鄒鵬 宋茂新 劉振海 凌明椿 孫真 洪津

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,合肥 230031)

環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星是我國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)專(zhuān)用衛(wèi)星星座，自2008年9月入軌以來(lái)為我國(guó)環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)及其他行業(yè)提供了大量的遙感數(shù)據(jù)信息[1-4]。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星是環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星的繼任衛(wèi)星，由2顆技術(shù)狀態(tài)完全一致的衛(wèi)星組成，于2020年9月27日以“一箭雙星”的形式發(fā)射升空。每顆衛(wèi)星上均裝載了16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)及大氣校正儀共4個(gè)有效載荷，具備較強(qiáng)的多光譜、高光譜及高分辨率的對(duì)地遙感成像能力。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可對(duì)災(zāi)害、生態(tài)破壞及環(huán)境污染等進(jìn)行大范圍、全天候的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有效提升災(zāi)害和環(huán)境信息獲取能力，滿(mǎn)足我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等重大應(yīng)用需求。

隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率及大幅寬的高性能光學(xué)遙感器不斷涌現(xiàn)，為獲取高質(zhì)量的遙感圖像數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。但是，由于遙感器在對(duì)地觀測(cè)中受到大氣分子、氣溶膠和云等大氣成分吸收和散射的影響，遙感圖像的可利用性偏低。以高精度的大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行精確大氣校正可有效提升遙感圖像質(zhì)量，尤其是基于同平臺(tái)或者同星座的大氣參數(shù)同步探測(cè)，對(duì)提升衛(wèi)星對(duì)地遙感定量化精度具有重要意義[5-6]。國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了大氣同步校正技術(shù)的研究工作，例如：搭載于日本溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星(GOSAT)的云-氣溶膠傳感器(TANSO-CAI)，用于溫室氣體觀測(cè)傳感器(TANSO-FTS)氣溶膠參數(shù)的探測(cè)和校正[7]；搭載于美國(guó)地球觀測(cè)-1(EO-1)衛(wèi)星的大氣校正儀(LAC)，用于陸地衛(wèi)星-7(Landsat-7)水汽影響的校正[8]；我國(guó)研制的雙角度偏振大氣校正儀，利用輻射傳輸模型進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高精度大氣校正[9]。

按照測(cè)量原理，偏振探測(cè)技術(shù)可分為時(shí)序測(cè)量技術(shù)和同時(shí)測(cè)量技術(shù)。時(shí)序測(cè)量通過(guò)在待測(cè)光路中引入起偏和相位延遲器件，調(diào)制光強(qiáng)以求得斯托克斯參量。其優(yōu)點(diǎn)在于容易使用同一探測(cè)系統(tǒng)完成探測(cè)，主要適用于狀態(tài)穩(wěn)定或變化緩慢的輻射光。同時(shí)測(cè)量采用波前分割或振幅分割的方法，將待測(cè)光分為若干分立小光源多道探測(cè)，同時(shí)完成對(duì)某一瞬時(shí)的各斯托克斯參量。其優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)變化目標(biāo)可獲得較高的偏振探測(cè)精度。根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)特點(diǎn)，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星所裝載的大氣校正儀采用同時(shí)偏振測(cè)量方案，通過(guò)穿軌掃描的工作方式，同步獲取搭載于同衛(wèi)星平臺(tái)的16 m相機(jī)成像區(qū)域上空的大氣參數(shù)，完成相機(jī)圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品的大氣校正，有效提升圖像質(zhì)量。本文介紹了大氣校正儀探測(cè)原理及系統(tǒng)構(gòu)成、性能測(cè)試及定標(biāo)結(jié)果，并展示了在軌應(yīng)用結(jié)果。

1 大氣校正儀工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工作原理及技術(shù)指標(biāo)

