度和发光波长的地面校准光源系统，根据待校准指标，在多轮测量后得到总测试信息，并基于总测试信息对卫星光学遥感探测器的待校准指标进行校准。本发明能够对卫星光学遥感探测器进行全面校准，对卫星光学遥感探测器生产的反演产品质量进行定标和验证。

Description

一种卫星光学遥感探测器的校准方法

技术领域

本发明属于卫星遥感技术领域，更具体地，涉及一种卫星光学遥感探测器的校准方法。

背景技术

卫星遥感的应用效能很大程度上取决于遥感数据定量化水平，卫星光学遥感探测器在发射前虽然已经经过严格的实验室定标校准，但发射升空后，在空间运行的条件下，光学系统的玻璃材料、光学薄膜和光学探测器等会受到空间宇宙射线的辐射、真空环境、温度变化等因素影响，在高能射线的辐射下，窗口和透镜会逐渐变得不透明，辐射损伤会导致光学探测器敏感参数的退化，还会诱发电荷转移效率降低、暗电流增加，平带电压和阈值电压漂移等现象，从而影响光谱灵敏度、响应度、线性度、噪声等效功率、动态范围等性能，从而导致遥感数据定量化水平下降。

现有的卫星地面校准光源的发光光谱单一，波长不可控制，不能用于校准卫星光学传感器的光谱响应。即由于现有地面校准光源系统不能改变光源的发光波长，因此仅能对校准卫星光学遥感探测器的噪声等效功率、动态范围等参数进行校准，不具备校准卫星光学遥感探测器光谱灵敏度特性的能力(探测器的响应度与入射波长的关系称为光谱灵敏度特性)。故亟需设计并实现一种能够全面校准卫星光学遥感探测器性能参数的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星光学遥感探测器的校准方法，以全面校准卫星光学遥感探测器的性能参数。

本发明提供一种卫星光学遥感探测器的校准方法，包括以下步骤：

步骤1、调整地面校准光源系统的光源发光方向，使其对准卫星过顶位置；开启大气透过率测量设备；

步骤2、根据待校准指标，控制所述地面校准光源系统按照指定的发光波长和发光强度出光，并在卫星过顶的时间范围内，执行第i轮测量，并得到第i轮测量对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据；

步骤3、卫星过顶时间结束后，判断总测试信息是否达到对待校准指标进行校准的要求，所述总测试信息包括当前获得的所有轮测试对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据和地面校准光源数据；若满足，则进入步骤4；若不满足，则返回至步骤2，更改发光波长、发光强度中的至少一个参数后，执行下一轮测量；

步骤4、基于所述总测试信息对卫星光学遥感探测器的待校准指标进行校准。

优选的，执行测量的过程中，控制所述地面校准光源系统保持在工作温度，并对发光强度进行实时监控测量和反馈补偿。

优选的，所述地面校准光源系统包含n个光源单元，n为大于等于3的整数；每个所述光源单元用于产生一种特定波长的单色光，不同的光源单元产生的单色光对应的波长不同，多个波长分别对应卫星光学遥感探测器响应光谱中的多个波长。

优选的，待校准指标分为两类，一类为与光源功率相关的指标，另一类为光谱灵敏度、光谱响应曲线改变的参数；

对于所述与光源功率相关的指标，所述地面校准光源系统的光源发光功率与所述卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值的换算关系如下：

式中，P为地面校准光源系统的光源发光功率，L为卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值，η_atm为大气透过率，PSF为探测器点扩散函数，ISRF为探测器光谱响应曲线在选定的发光波长处的取值，θ为地面校准光源发散角，A_pixel为一个卫星光学遥感探测器像元对应的地面面积，Δλ为卫星光学遥感探测器的带宽；

当对光谱响应定量分析时，分别采用多种不同特定波长的发光光源，此时地面校准光源系统的光源发光功率为发光功率谱密度的积分，表示为：

式中，λ_k为采用的第k种特定波长，为地面校准光源系统中的第k个光源单元发光时对应的光源发光功率，B为发光功率谱密度，Δλ_k为第k种特定波长光源的光谱宽度；

联立上述两个公式，得到所述卫星光学遥感探测器对于特定波长光源的光谱响应。

优选的，与光源功率相关的指标包括响应度、线性度、噪声等效功率和动态范围，待校准指标为所述与光源功率相关的指标时，采用下述方式进行校准：

步骤a、控制所述地面校准光源系统中的多个光源单元同时发光；设定i＝1，设置第i轮测量的第一次测量窗口时，所述地面校准光源系统的光源发光功率P_i1为最大光功率P_max，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i1；

