徐偉偉，張黎明，李 鑫，司孝龍，楊寶云

(1.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學院 通用光學定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥230031)

引言

高分辨率衛(wèi)星遙感影像可以更加精細地表達地物目標的空間結(jié)構(gòu)與表層紋理特征，在自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境保護、應急響應管理等國民經(jīng)濟建設與國防安全方面具有非常廣闊的應用前景[1]。隨著遙感技術(shù)發(fā)展與定量化應用，遙感信息已從對地球形態(tài)形貌的識別發(fā)展到對地球多圈層物理參數(shù)的精細化定量遙感，能力的提升有賴于衛(wèi)星全壽命期定標體系的支持，因此遙感器在軌期間的定標精度直接影響遙感數(shù)據(jù)的定量化應用水平[2-3]。

光學遙感衛(wèi)星發(fā)射前在實驗室都進行過最嚴格、最全面的定標與性能檢測，但由于發(fā)射過程中震動與加速度、在軌應力釋放與排污、空間環(huán)境、探測器衰變等因素，都會使得其性能發(fā)生不同程度衰變，有必要在運行期間進行定標。沒有高精度定標將使同一衛(wèi)星(星座)或不同衛(wèi)星所獲遙感數(shù)據(jù)無法相互比較，不能依據(jù)長時間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測等應用，高頻次、高精度、業(yè)務化的在軌定標應貫穿于衛(wèi)星全壽命期[4-7]。基于積分球(標準燈)光源或太陽漫射板的星上定標都是將實驗室輻射基準作為參考，尚需溯源于國際單位，且對衛(wèi)星發(fā)射過程中的沖擊和加速度等沒有有效的監(jiān)測手段。基于輻射校正場的反射率基法或輻照度基法等替代定標是一種單點(輻亮度)定標方法，需要傳感器暗電流(或冷空觀測)相配合，因此遙感器響應線性(或動態(tài)范圍)與場地反射率對基于輻射校正場的定標精度影響很大，例如敦煌場目前在軌定標精度約5%～8%，且難以實現(xiàn)光學遙感衛(wèi)星全動態(tài)定標[8-14]。針對近年快速發(fā)展的高分辨率光學遙感衛(wèi)星(星座)，美國亞利桑那大學與國內(nèi)安徽光學精密機械研究所等科研機構(gòu)以多反射率灰階靶標代替輻射校正場，采用輻射傳輸計算為核心的反射率基法，實現(xiàn)了星載光學遙感器全動態(tài)定標[15-18]。與此同時，國內(nèi)外科研機構(gòu)也在開展基于小目標的高分辨率光學遙感衛(wèi)星在軌像質(zhì)評價方法，實現(xiàn)了調(diào)制傳遞函數(shù)檢測[19-22]，因此提出高分辨率光學遙感衛(wèi)星基于小目標的在軌輻射定標方法，以期提升高分辨率光學遙感衛(wèi)星在軌定標精度。

高分辨率光學遙感衛(wèi)星小目標法在軌輻射定標以“小”而“亮”的反射點源作為參照目標，以地面實際測量代替氣溶膠散射，并有效分離小目標輻射響應與程輻射、地氣耦合等背景輻射，實現(xiàn)遙感器高精度的全動態(tài)定標。在介紹反射點源小目標法定標原理基礎上，利用在軌試驗獲取的小目標遙感影像，對其數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果進行了分析討論。

1 基本原理

對地觀測衛(wèi)星遙感需要透過大氣層來觀測目標，大氣的自身輻射及其對電磁輻射的散射、吸收、反射等都會對遙感器入瞳輻亮度產(chǎn)生影響，如圖1所示，是太陽輻射、大氣、地面目標間相互作用的結(jié)果。在假定平面平行大氣條件下，對于非均一目標(小目標)，遙感器在太陽反射波段的入瞳輻亮度主要由程輻射、小目標反射輻射和地-氣耦合三部分組成。

圖1 太陽輻射、大氣、小目標相互作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar radiation, atmosphere and small target