大氣校正儀利用分孔徑與分振幅結(jié)合的同時(shí)偏振測(cè)量方法，其偏振測(cè)量原理如圖1所示。目標(biāo)信號(hào)經(jīng)反射鏡被望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直入射到渥拉斯頓棱鏡后，分解為2束振動(dòng)方向垂直的線偏振光，經(jīng)聚焦透鏡聚焦于2個(gè)像點(diǎn)。大氣校正儀采用2路完全相同的光路，渥拉斯頓棱鏡方位互成45°，獲得4個(gè)不同振動(dòng)方向的線偏振光，通過(guò)測(cè)量4束線偏振光的光強(qiáng)，根據(jù)Stokes矢量測(cè)量的Pickering公式即可解析目標(biāo)的偏振信息[10]。

圖1 大氣校正儀偏振測(cè)量原理Fig.1 Principle of polarization measurement of PSAC

大氣校正儀主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 大氣校正儀主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of PSAC

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作模式

大氣校正儀系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，共有3個(gè)單機(jī)，分別為主體、信息處理箱和驅(qū)動(dòng)控制箱，單機(jī)實(shí)物如圖3和圖4所示。主體用于信息獲取、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)同步采集量化。信息處理箱與星務(wù)進(jìn)行通信，完成大氣校正儀在軌工作流程控制、接收主體發(fā)送的科學(xué)數(shù)據(jù)并按照空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)打包上傳至衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制箱包含熱控單元、探測(cè)器溫控單元及電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，分別用于大氣校正儀主體各部件熱控、紅外探測(cè)器的精密溫控及掃描電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

注：LVDS為低電壓差分信號(hào)。圖2 大氣校正儀系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System composition of PSAC

大氣校正儀在軌共有3種工作模式，分別為觀測(cè)模式、定標(biāo)模式及待機(jī)模式。觀測(cè)模式用于對(duì)地穿軌掃描，可進(jìn)行65.0°±0.5°范圍內(nèi)的低空間分辨率多光譜偏振觀測(cè)。定標(biāo)模式用于大氣校正儀在軌輻射定標(biāo)，監(jiān)測(cè)并修正大氣校正儀探測(cè)系統(tǒng)在軌絕對(duì)輻射響應(yīng)系數(shù)的變化。當(dāng)執(zhí)行輻射定標(biāo)動(dòng)作時(shí)，衛(wèi)星平臺(tái)偏航至特定角度，保證太陽(yáng)光有效入射至漫反射板。為節(jié)省整星能源，大氣校正儀陰影區(qū)進(jìn)入待機(jī)模式，僅信息處理箱、熱控單元處于工作狀態(tài)，保證各組件處于目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，其余單元模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。

圖3 大氣校正儀主體Fig.3 Principal part of PSAC

圖4 大氣校正儀電子學(xué)控制單機(jī)Fig.4 Electronic control box of PSAC

2 性能測(cè)試及定標(biāo)

大氣校正儀信噪比、輻射定標(biāo)精度及偏振測(cè)量精度是影響在軌信息獲取及大氣參數(shù)反演精度的重要指標(biāo)，在其發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了充分的測(cè)試。

2.1 信噪比

大氣校正儀信噪比采用積分球光源測(cè)試完成，通過(guò)積分球內(nèi)置氙燈和鹵素?zé)舻慕M合近似模擬太陽(yáng)光譜，通過(guò)可變光闌實(shí)現(xiàn)積分球輻射亮度連續(xù)調(diào)節(jié)，從而覆蓋大氣校正儀光譜譜段及動(dòng)態(tài)范圍，測(cè)試示意如圖5所示。測(cè)試過(guò)程中，正對(duì)積分球光源連續(xù)采樣，通過(guò)各通道連續(xù)采樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值之比計(jì)算大氣校正儀的信噪比。

計(jì)算信號(hào)平均值、噪聲值及信噪比如下。

(1)

(2)

式中：ΔY(λ)為噪聲。

(3)

式中：S為測(cè)量信噪比。

由于測(cè)試用積分球光源不能覆蓋大氣校正儀所有通道的指標(biāo)輻亮度，部分通道指標(biāo)輻亮度條件下的等效信噪比為

(4)