步骤b、随着测量窗口轮次的增加，依次减少光源发光功率；将多次测量窗口下的光源发光功率分别记为P_i2、……、P_ij，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i2、……、I_ij；其中，j为大于等于4的整数；

步骤c、判断I_ij是否小于噪声均方根值；若否，则令i＝i+1，并设置P_i1＝P_(i-1)j后返回至步骤b；若是，则根据光源发光功率及其对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值，校准所述与光源功率相关的指标。

优选的，所述步骤b中，设定j＝4，设置

优选的，校准线性度时，以所述光源发光功率为横坐标，以所述卫星光学遥感探测器的输出值为纵坐标，绘制测量点曲线，选定拟合直线进行拟合；以相对误差σ表示线性度，表示如下：

式中，ΔY_max为测量点曲线与拟合直线的最大偏差，Y为卫星光学遥感探测器满量程输出值；

校准噪声等效功率时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值等于噪声均方根值时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_min，计算P_min对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最小辐射亮度值L_min，并以此表示探测器的噪声等效功率；

当所述相对误差σ大于30％时，将所述卫星光学遥感探测器视为饱和状态；校准动态范围时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值达到饱和时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_full，计算P_full对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最大辐射亮度值L_full，所述卫星光学遥感探测器的动态范围表示为

校准响应度时，当所述相对误差σ小于30％时，以所述测量点曲线的斜率作为探测器的响应度。

优选的，设定卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应为R(λ)，卫星光学遥感探测器在轨的光谱响应R′(λ)＝AR(a(λ-λ_c))，探测器光谱响应曲线改变的参数包括在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a；待校准指标为所述探测器光谱响应曲线改变的参数时，采用下述方式进行校准：

步骤a、选择特定波长为λ₁的光源单元发光，设置总发光功率，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₁)；

步骤b、保持所述总发光功率不变，更换光源波长，依次选择特定波长为λ₂、···、λ_n的光源单元发光，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₂)、···、I(λ_n)；

步骤c、在探测器光谱响应曲线上绘制(λ₁,I(λ₁))、(λ₂,I(λ₂))、···、(λ_n,I(λ_n))多个测量点，根据测量点反演所述卫星光学遥感探测器的光谱响应曲线变化。

优选的，根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式包括：

根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a的取值范围；

从上述取值范围中选取一组参数A_i、a_i和λ_ci，得到在该组参数下的光谱响应R′_i(λ)：

R′_i(λ)＝A_iR(a_i(λ-λ_ci))

对于选择的多个特定波长λ₁、…、λ_n，对应得到光谱变化后的响应R′_i(λ₁)、…、R′_i(λ_n)：

R′_i(λ₁)＝A_iR(a_i(λ₁-λ_ci))

……

R′_i(λ_n)＝A_iR(a_i(λ_n-λ_ci))

定义一个评价函数ξ_i，以衡量选取的A_i、a_i、λ_ci与实际的光谱响应变化的关系：

在A、a、λ_c的取值范围内选取参数，寻找使评价函数ξ_i达到最小值时的A_f、a_f、λ_cf；得到校准后的光谱响应曲线R′(λ)＝A_fR(a_f(λ-λ_cf))。

优选的，所述地面校准光源系统能够独立发出多个特定波长分别为λ₁、…、λ_n的单色光，且λ₁<λ₂<…<λ_n；采用如下方式实现上述多个特定波长的最优选取：

根据卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应，设置每个特定波长的取值范围；

根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数、峰值波长漂移和光谱带宽系数分别为A₀、a₀和λ_c0；

从λ₁、…、λ_n的取值范围中选取一组参数λ_1i、…、λ_ni，对应得到在光谱响应曲线变化的参数为A₀、a₀和λ_c0时的响应R′_i(λ_1i)、…、R′_i(λ_ni)：

R′_i(λ_1i)＝A₀R(a₀(λ_1i-λ_c0))

……

R′_i(λ_ni)＝A₀R(a₀(λ_ni-λ_c0))

利用所述根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式，对R′_i(λ_1i)、…、R′_i(λ_ni)进行反演操作，得到A_i、a_i和λ_ci，定义其误差函数为：