小目標法在軌輻射定標是以反射點源作為參照目標，空間尺度遠小于遙感器空間分辨率，反射太陽輻射強度位于遙感器動態(tài)范圍內(nèi)。光線追跡分析計算，光學遙感衛(wèi)星可接收的反射光斑僅為反射鏡小目標上尺度為厘米量級的一小區(qū)域，相對米量級分辨率的遙感器來說，可作為小目標或點目標。根據(jù)能量守恒定律，太陽輻射經(jīng)反射點源小目標反射至光學遙感衛(wèi)星入瞳的等效輻亮度：

(1)

式中：DGSD是衛(wèi)星地面像元分辨率；R是反射點源小目標曲率；ρ是小目標鏡面反射率；Es是太陽光譜輻照度；Ts是太陽-小目標路徑大氣透過率；Tv是小目標-衛(wèi)星路徑大氣透過率。

小目標布設場區(qū)背景反射率均勻且為常數(shù)，則地面總照度保持不變，故在同一大氣環(huán)境條件下，大氣程輻射與地-氣耦合是常量，因此高分辨遙感衛(wèi)星在太陽反射波段的入瞳輻亮度可表示為

(2)

式中：Lα是大氣程輻射；Lα-g是地-氣耦合輻射。

入瞳輻亮度不僅與小目標曲率、鏡面反射率有關，還與大氣透過率及遙感器地面分辨率等有關。小目標法定標僅需要大氣光學特性的現(xiàn)場同步測試，小目標性能參數(shù)可在實驗室高精度檢測，尤其是不需要進行目標反射率的現(xiàn)場跑點測試，大大簡化了衛(wèi)星過頂時刻的現(xiàn)場同步觀測而提高效率，有望實現(xiàn)無人值守的自動化定標。

基于遙感衛(wèi)星的恒星觀測與小目標法在軌像質(zhì)評價[19-20,22]，結(jié)合廣泛應用于遙感的光電成像系統(tǒng)組成分析，由于遙感器系統(tǒng)自身的點擴散，其對反射點源小目標的輻射響應將擴散在探測器焦平面的一定區(qū)域。將程輻射與地-氣耦合合并，故基于小目標的光學遙感衛(wèi)星在軌輻射定標方程可表示為

(3)

根據(jù)光學遙感衛(wèi)星小目標法輻射定標方程，帶入實驗室與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和簡化輻射傳輸計算的大氣透過率得遙感器入瞳等效輻亮度，結(jié)合小目標遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)點擴散函數(shù)(point spread function，PSF)檢測來分離小目標反射輻射響應與程輻射、地-氣耦合及暗電流等背景輻射響應，進而獲取在軌絕對輻射定標系數(shù)。

2 試驗與數(shù)據(jù)處理

高分辨率光學遙感衛(wèi)星基于小目標的在軌輻射定標，如圖2所示，在某地布設了4×4陣列反射點源小目標，并于衛(wèi)星過頂當天同步采集場區(qū)的大氣光學特性與氣象參數(shù)等信息。小目標主要由反射鏡、太陽觀察器、經(jīng)緯儀等組成，優(yōu)化設計的反射鏡能夠反射適量的太陽輻射以與遙感器動態(tài)范圍相匹配；太陽觀察器通過連續(xù)太陽觀測實現(xiàn)對小目標的角度定標；經(jīng)緯儀根據(jù)軌道預報參數(shù)實現(xiàn)太陽-小目標-衛(wèi)星三者間光路自動匹配，以將過頂時刻的入射太陽光反射至衛(wèi)星入瞳形成點激沖輻射，便于光學遙感衛(wèi)星成像。

圖2 2015年在軌檢測試驗小目標及影像Fig.2 Small target and image of on-orbit estimation experience in 2015

2.1 地面測試數(shù)據(jù)

小目標法可將目標反射率跑點測量轉(zhuǎn)換為實驗室高精度檢測，鏡面反射率優(yōu)于80%，在可見-近紅外波段范圍內(nèi)光譜平坦，如圖3所示。太陽光度計CE-318同步觀測的地面太陽直射輻射反演得大氣光學厚度，并以輻射傳輸計算的高光譜透過率逼近測量數(shù)據(jù)，如圖3所示，以獲取太陽入射路徑透過率，進而改變觀測幾何計算衛(wèi)星觀測路徑透過率。

