一種基于空間朗伯球體的光學(xué)遙感衛(wèi)星絕對輻射定標(biāo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)領(lǐng)域，涉及一種對空間光學(xué)遙感衛(wèi)星的在軌輻射性 能進(jìn)行常態(tài)化絕對定標(biāo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著遙感應(yīng)用的深入，定量遙感已成為遙感應(yīng)用的重點(diǎn)，而定量遙感的基礎(chǔ)和前 提是遙感器的輻射定標(biāo)?？臻g遙感器的輻射定標(biāo)可以分為發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和發(fā)射后的 在軌定標(biāo)。由于衛(wèi)星發(fā)射之后，隨著工作環(huán)境和長期工作狀態(tài)等各種因素的影響，都可能使 發(fā)射前的定標(biāo)系數(shù)發(fā)射改變，因此發(fā)射后的在軌定標(biāo)是確保遙感數(shù)據(jù)可靠度和準(zhǔn)確度的關(guān) 鍵。
[0003] 發(fā)射后的在軌定標(biāo)方法主要有場地定標(biāo)、星上定標(biāo)等方法。場地定標(biāo)是依賴地球 表面大面積均勻穩(wěn)定的地物作為定標(biāo)源，實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星的輻射定標(biāo)，該類方法受到地物目 標(biāo)特性和大氣狀況影響，其定標(biāo)精度偏低且成本較高。星上定標(biāo)是通過星上定標(biāo)裝置實(shí)現(xiàn) 定標(biāo)，根據(jù)所用定標(biāo)光源的不同，主要有內(nèi)置燈、月球、恒星、太陽定標(biāo)等方式。內(nèi)置燈是早 期的定標(biāo)方案中常用的一種方式，但是內(nèi)置燈是一種加入到光路中的人工光源，存在非全 光路、與太陽光譜分布差異大等缺陷。月球通過依靠太陽而發(fā)光，其光譜特性與太陽光譜以 及月球本身的吸收、反射特性相關(guān)，由于目前尚未獲得準(zhǔn)確的月球光譜分布，其輻照模型尚 未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的精度，因此通過月球定標(biāo)的方式還不能直接用于絕對定標(biāo)中，只可以用 于相對輻射校正。恒星作為一種天體目標(biāo)，也具有一定亮度，但是除太陽外目前研究中的恒 星亮度均無法達(dá)到要求，無法用于星上輻射定標(biāo)。目前常用的一個(gè)定標(biāo)光源是太陽，它是 一個(gè)均勻且高度穩(wěn)定的朗伯光源，通過反射或者透射的方式將太陽能量衰減到合適的范圍 后，能夠?yàn)榭臻g遙感器提供穩(wěn)定且精確的定標(biāo)途徑。通過星載太陽漫射板，覆蓋有漫射材料 的太陽漫反射板均具有很好的均勻性和朗伯特性，太陽漫射板打開后可以實(shí)現(xiàn)對遙感器的 太陽定標(biāo)，這種方法一般具有全口徑、全光路、光譜匹配性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前星上定標(biāo)的主 要手段之一。但是受到技術(shù)條件限制，這種方式需要在衛(wèi)星本身安裝單獨(dú)的太陽漫反射板， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，容易受到衛(wèi)星排出物的污染，而且增加了整星系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，此外這種 方式中零部件的失效將對后續(xù)的定標(biāo)工作帶來巨大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于空間朗伯球體 的光學(xué)遙感衛(wèi)星絕對輻射定標(biāo)方法，可以在不增加額外星載定標(biāo)設(shè)備的基礎(chǔ)上，擺脫地面 目標(biāo)特性的影響和大氣條件的影響，以太陽為定標(biāo)源實(shí)現(xiàn)全光路、全孔徑、光譜匹配的高精 度絕對輻射定標(biāo)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于空間朗伯球體的光學(xué)遙感衛(wèi)星絕對輻射定標(biāo) 方法，包括如下步驟：
[0006] (1)通過運(yùn)載火箭發(fā)射方式或者衛(wèi)星釋放發(fā)射方式向空間中發(fā)射一顆人造朗伯球 體，球體的直徑與軌道位置滿足衛(wèi)星定標(biāo)對信號能量的要求；所述的人造朗伯球體為表面 具有接近朗伯特性的均勻球體；
[0007] (2)設(shè)置待標(biāo)定衛(wèi)星遙感器的參數(shù)，使積分時(shí)間、增益和級數(shù)在整個(gè)標(biāo)定過程中保 持不變；
[0008] (3)對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，使待標(biāo)定衛(wèi)星遙感器指向深空背景，獲取待標(biāo)定衛(wèi)星 遙感器成像像元的灰度值，共進(jìn)行η次測量，得到每次測量的像元k的灰度值DNMl，其中 η多l(xiāng)，k為遙感器像元的位置，k的取值范圍是從1到遙感器像元的總數(shù)，i為測量的次數(shù)， i = 1,2,3......，η ;n次測量完成之后，計(jì)算出待標(biāo)定衛(wèi)星遙感器像元k的背景信號平均 值 DNk。，