式中，λ_peak为卫星光学遥感探测器响应的峰值波长；

在λ₁、…、λ_n的取值范围内选取波长组合，寻找使误差函数达到最小值时的λ_1f，…，λ_nf，实现特定波长的最优选取。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明利用能够产生多种波长单色光，并且能够调节光源发光强度和发光波长的地面校准光源系统，不仅能够对卫星光学遥感探测器的与光源功率相关的指标进行校准，还能够对卫星光学遥感探测器的光谱灵敏度、光谱响应曲线改变的参数进行校准，即本发明能够满足对卫星光学遥感探测器的光谱灵敏度、响应度、线性度、噪声等效功率、动态范围等参数进行校准的要求，从而能够对卫星光学遥感探测器进行全面校准，对卫星光学遥感探测器生产的反演产品质量进行定标和验证。

(2)本发明在执行测量的过程中，通过控制地面校准光源系统保持在工作温度，并对发光强度进行实时监控测量和反馈补偿，能够保证地面校准光源系统长期稳定工作，为实现精确校准提供保障。

(3)现有技术缺少使用地面校准光源系统对卫星光学遥感探测器进行校准的步骤，也缺少使用测量数据反演卫星探测器光谱灵敏度、响应度、线性度、噪声等效功率、动态范围等参数变化的方法，本发明填补了上述空白，给出了具体的解决方案，包括提出了反演光谱响应曲线变化的方法，构建了卫星光学遥感探测器在轨的光谱响应的表达模型，提出将在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a作为探测器光谱响应曲线改变的参数，本发明能够对卫星光学遥感探测器进行全面校准。

(4)为了校准卫星光学遥感探测器的光谱响应曲线，地面校准光源系统需要产生三个及以上确定波长、确定强度的单色光，并且可以通过对不同波长的单色光的排列组合，得到不同的发光光谱，从而对卫星搭载的卫星光学遥感探测器的光谱响应进行校准。现有技术缺少在卫星光学遥感探测器的响应波长范围内选取三个及以上单一最优波长的方法，本发明填补了上述空白，提出了波长最优化选取方法，进而能够对卫星光学遥感探测器的光谱响应进行最佳校准。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种卫星光学遥感探测器的校准方法的整体流程图；

图2为本发明实施例2提供的一种卫星光学遥感探测器的校准方法中对与光源功率相关的指标进行校准的流程示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种卫星光学遥感探测器的校准方法对卫星光学遥感探测器的光谱响应曲线进行校准的流程示意图；

图4为误差函数为0时第一波长的分布；

图5为误差函数为0时第二波长的分布；

图6为误差函数为0时第三波长的分布。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供一种卫星光学遥感探测器的校准方法，主要包括以下步骤：

步骤1、调整地面校准光源系统的光源发光方向，使其对准卫星过顶位置；开启大气透过率测量设备；

步骤2、根据待校准指标，控制所述地面校准光源系统按照指定的发光波长和发光强度出光，并在卫星过顶的时间范围内，执行第i轮测量，并得到第i轮测量对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据；

步骤3、卫星过顶时间结束后，判断总测试信息是否达到对待校准指标进行校准的要求，所述总测试信息包括当前获得的所有轮测试对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据和地面校准光源数据；若满足，则进入步骤4；若不满足，则返回至步骤2，更改发光波长、发光强度中的至少一个参数后，执行下一轮测量；

步骤4、基于所述总测试信息对卫星光学遥感探测器的待校准指标进行校准。

其中，执行测量的过程中，控制所述地面校准光源系统保持在工作温度，并对发光强度进行实时监控测量和反馈补偿。例如，通过温控单元对所述地面校准光源系统的温度进行调节控制，使所述地面校准光源系统的温度保持恒定。

所述地面校准光源系统包含n个光源单元，n为大于等于3的整数；每个所述光源单元用于产生一种特定波长的单色光，不同的光源单元产生的单色光对应的波长不同，多个波长分别对应卫星光学遥感探测器响应光谱中的多个波长。

所述地面校准光源系统能够在接收到控制信息后根据需要发出满足指定条件(包括光谱条件和光强条件)的光。例如，可根据某一校准需求，在某一时间段内发出其中一种波长的单色光，在另一种校准需求下，在另一时间段内发出其中的两种波长的单色光，在第三种校准需求下，同时发出多种单色光，等等。