圖3 地面準同步測試數(shù)據(jù)Fig.3 Ground quasi-synchronous measuring data

2.2 系統(tǒng)PSF檢測

基于場區(qū)布設的4×4陣列小目標可進行光學遙感衛(wèi)星的在軌PSF檢測，根據(jù)點擴散函數(shù)定義，結(jié)合點源法MTF檢測方法研究與光學遙感成像系統(tǒng)組成分析[21]，近似采用參數(shù)化高斯模型來檢測每個小目標響應峰值位置，以對小目標陣列響應進行位置配準獲取遙感器點擴散廓線，進而通過模型擬合求得系統(tǒng)PSF，如圖4所示，確定半最大值全寬以表征遙感器模糊寬度，分離小目標反射輻射響應與程輻射、地-氣耦合及暗電流等背景輻射響應信號，統(tǒng)計分析小目標輻射響應。若對系統(tǒng)PSF做傅里葉變換取模并歸一化處理，可得調(diào)制傳遞函數(shù)，以評估遙感器成像質(zhì)量與遙感圖像輻射質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)點擴散函數(shù)Fig.4 System’s point spread function

2.3 小目標響應值

根據(jù)小目標法在軌輻射定標原理，同一大氣背景環(huán)境條件，程輻射與地-氣耦合輻射即背景輻射信號為常量。結(jié)合光學遙感衛(wèi)星傳感器成像系統(tǒng)PSF檢測，可將小目標遙感影像響應值分離為點源小目標的反射輻射響應值與背景輻射響應值兩部分，如圖5所示，小目標響應值可通過統(tǒng)計分析獲取。同時基于遙感器接收合適光通量以與其動態(tài)范圍相匹配及能量守恒，小目標反射至光學遙感衛(wèi)星入瞳的輻射能量將擴散在其探測器焦平面內(nèi)的一定區(qū)域，即由系統(tǒng)PSF特性所決定，因此將遙感影像中小目標響應統(tǒng)計值扣除背景輻射響應值，即可得與小目標反射至遙感器入瞳輻亮度相對應的響應統(tǒng)計值。

圖5 小目標響應值提取Fig.5 Small target’s response extraction

2.4 輻射定標系數(shù)

將實驗室測量的小目標反射率，現(xiàn)場測量的場區(qū)大氣透過率等信息，及反射鏡曲率與遙感器地面像元分辨率等參數(shù)，代入(1)式得小目標反射至衛(wèi)星的入瞳輻亮度，并將其對光譜響應函數(shù)歸一化處理得入瞳等效輻亮度。進而根據(jù)小目標法在軌定標方程(3)，如表1所示，將等效輻亮度與第2.3節(jié)獲得的小目標響應值相比較得在軌絕對輻射定標系數(shù)。

表1 定標系數(shù)比較Table 1 Comparison of calibration coefficient

3 分析討論

基于小目標的高分辨率光學遙感衛(wèi)星在軌輻射定標以反射點源作為參照目標，與月亮定標法相似，通過點源小目標反射太陽光至遙感器入瞳形成點激沖輻射，對其輻射響應進行檢測。小目標法將目標反射率的跑點測量轉(zhuǎn)換為實驗室高精度檢測，提高反射率測量精度；通過大氣特性參數(shù)同步觀測代替氣溶膠散射特性，提高光學厚度反演精度；通過系統(tǒng)PSF檢測將小目標輻射與背景輻射響應分離，以期提高光學遙感衛(wèi)星定標精度。小目標法定標結(jié)果與輻射校正場或灰階靶標法定標結(jié)果相比較，驗證小目標法定標的有效性，并分析討論其精度。