[0010] ⑷建立包含衛(wèi)星、人造朗伯球體和太陽的場景，仿真太陽輻射能量的傳遞，得到 衛(wèi)星、人造朗伯球體和太陽三者之間的位置關(guān)系滿足定標(biāo)條件的時(shí)間段；所述的定標(biāo)條件 包括幾何可見條件和傳感器可見條件，幾何可見條件為衛(wèi)星與人造朗伯球體二者之間的連 線不受地球遮擋，傳感器可見條件為人造朗伯球體處于地影之外，人造朗伯球體能夠反射 太陽輻射能從而實(shí)現(xiàn)觀測成像；
[0011] (5)從滿足定標(biāo)條件的時(shí)間段中選取某一成像時(shí)刻點(diǎn)，對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，使待 標(biāo)定衛(wèi)星遙感器的入瞳法線指向朗伯球體，將遙感器觀測人造朗伯球體的方位角記為Φ， 獲取人造朗伯球體與太陽的相對距離LK])、人造朗伯球體與待定標(biāo)衛(wèi)星遙感器入瞳處的相 對距離、太陽與人造朗伯球體之間的連線以及待定標(biāo)衛(wèi)星遙感器與人造朗伯球體之間 的連線的夾角Θ ,，由此得到人造朗伯球體反射太陽輻射能到達(dá)衛(wèi)星遙感器入瞳處的輻照 度Ekj，人造朗伯球體像點(diǎn)對應(yīng)的像元位置k及灰度值DNkj;
[0012] (6)在保持Φ不變的條件下，重復(fù)步驟（5)，得到像元k的η次測量對應(yīng)的灰度值 DNk]和入瞳輻照度E k]，結(jié)合像元的背景信號值DNk。，通過最小二乘法建立線性響應(yīng)關(guān)系，得 到像元k的絕對福射定標(biāo)系數(shù)Gk，
[0014] 所述步驟（1)中衛(wèi)星定標(biāo)對信號能量的要求為：衛(wèi)星遙感器能夠接收到人造朗伯 球體反射的太陽光能量，且衛(wèi)星遙感器中的探測器產(chǎn)生的信號電壓位于探測器飽和信號電 壓值的20%~80%之間。
[0015] 所述的人造朗伯球體為鋁制球體，表面通過粘合劑涂覆有硫酸鋇粉。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] (1)本發(fā)明方法采用朗伯球體將太陽輻射作為定標(biāo)源間接引入遙感器，定標(biāo)源位 于整個(gè)系統(tǒng)外部，能對整個(gè)光路中的光學(xué)元件進(jìn)行定標(biāo)，還可充滿遙感器孔徑，滿足全光 路、全孔徑、與太陽光譜分布匹配的輻射定標(biāo)要求；
[0018] (2)本發(fā)明方法采用在軌的朗伯球體直接反射太陽輻射，擺脫了大氣條件和地面 目標(biāo)特性的限制，避免了太陽輻射傳遞鏈路中大氣、地面目標(biāo)等環(huán)境因素引入的不確定性， 提高了在軌絕對輻射定標(biāo)精度；
[0019] (3)本發(fā)明方法通過在空間中部署朗伯球體，建立了統(tǒng)一的空間光學(xué)輻射基準(zhǔn)，可 以對衛(wèi)星遙感器實(shí)現(xiàn)常態(tài)化監(jiān)測，及時(shí)修正衛(wèi)星遙感器的輻射響應(yīng)變化，提高衛(wèi)星遙感器 的在軌輻射定標(biāo)響應(yīng)效率；
[0020] (4)本發(fā)明方法通過使用在軌的朗伯球體就可開展定標(biāo)，易于實(shí)現(xiàn)，無需在衛(wèi)星本 身安裝額外的定標(biāo)儀器設(shè)備，有利于減輕現(xiàn)有光學(xué)遙感衛(wèi)星星上系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明的太陽輻射能傳遞模型示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明的特征參量不意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明的朗伯球體反射信號DN值與深空背景信號DN值的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，主要步驟如下：
[0026] (1)通過運(yùn)載火箭發(fā)射方式或者衛(wèi)星釋放發(fā)射方式向空間中發(fā)射一顆人造朗伯球 體，球體的直徑與軌道位置滿足衛(wèi)星定標(biāo)對信號能量的要求；
[0027] 衛(wèi)星定標(biāo)對信號能量的要求為衛(wèi)星遙感器接收到球體反射太陽光能量，遙感器中 的探測器產(chǎn)生的信號電壓位于探測器飽和信號電壓值的20%~80%之間。
[0028] 所述的人造朗伯球體為表面具有接近朗伯特性的均勻球體，其中的一種實(shí)施例是 硫酸鋇朗伯球體，硫酸鋇朗伯球體采用噴涂的方法制成。首先將均勻的鋁制球體表面用砂 紙磨光，將硫酸鋇粉與乳白膠混合制成半糊狀均勻地噴涂在磨光的鋁制球體表面，干燥后 即可獲得人造朗伯球體。
[0029] (2)設(shè)置待標(biāo)定衛(wèi)星遙感器的參數(shù)，使積分時(shí)間、增益和級數(shù)在整個(gè)標(biāo)定過程中保 持不變。
[0030] (3)對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，使待標(biāo)定衛(wèi)星遙感器指向深空背景，獲取待