每个所述光源单元产生的单色光均为点光源，点光源均在卫星光学遥感探测器视场内的各个角度上保持发光强度不变。

每个所述光源单元均包括多个固定光功率模组和多个可变光功率模组；每个所述可变光功率模组与一个可变模组开关连接，所述可变模组开关用于对与其连接的所述可变光功率模组的开启或关闭进行控制；所述可变光功率模组能够按该光源单元中的所述固定光功率模组的光功率的1/m为步长进行发光，m为调节参数。可利用光强检测单元实时监测获得发出光源的光强信息，并基于所述光强信息对所述可变光功率模组的光功率进行调节控制。每个所述固定光功率模组与一个固定模组开关连接，所述固定模组开关用于对与其连接的所述固定光功率模组的开启或关闭进行控制；所述地面校准光源系统能够以所述固定光功率模组的光功率为步长进行发光。

对卫星光学遥感探测器的诸多参数进行校准时，能够通过依次减少或增加固定光功率模组的开启组数满足不同校准目标下的光强条件，通过可变模组开关能够对与其连接的可变光功率模组的开启或关闭进行控制，可变光功率模组在对应的光源驱动器的控制下能够按该光源单元中的固定光功率模组的光功率的1/m为步长进行发光，利用可变光功率模组能够补偿固定光功率模组因老化等问题产生的光功率下降，能够实现光强量化及精确控制，能够保证地面校准光源系统长期稳定工作。利用光强检测单元和温控单元能够进一步提高地面校准光源系统的稳定性。

其中，所述大气透过率测量设备包括但不限于大气激光雷达、太阳光度计、探空气球等设备。

参见图1，实施例1提供的卫星光学遥感探测器的校准方法，地面校准光源需要进行多次卫星过顶测量，对于单次卫星过顶测量S180，可采用以下工作流程S110-S140：

S110：按照卫星预定轨道，提前调整地面校准光源发光方向，使其对准卫星过顶位置。地面校准光源系统提前预热，并控温保持在工作温度。开启大气透过率测量设备，实时监控大气环境，以测量大气在不同波长的透过率。

S120：根据不同校准参数，使地面校准光源按照指定的发光波长和发光强度出光，并对地面校准光源的发光强度进行实时监控测量和反馈补偿。

S130和S140：等待卫星过顶时间结束后，地面校准光源停止工作，整理地面校准光源数据(包括地面校准光源发光强度)、大气透过率等实时数据，整理卫星光学遥感探测器的输出数据。

S150：判断测量数据是否达到待测指标要求。

S160：若测量数据未达到校准卫星光学遥感探测器待校准指标的要求，则等待下次卫星过顶，更改光源波长和光强，再进行单次测量过程S180。

S170：若进行了多次单次测量，并且测量的数据已经达到校准卫星光学遥感探测器待校准指标的要求，则根据卫星光学遥感探测器输出数据，进行数据处理，并按照测试结果对卫星光学遥感探测器的待校准指标进行校准。

所述卫星光学遥感探测器的待校准指标分为两类，一类为与光源功率相关的指标，另一类为光谱灵敏度、光谱响应曲线改变的参数，两类指标需分开校准。

对于所述与光源功率相关的指标，所述地面校准光源系统的光源发光功率与所述卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值的换算关系如下：

式中，P为地面校准光源系统的光源发光功率，L为卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值(发射升空后的探测器接收的辐射亮度值作为卫星光学遥感探测器对于特定波长光源的光谱响应)；η_atm为大气透过率，在探测器校准实验时利用大气透过率测量设备实时测量；PSF为探测器点扩散函数，ISRF为探测器光谱响应曲线在选定的发光波长处的取值(ISRF为未发射升空时探测器本身对各个波长的响应)，θ为地面校准光源发散角，A_pixel为一个卫星光学遥感探测器像元对应的地面面积，Δλ为卫星光学遥感探测器的带宽。

例如，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道，θ取值为100mrad，A_pixel取值为10⁶m，Δλ取值为400nm。

当对光谱响应定量分析时，分别采用多种不同特定波长的发光光源，此时地面校准光源系统的光源发光功率为发光功率谱密度的积分，表示为：

式中，λ_k为采用的第k种特定波长，为地面校准光源系统中的第k个光源单元发光时对应的光源发光功率，B为发光功率谱密度，Δλ_k为第k种特定波长光源的光谱宽度。

联立上述两个公式，得到所述卫星光学遥感探测器对于特定波长光源的光谱响应。

在实施例1的基础上，本发明提供卫星光学遥感探测器的响应度、线性度、噪声等效功率和动态范围的校准方法，具体参见实施例2。

实施例2：

与光源功率相关的指标包括响应度、线性度、噪声等效功率和动态范围，待校准指标为所述与光源功率相关的指标时，采用下述方式进行校准，即实施例2提供的校准方法包括以下步骤：

