龍亮 王中民

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京100076)

(2 中國長城工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100054)

1 引言

為獲得高品質(zhì)的遙感圖像，航天光學(xué)遙感相機(jī)需要進(jìn)行相對輻射定標(biāo)工作。目前在軌相對輻射定標(biāo)主要通過利用專門的星上定標(biāo)裝置與觀測地面定標(biāo)場兩種手段來實現(xiàn)。其中觀測地面定標(biāo)場的手段需要地面提供一個足夠大(至少大于相機(jī)單景幅寬)且輻射特性均勻的定標(biāo)場景。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星具備了較強(qiáng)的敏捷特性，對于有較強(qiáng)敏捷特性的推掃式成像光學(xué)遙感衛(wèi)星，進(jìn)行在軌相對輻射定標(biāo)時，可以使用將相機(jī)繞衛(wèi)星偏航軸旋轉(zhuǎn)一定角度(通常約為90°)的方法來獲取相對均勻圖像的方法來進(jìn)行不同像元間的非均勻性校正。這種在軌相對輻射定標(biāo)方法基于遙感衛(wèi)星的敏捷特性來完成，國外通常稱之為“Side-slither”定標(biāo)法。此種方法也是通過觀測地面場景來實現(xiàn)在軌相對輻射定標(biāo)，但對地面場景均與特性等要求大大降低，有利于提高在軌輻射定標(biāo)效果。

2 Side-slither定標(biāo)方法原理及優(yōu)點

2.1 Side-slither定標(biāo)方法原理

Side-slither定標(biāo)方法原理圖如圖1所示。推掃式光學(xué)遙感相機(jī)在正常對地成像模式下，焦面探測線列與成像方向垂直; 而進(jìn)行 Side-slither定標(biāo)時，將焦面旋轉(zhuǎn)約 90°，探測線列方向與成像方向平行，這樣，在不考慮其它影響因素的情況下，理論上探測線列上每個像元都依次對同樣的地面區(qū)域成像。而Side-slither定標(biāo)時焦面探測線列輸出得到的圖像中，每個像元獲得的輻射能量信息是一樣的，這樣就相當(dāng)于滿足了相對輻射定標(biāo)所需要的給焦面探測線列提供均勻輻照度場的條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焦面像元非均勻性校正工作。

圖1 Side-slither定標(biāo)方法原理Fig.1 Theory of Side-slither calibration method

2.2 Side-slither定標(biāo)方法優(yōu)點

Side-slither在軌相對輻射定標(biāo)法相比于傳統(tǒng)在軌相對輻射定標(biāo)方法，優(yōu)點如下:

1)理論上Side-slither定標(biāo)時由于探測線列上的所有像元都對相同的地面區(qū)域成像，任何地物都可以用來當(dāng)作定標(biāo)地物。盡管考慮其它因素的影響使得定標(biāo)地物的選取不可能是完全隨意，但相比起傳統(tǒng)的使用地面定標(biāo)場的方法(此種方法進(jìn)行輻射定標(biāo)時，成像線列依然處于正常對地成像模式下的線列推掃方式)，Side-slither定標(biāo)方法對定標(biāo)場地的要求明顯降低。

2)Side-slither定標(biāo)方法充分利用衛(wèi)星自身的敏捷特性，不需要額外的定標(biāo)機(jī)構(gòu)，相比于使用星上定標(biāo)裝置的定標(biāo)方法，減少了衛(wèi)星平臺及載荷的負(fù)擔(dān)。

3 Side-slither定標(biāo)方法應(yīng)用實例

目前，隨著TDICCD(Time-Delayed Integration Charge Coupled Device)在航天光學(xué)遙感領(lǐng)域的廣泛使用，航天光學(xué)遙感器已經(jīng)很少使用單一的線陣CCD用于遙感成像。但TDICCD可以看做是一種“多級”線陣CCD，其使用原理同線陣CCD相同。根據(jù)實際調(diào)研，目前成功使用或預(yù)備使用Side-slither定標(biāo)方法的光學(xué)遙感衛(wèi)星都是以TDICCD作為焦面探測器[1]。

(1) Ikonos-2

1999年9 月24 日，美國發(fā)射的 Ikonos-2 衛(wèi)星上搭載了“全色-多光譜”型光學(xué)遙感相機(jī)，該相機(jī)星下點分辨率約為0.8m/3.2m，覆蓋寬度約為13km。Ikonos-2在軌運行至今，期間進(jìn)行了多次Side-slither定標(biāo)，其Side-slither定標(biāo)方法如圖2所示。為了滿足多譜段探測器動態(tài)范圍內(nèi)多點非均勻性校正的要求，Ikonos-2的Side-slither定標(biāo)選取了多種類型的定標(biāo)地物，如圖3所示。不同類型的定標(biāo)地物在各譜段上的輻射能量分布以及全色譜段上的輻射總能量上不盡相同[1]。

圖2 Ikonos-2 Side-slither定標(biāo)示意Fig. 2 The Side-slither calibration of Ikonos-2 satellite