式中：Sr為指標(biāo)輻亮度條件下的信噪比；St為測(cè)試輻亮度條件下的信噪比；Lr為指標(biāo)要求條件下的輻亮度；Lt為測(cè)試條件下的輻亮度。

圖5 信噪比測(cè)試示意Fig.5 Schematic diagram of signal to noise ratio test

圖6給出了大氣校正儀信噪比測(cè)試結(jié)果。在太陽(yáng)高度角30°和表觀反照率0.03條件下，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的大氣校正儀信噪比分別優(yōu)于33.0 dB和32.2 dB；在太陽(yáng)高度角70°和表觀反照率0.65條件下，大氣校正儀信噪比分別優(yōu)于57.2 dB和57.5 dB，均滿(mǎn)足研制指標(biāo)要求。

圖6 大氣校正儀信噪比測(cè)試結(jié)果Fig.6 Signal to noise ratio test results for PSAC

2.2 輻射定標(biāo)精度

遙感器絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度誤差來(lái)源主要包括輻射標(biāo)準(zhǔn)溯源誤差、輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞誤差和遙感器自身測(cè)量誤差。大氣校正儀采取標(biāo)準(zhǔn)積分球進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，其量值可溯源至美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)，可見(jiàn)光近紅外(VNIR)譜段不確定度優(yōu)于3%，短波紅外(SWIR)譜段不確定度優(yōu)于5%。通過(guò)對(duì)大氣校正儀響應(yīng)線性度、穩(wěn)定性的測(cè)量，綜合評(píng)定絕對(duì)輻射定標(biāo)的聯(lián)合不確定度。

大氣校正儀絕對(duì)輻射定標(biāo)、響應(yīng)非線性測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。調(diào)節(jié)積分球輸出不同能級(jí)輻亮度，大氣校正儀和參考探測(cè)器同步多次采樣并取平均值，大氣校正儀響應(yīng)線性值計(jì)算見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：Nl(λ)為波長(zhǎng)為λ的譜段的響應(yīng)非線性系數(shù)；R(λ)為大氣校正儀波長(zhǎng)為λ的譜段的響應(yīng)值與輻亮度等級(jí)參數(shù)線性擬合的殘差標(biāo)準(zhǔn)差；Y(λ)為遙感器波長(zhǎng)為λ的譜段的響應(yīng)平均值。

調(diào)節(jié)積分球輸出至大氣校正儀1/2動(dòng)態(tài)范圍，大氣校正儀連續(xù)進(jìn)行采樣，通過(guò)該采樣序列的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)估大氣校正儀穩(wěn)定性，見(jiàn)式(6)。

Ns(λ)=

(6)

式中：Ns(λ)為規(guī)定時(shí)間段內(nèi)大氣校正儀譜段(波長(zhǎng)λ)的非穩(wěn)定性；Y(λ,t)為t次時(shí)間測(cè)量中譜段(波長(zhǎng)λ)的大氣校正儀輸出信號(hào)；T為總測(cè)量時(shí)間次數(shù)。

大氣校正儀絕對(duì)定標(biāo)精度為

(7)

式中：Nc為定標(biāo)源的不確定度。

大氣校正儀實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)結(jié)果如圖7所示。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星大氣校正儀的輻射定標(biāo)合成不確定分別優(yōu)于4.32%和4.37%，滿(mǎn)足7%的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度指標(biāo)要求。

圖7 大氣校正儀輻射定標(biāo)合成不確定度Fig.7 Uncertainty of radiometric calibration synthesis for PSAC

2.3 偏振測(cè)量精度

大氣校正儀偏振測(cè)量精度的評(píng)估方法為：使用可調(diào)偏振度光源產(chǎn)生已知偏振度的偏振光，將偏振探測(cè)儀測(cè)試獲得的偏振度與入射光的偏振度參考值進(jìn)行比較，以獲取偏振探測(cè)精度。偏振精度測(cè)試示意見(jiàn)圖8，由積分球光源與擾偏器、玻片堆和3自由度精密轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，三者光軸重合。積分球光源和擾偏器提供均勻的非偏光，通過(guò)調(diào)節(jié)玻片堆的玻片角度得到不同已知偏振度的出射偏振光。