步骤a，对应图2中的S210：控制所述地面校准光源系统中的多个光源单元同时发光，即发出多种特定波长；设定i＝1，设置第i轮测量的第一次测量窗口时，所述地面校准光源系统的光源发光功率P_i1为最大光功率P_max，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i1，等待下一次测量窗口。

步骤b，对应图2中的S220：随着测量窗口轮次的增加，依次减少光源发光功率；将多次测量窗口下的光源发光功率分别记为P_i2、……、P_ij，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i2、……、I_ij；其中，j为大于等于4的整数。

例如，设定j＝4，设置测量卫星光学遥感探测器对应的输出值为I_i2、I_i3、I_i4。j取4，并按1、2、5、10的关系选取测量点，方便转换为对数坐标，也最能准确得到噪声等效功率。

步骤c：判断I_ij(例如，I_i4)是否小于噪声均方根值，对应图2中的S230；

若否，则令i＝i+1，并设置P_i1＝P_(i-1)j后返回至步骤b(例如，j取4时，P_i1＝P_(i-1)4，下一轮的光源发光功率P_i1为上一轮的P_i4)，对应图2中的S240；

若是，则根据光源发光功率及其对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值，校准所述与光源功率相关的指标，对应图2中的S250。

下面对校准响应度、线性度、噪声等效功率和动态范围分别进行说明。

(1)线性度是指探测器输出值I与入射光功率P成比例的程度。

校准线性度时，以所述光源发光功率为横坐标，以所述卫星光学遥感探测器的输出值为纵坐标，绘制测量点曲线，选定拟合直线进行拟合；线性度是表征测量点曲线与所选定的拟合直线之间的吻合或者偏离程度的指标，以相对误差σ表示线性度，表示如下：

式中，ΔY_max为测量点曲线与拟合直线的最大偏差，Y为卫星光学遥感探测器满量程输出值。

(2)噪声等效功率定义为信噪比为1时，即当探测器输出信号的有效值等于噪声均方根值时的入射辐通量，用来表征探测器弱信号探测能力。

校准噪声等效功率时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值等于噪声均方根值时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_min，计算P_min对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最小辐射亮度值L_min，并以此表示探测器的噪声等效功率。

(3)动态范围定义为探测器可以响应的最大入射光功率与最小入射光功率之比。

当所述相对误差σ大于30％时，将所述卫星光学遥感探测器视为饱和状态；校准动态范围时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值达到饱和时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_full，计算P_full对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最大辐射亮度值L_full，所述卫星光学遥感探测器的动态范围表示为

(4)响应度定义为当表征线性度的相对误差σ小于30％时，探测器输出值I和入射光功率P之间的关系I＝f(P)，用来表征探测器的光电转换特性。

校准响应度时，当所述相对误差σ小于30％时，以所述测量点曲线的斜率ΔI/ΔP作为探测器的响应度。

在实施例1的基础上，本发明提供卫星光学遥感探测器的光谱灵敏度、光谱响应曲线改变的参数的校准方法，具体参见实施例3。

实施例3：

假设已知出厂时探测器的光谱响应为R(λ)，卫星发射后，探测器光谱响应曲线的畸变主要表现在强度系数(A)、峰值波长漂移(λ_c)和光谱带宽系数(a)上，故卫星光学遥感探测器在轨的光谱响应为：

R′(λ)＝AR(a(λ-λ_c))

本发明采用的地面校准光源系统可发出多个(三个或以上)单色光波长，波长为λ₁、λ₂、λ₃、···、λ_n。所述光谱响应曲线改变的参数包括强度系数(A)、峰值波长漂移(λ_c)和光谱带宽系数(a)。

实施例3提供的校准方法包括以下步骤：

步骤a，对应图3中的S310和S320：选择特定波长为λ₁的光源单元发光，设置总发光功率，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₁)，等待下一次测量窗口。

其中，设定总发光功率时，使卫星光学遥感探测器响应对应探测器动态范围上限的

步骤b，对应图3中的S330和S340：保持所述总发光功率不变，更换光源波长，依次选择特定波长为λ₂、···、λ_n的光源单元发光，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₂)、···、I(λ_n)。