3.1 定標系數(shù)比較

光學遙感衛(wèi)星基于輻射校正場定標的反射率基法，通過地面同步或準同步的目標反射率與大氣光學特性參數(shù)測量，輻射傳輸計算得遙感器入瞳輻亮度，進而與影像響應值比較得定標系數(shù)[5,14]?；译A靶標法是在(半程)輻照度基法的基礎上，以大氣光學厚度與漫射輻射/總輻射比的實際測量代替氣溶膠散射特性假設，通過灰階靶標與其響應值的線性回歸來扣除背景輻射(程輻射、地氣耦合與環(huán)境及暗電流等)影響，得灰階靶標反射至遙感器入瞳輻亮度相應的響應值，進而求得定標系數(shù)[15,17-18,23]，如表1所示，遙感器定標系數(shù)差異3.65%，一致性較好，驗證了小目標法定標的可行性與有效性。

3.2 不確定度分析

小目標法定標不確定度主要由小目標反射率、大氣光學特性、遙感器性能參數(shù)等組成。其中，鏡面反射率可在實驗室高精度測量，不確定度優(yōu)于2%；太陽光度計測量并反演光學厚度誤差約1%，在可見近紅外波段輻射傳輸計算的高光譜大氣透過率逼近測量的通道透過率時引入誤差約1%；以4×4小目標陣列檢測遙感器PSF，已分離小目標與背景輻射響應，求得小目標響應統(tǒng)計值的數(shù)值分析誤差約1%；如表2所示，基于小目標的在軌定標不確定度優(yōu)于3%。為進一步提高定標精度，可在遙感器動態(tài)范圍內(nèi)設置不同亮度等級的小目標，形成寬動態(tài)目標參照，通過線性回歸法提取小目標響應統(tǒng)計值，進而實現(xiàn)光學遙感衛(wèi)星全動態(tài)范圍的高精度定標。

表2 不確定度分析 %Table 2 Uncertainty analysis

3.3 在軌定標拓展

小目標法在軌定標以反射點源作為檢測參照，具有良好的光譜平坦性與均勻一致性，在太陽反射、中紅外及熱紅外波段反射率均優(yōu)于80%，初步反射能量估算，優(yōu)化設計的小目標可在全譜段(太陽反射至中紅外及熱紅外)范圍反射適量的光通量以與光學遙感衛(wèi)星動態(tài)范圍相匹配，并可設置多個反射能量梯度的小目標，有望在全譜段范圍實現(xiàn)高分辨率光學遙感衛(wèi)星全動態(tài)范圍定標。利用小目標陣列提取響應值時所進行的遙感器PSF檢測結(jié)果，經(jīng)傅里葉變換取模并歸一化得調(diào)制傳遞函數(shù)，可評估光學遙感衛(wèi)星圖像質(zhì)量與輻射質(zhì)量等性能。其中高精度峰值位置檢測方法使得反射點源小目標在高分辨率光學遙感衛(wèi)星的幾何檢校方面作為地面控制點[22]，在遙感器的幅寬范圍內(nèi)網(wǎng)絡化布設并結(jié)合位置檢測算法，有望提高光學遙感衛(wèi)星的幾何檢校精度。

4 結(jié)論

高分辨率光學遙感衛(wèi)星小目標法在軌輻射定標，將目標反射率的現(xiàn)場測量轉(zhuǎn)換為實驗室高精度測量，以地面同步(準同步)實際測量代替氣溶膠散射特性，利用系統(tǒng)PSF檢測將小目標輻射與背景(程輻射、地-氣耦合、環(huán)境、暗電流等)輻射響應分離，提高反射率測量與大氣參數(shù)反演精度，降低場區(qū)背景環(huán)境要求，實現(xiàn)不確定度優(yōu)于3%的在軌定標精度。試驗結(jié)果分析表明，小目標法在軌輻射定標結(jié)果與輻射校正場或灰階靶標法定標結(jié)果差異3.65%，具有較好的一致性。為進一步提高定標精度，可在遙感器的動態(tài)范圍內(nèi)設置多種反射能量梯度等級的小目標陣列，線性回歸法提取與小目標反射至遙感器入瞳輻亮度相對應的影像響應值。相對輻射校正場或灰階靶標法，小目標法有望在全譜段范圍內(nèi)實現(xiàn)高分辨率光學遙感衛(wèi)星的全動態(tài)范圍定標與幾何檢校，綜合評估遙感影像輻射與幾何質(zhì)量。