圖8 偏振精度測(cè)試示意Fig.8 Schematic diagram of polarization accuracy test

偏振探測(cè)儀每個(gè)工作譜段都對(duì)應(yīng)4個(gè)偏振通道(a=1，2，3，4)，對(duì)斯托克斯參量(Q,U)的偏振測(cè)量模型如式(8)所示。

(8)

式中：I，Q，U為測(cè)得的目標(biāo)偏振分量信息；α1，α2為地面標(biāo)定的大氣校正儀消光定標(biāo)系數(shù)；K1為0°和90°偏振方向測(cè)量通道的去本底后的信號(hào)之比；K2為45°和135°偏振方向測(cè)量通道的去本底后的信號(hào)之比；qinst，uinst為大氣校正儀自身殘余偏振定標(biāo)系數(shù)，通過(guò)儀器自身定標(biāo)器數(shù)據(jù)解算；S0，S45，S90，S135為大氣校正儀同一譜段4個(gè)探測(cè)通道經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的響應(yīng)值。

根據(jù)式(8)可以得到測(cè)量的入射光束的偏振度測(cè)量值為

(9)

偏振度測(cè)量值PM與參考值PC的絕對(duì)偏差為

ΔP=|PM-PC|

(10)

分別在玻片角度為0.0°，22.3°，28.3°，45.0°，59.0°條件下測(cè)試大氣校正儀各譜段偏振度與參考偏振度偏差，以最大偏差值作為該通道偏振度測(cè)量精度評(píng)估結(jié)果。如圖9所示，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星大氣校正儀實(shí)驗(yàn)室偏振測(cè)量精度均滿(mǎn)足優(yōu)于0.005(偏振度為0.2)的指標(biāo)要求。

圖9 大氣校正儀偏振精度測(cè)試結(jié)果Fig.9 PSAC polarization accuracy test results

3 在軌測(cè)試

根據(jù)大氣校正儀在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，生成L2級(jí)產(chǎn)品(氣溶膠光學(xué)厚度和水汽柱含量等大氣參數(shù))，以此為基礎(chǔ)依次經(jīng)歷觀測(cè)區(qū)域匹配、云識(shí)別、大氣輻射校正及臨近效應(yīng)校正后，獲得校正后的圖像，即地表反射率圖像。選取2021年12月21日環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星16 m相機(jī)拍攝的咸寧市及周?chē)貐^(qū)的多光譜圖像進(jìn)行大氣校正效果驗(yàn)證，圖10展示了大氣校正前后對(duì)比。經(jīng)校正后，圖像目視效果得到改善，圖像更加清晰，有效去除了大氣對(duì)圖像的影響，圖像質(zhì)量明顯提升。

圖10 大氣校正前后圖像對(duì)比Fig.10 Comparison of images before and after correction

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星大氣校正儀采用分孔徑、分振幅的同時(shí)偏振測(cè)量技術(shù)，高精度獲取地物目標(biāo)的光譜、偏振信息并反演氣溶膠、水汽等大氣參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展對(duì)16 m相機(jī)的圖像校正，得到更為清晰的地表圖像。自2020年9月入軌工作以來(lái)，大氣校正儀各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)，并在軌業(yè)務(wù)化開(kāi)展了遙感圖像數(shù)據(jù)的大氣校正工作。后續(xù)將根據(jù)長(zhǎng)期在軌測(cè)試及反演結(jié)果，綜合優(yōu)化在軌數(shù)據(jù)處理流程及校正算法，進(jìn)一步提升大氣校正精度，有效提升圖像質(zhì)量及衛(wèi)星的綜合應(yīng)用效果，為提升我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化能力起到積極的作用。