步骤c，对应图3中的S350：在探测器光谱响应曲线上绘制(λ₁,I(λ₁))、(λ₂,I(λ₂))、···、(λ_n,I(λ_n))多个测量点，根据测量点反演所述卫星光学遥感探测器的光谱响应曲线变化。

此外，还可包括步骤d，对应S360和S370：在测量数据满足卫星光学遥感探测仪器的光谱响应曲线校准的要求的情况下，取多次测量结果平均值作为校准结果。

其中，根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式包括：

(一)根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a的取值范围。

例如，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道，可设置A、a、λ_c的取值范围分别为：A∈[0.8,1.2]，a∈[0.8,1.2]，λ_c∈[-50,50]nm。

(二)将卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应记为R(λ)，从上述取值范围中选取一组参数A_i、a_i和λ_ci，得到在该组参数下的光谱响应R′_i(λ)：R′_i(λ)＝A_iR(a_i(λ-λ_ci))。

(三)对于选择的多个特定波长λ₁、…、λ_n，对应得到光谱变化后的响应R′_i(λ₁)、…、R′_i(λ_n)：

R′_i(λ₁)＝A_iR(a_i(λ₁-λ_ci))

……

R′_i(λ_n)＝A_iR(a_i(λ_n-λ_ci))

例如，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道，综合考虑校准效果及成本，地面校准光源系统设计为三波长光源。对于选定的三个波长λ₁、λ₂、λ₃，可以得出光谱变化后的响应R′_i(λ₁)、R′_i(λ₂)、R′_i(λ₃)：R′_i(λ₁)＝A_iR(a_i(λ₁-λ_ci))，R′_i(λ₂)＝A_iR(a_i(λ₂-λ_ci))，R′_i(λ₃)＝A_iR(a_i(λ₃-λ_ci))。

(四)定义一个评价函数ξ_i，以衡量选取的A_i、a_i、λ_ci与实际的光谱响应变化的关系：

例如，对于选定的三个波长λ₁、λ₂、λ₃，评价函数ξ_i如下：

(五)在A、a、λ_c的取值范围内选取参数，寻找使评价函数ξ_i达到最小值时的A_f、a_f、λ_cf；得到校准后的光谱响应曲线R′(λ)＝A_fR(a_f(λ-λ_cf))。

进一步地，为得到卫星光学遥感探测器的光谱响应的最佳校准结果，利用前述反演步骤和方法，本发明还提供了一种卫星光学遥感探测器地面校准光源系统波长最优化选取方法。

所述地面校准光源系统能够独立发出多个特定波长分别为λ₁、…、λ_n的单色光，且λ₁<λ₂<…<λ_n；采用如下方式实现上述多个特定波长的最优选取：

(一)根据卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应，设置每个特定波长的取值范围。

示例性地，假设地面校准光源系统设计为三波长光源，光源波长为λ₁、λ₂、λ₃，且λ₁<λ₂<λ₃。可根据待校准的卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应，设置波长取值范围为：λ₁∈[λ_min,λ_peak]nm，λ₂∈(λ₁,λ₃)nm，λ₃∈(λ_peak,λ_max]nm。其中，λ_min为探测器响应的最小波长，λ_max为探测器响应的最大波长，λ_peak为探测器响应的峰值波长。示例性地，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道，可设置λ_min＝500nm，λ_peak＝654nm,λ_max＝930nm。

(二)根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数、峰值波长漂移和光谱带宽系数分别为A₀、a₀和λ_c0；其中，A₀、a₀和λ_c0代表卫星光学遥感探测器在某一个阶段的情况。

(三)从λ₁、…、λ_n的取值范围中选取一组参数λ_1i、…、λ_ni，对应得到在光谱响应曲线变化的参数为A₀、a₀和λ_c0时的响应R′_i(λ_1i)、…、R′_i(λ_ni)：

R′_i(λ_1i)＝A₀R(a₀(λ_1i-λ_c0))

……

R′_i(λ_ni)＝A₀R(a₀(λ_ni-λ_c0))

(四)利用所述根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式，对R′_i(λ_1i)、…、R′_i(λ_ni)进行反演操作，得到A_i、a_i和λ_ci，定义其误差函数为：

式中，λ_peak为卫星光学遥感探测器响应的峰值波长。

(五)在λ₁、…、λ_n的取值范围内选取波长组合，寻找使误差函数达到最小值时的λ_1f，…，λ_nf，实现特定波长的最优选取。若存在多个波长组合使/>存在多个局部最小值，则以全局极小值作为最优结果。

示例性地，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道，可设置A₀＝0.9，a₀＝0.9，λ_c0＝-10。也就是说，针对FY-3E卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪微光型的微光通道在轨工作一段时间后，响应强度衰减了10％、峰值波长向左漂移了10nm以及响应曲线光谱带宽收缩了10％的情况进行地面校准光源的波长最优化选取。在λ₁、λ₂、λ₃的取值范围内随机选取100000个组合，图4为误差函数为0时第一波长λ₁的分布，可见，λ₁集中分布在535nm处，故λ₁选择535nm。图5为误差函数为0时第二波长λ₂的分布，可见，λ₂集中分布在535nm处，故λ₂选择670nm。图6为误差函数为0时第三波长λ₃的分布，可见，λ₃集中分布在875nm处，故λ₃选择875nm。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调整地面校准光源系统的光源发光方向，使其对准卫星过顶位置；开启大气透过率测量设备；

步骤2、根据待校准指标，控制所述地面校准光源系统按照指定的发光波长和发光强度出光，并在卫星过顶的时间范围内，执行第i轮测量，并得到第i轮测量对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据；

步骤3、卫星过顶时间结束后，判断总测试信息是否达到对待校准指标进行校准的要求，所述总测试信息包括当前获得的所有轮测试对应的卫星光学遥感探测器的输出数据、大气透过率数据和地面校准光源数据；若满足，则进入步骤4；若不满足，则返回至步骤2，更改发光波长、发光强度中的至少一个参数后，执行下一轮测量；

步骤4、基于所述总测试信息对卫星光学遥感探测器的待校准指标进行校准。

2.根据权利要求1所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，执行测量的过程中，控制所述地面校准光源系统保持在工作温度，并对发光强度进行实时监控测量和反馈补偿。

3.根据权利要求1所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，所述地面校准光源系统包含n个光源单元，n为大于等于3的整数；每个所述光源单元用于产生一种特定波长的单色光，不同的光源单元产生的单色光对应的波长不同，多个波长分别对应卫星光学遥感探测器响应光谱中的多个波长。

4.根据权利要求3所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，待校准指标分为两类，一类为与光源功率相关的指标，另一类为光谱灵敏度、光谱响应曲线改变的参数；

对于所述与光源功率相关的指标，所述地面校准光源系统的光源发光功率与所述卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值的换算关系如下：

式中，P为地面校准光源系统的光源发光功率，L为卫星光学遥感探测器接收到的辐射亮度值，η_atm为大气透过率，PSF为探测器点扩散函数，ISRF为探测器光谱响应曲线在选定的发光波长处的取值，θ为地面校准光源发散角，A_pixel为一个卫星光学遥感探测器像元对应的地面面积，Δλ为卫星光学遥感探测器的带宽；

当对光谱响应定量分析时，分别采用多种不同特定波长的发光光源，此时地面校准光源系统的光源发光功率为发光功率谱密度的积分，表示为：

式中，λ_k为采用的第k种特定波长，为地面校准光源系统中的第k个光源单元发光时对应的光源发光功率，B为发光功率谱密度，Δλ_k为第k种特定波长光源的光谱宽度；

联立上述两个公式，得到所述卫星光学遥感探测器对于特定波长光源的光谱响应。

5.根据权利要求3所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，与光源功率相关的指标包括响应度、线性度、噪声等效功率和动态范围，待校准指标为所述与光源功率相关的指标时，采用下述方式进行校准：

步骤a、控制所述地面校准光源系统中的多个光源单元同时发光；设定i＝1，设置第i轮测量的第一次测量窗口时，所述地面校准光源系统的光源发光功率P_i1为最大光功率P_max，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i1；

步骤b、随着测量窗口轮次的增加，依次减少光源发光功率；将多次测量窗口下的光源发光功率分别记为P_i2、……、P_ij，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I_i2、……、I_ij；其中，j为大于等于4的整数；

步骤c、判断I_ij是否小于噪声均方根值；若否，则令i＝i+1，并设置P_i1＝P_(i-1)j后返回至步骤b；若是，则根据光源发光功率及其对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值，校准所述与光源功率相关的指标。

6.根据权利要求5所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，所述步骤b中，设定j＝4，设置

7.根据权利要求5所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，校准线性度时，以所述光源发光功率为横坐标，以所述卫星光学遥感探测器的输出值为纵坐标，绘制测量点曲线，选定拟合直线进行拟合；以相对误差σ表示线性度，表示如下：

式中，ΔY_max为测量点曲线与拟合直线的最大偏差，Y为卫星光学遥感探测器满量程输出值；

校准噪声等效功率时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值等于噪声均方根值时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_min，计算P_min对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最小辐射亮度值L_min，并以此表示探测器的噪声等效功率；

当所述相对误差σ大于30％时，将所述卫星光学遥感探测器视为饱和状态；校准动态范围时，在测量点数据中寻找所述卫星光学遥感探测器的输出值达到饱和时对应的光源发光功率，将此光源发光功率记为P_full，计算P_full对应的所述卫星光学遥感探测器接收到的最大辐射亮度值L_full，所述卫星光学遥感探测器的动态范围表示为

校准响应度时，当所述相对误差σ小于30％时，以所述测量点曲线的斜率作为探测器的响应度。

8.根据权利要求3所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，设定卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应为R(λ)，卫星光学遥感探测器在轨的光谱响应R′(λ)＝AR(a(λ-λ_c))，探测器光谱响应曲线改变的参数包括在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a；待校准指标为所述探测器光谱响应曲线改变的参数时，采用下述方式进行校准：

步骤a、选择特定波长为λ₁的光源单元发光，设置总发光功率，测量所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₁)；

步骤b、保持所述总发光功率不变，更换光源波长，依次选择特定波长为λ₂、···、λ_n的光源单元发光，分别测量对应的所述卫星光学遥感探测器的输出值I(λ₂)、···、I(λ_n)；

步骤c、在探测器光谱响应曲线上绘制(λ₁,I(λ₁))、(λ₂,I(λ₂))、···、(λ_n,I(λ_n))多个测量点，根据测量点反演所述卫星光学遥感探测器的光谱响应曲线变化。

9.根据权利要求8所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式包括：

根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数A、峰值波长漂移λ_c和光谱带宽系数a的取值范围；

从上述取值范围中选取一组参数A_i、a_i和λ_ci，得到在该组参数下的光谱响应R′_i(λ)：

R′_i(λ)＝A_iR(a_i(λ-λ_ci))

对于选择的多个特定波长λ₁、…、λ_n，对应得到光谱变化后的响应R′_i(λ₁)、…、R′_i(λ_n)：

R′_i(λ₁)＝A_iR(a_i(λ₁-λ_ci))

……

R′_i(λ_n)＝A_iR(a_i(λ_n-λ_ci))

定义一个评价函数ξ_i，以衡量选取的A_i、a_i、λ_ci与实际的光谱响应变化的关系：

在A、a、λ_c的取值范围内选取参数，寻找使评价函数ξ_i达到最小值时的A_f、a_f、λ_cf；得到校准后的光谱响应曲线R′(λ)＝A_fR(a_f(λ-λ_cf))。

10.根据权利要求9所述的卫星光学遥感探测器的校准方法，其特征在于，所述地面校准光源系统能够独立发出多个特定波长分别为λ₁、…、λ_n的单色光，且λ₁<λ₂<…<λ_n；采用如下方式实现上述多个特定波长的最优选取：

根据卫星光学遥感探测器出厂时的光谱响应，设置每个特定波长的取值范围；

根据经验设置在轨的光谱响应曲线的强度系数、峰值波长漂移和光谱带宽系数分别为A₀、a₀和λ_c0；

从λ₁、…、λ_n的取值范围中选取一组参数λ_1i、…、λ_ni，对应得到在光谱响应曲线变化的参数为A₀、a₀和λ_c0时的响应R_i′(λ_1i)、…、R_i′(λ_ni)：

R_i′(λ_1i)＝A₀R(a₀(λ_1i-λ_c0))

……

R_i′(λ_ni)＝A₀R(a₀(λ_ni-λ_c0))

利用所述根据测量点反演光谱响应曲线变化的实现方式，对R_i′(λ_1i)、…、R_i′(λ_ni)进行反演操作，得到A_i、a_i和λ_ci，定义其误差函数为：

式中，λ_peak为卫星光学遥感探测器响应的峰值波长；

在λ₁、…、λ_n的取值范围内选取波长组合，寻找使误差函数达到最小值时的λ_1f，…，λ_nf，实现特定波长的最优选取。