圖3 Ikonos-2 Side-slither定標(biāo)典型地物選取Fig. 3 Various uniform calibration scenes of Ikonos-2 satellite

Ikonos-2在軌期間的Side-slither定標(biāo)，除了以地球為定標(biāo)參考體外，還進(jìn)行了以月球表面為定標(biāo)參考體的Side-slither定標(biāo)(Lunar Side-slither)，如圖4所示。圖4中，紅、綠、藍(lán)3種顏色的線條分別代表Ikonos-2焦面多光譜TDICCD陣列、前向全色TDICCD陣列、后向全色TDICCD陣列。圖4顯示了某一次Lunar Side-slither定標(biāo)時，3個焦平面陣列之間相對位置關(guān)系，以及它們與月面的相對位置關(guān)系[2]。

(2) Quickbird-2

美國的Quickbird-2衛(wèi)星于2011年10月18日成功發(fā)射，Quickbird-2上的光學(xué)遙感相機(jī)為“全色-多光譜”型相機(jī)，星下點分辨率約為0.6m/2.4m，覆蓋寬度約為16.5km。Quickbird-2的光學(xué)遙感相機(jī)同Ikonos-2上的屬于同一類型相機(jī)，各項性能指標(biāo)也較為接近。其在軌進(jìn)入任務(wù)運行階段期間，也多次采用 Side-slither定標(biāo)對不同類型地物進(jìn)行成像，獲取的均勻圖像用于相對輻射定標(biāo)[3-5]。圖 5所示為Quickbird-2在軌獲取的一幅Side-slither定標(biāo)圖像，圖中左側(cè)部分圖像為原始的定標(biāo)圖像，兩條黑粗線的之間的圖像用于后續(xù)定標(biāo)工作，該部分圖像對應(yīng)地面幅寬12km，對應(yīng)全色(PAN)譜段有20 000列圖像，多光譜(MS)譜段有5 000列圖像，圖中右側(cè)部分圖像為對左側(cè)兩黑粗線間圖像的放大圖。

圖4 Lunar Side-slither定標(biāo)示意Fig. 4 The Lunar Side-slither calibration

圖5 Quickbird-2獲取的Side-slither定標(biāo)圖像Fig. 5 A Side-slither calibration image of Quickbird-2 satellite

(3) RapidEye

RapidEye是由德國RapidEye AG公司運營并提供地理空間信息服務(wù)的高空間分辨率商業(yè)衛(wèi)星星座。該衛(wèi)星星座于2008年8月29日成功發(fā)射，星座由5顆均勻分布在太陽同步軌道內(nèi)的RapidEye衛(wèi)星組成。2011年 3月到7月之間，RapidEye采用Side-slither定標(biāo)方法對其所攜帶的推掃式多光譜成像儀(MSI)進(jìn)行了相對輻射定標(biāo)，焦面探測像元的非均勻性得到了很好的校正[6-7]。圖6所示為RapidEye在軌獲取的兩幅Side-slither定標(biāo)圖像，左側(cè)一幅拍攝地點是沙特阿拉伯，時間為2011年3月15日，右側(cè)一幅拍攝地點為格陵蘭島，時間是2011年7月7日，圖中紅框內(nèi)圖像用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

(4) Landsat-8的OLI(Operational Land Imager)

Landsat-8屬于美國陸地數(shù)據(jù)連續(xù)任務(wù)(LDCM)，是美國LandSat系列衛(wèi)星的第八顆，于 2013年 2月 11日發(fā)射。Landsat-8上所攜帶的OLI探測譜段覆蓋可見光、近紅外以及短波紅外譜段。全色(500～680nm)成像分辨率為 15m，多光譜譜段成像分辨率為30m。OLI發(fā)射入軌后擬采取多種定標(biāo)方法來進(jìn)行定標(biāo)工作: 通過漫反射板反射陽光、使用星上自帶的定標(biāo)燈、使用Side-slither的方法等。其中Side-slither定標(biāo)法主要作為前兩種方法的補(bǔ)充[8]。

圖6 RapidEye獲取的Side-slither定標(biāo)圖像Fig.6 Side-slither calibration images of RapidEye satellite

由以上的實例可以看出，目前對Side-slither定標(biāo)的應(yīng)用，通常是將其作為基于傳統(tǒng)地面定標(biāo)場相對輻射定標(biāo)方法的替代，或者為了獲得較好的焦面非均勻性校正效果，將其作為基于星上定標(biāo)源、基于漫反射板等高精度在軌定標(biāo)方法的補(bǔ)充。

4 Side-slither定標(biāo)的影響因素分析

基于Side-slither的定標(biāo)方法，在使用時應(yīng)具備兩個前提條件: 1)衛(wèi)星平臺具備使相機(jī)繞衛(wèi)星偏航軸旋轉(zhuǎn)一定角度(通常為90°)的能力; 2)相機(jī)對地成像是采用線陣探測器推掃成像的方式。而滿足兩個前提條件后，在具體實施Side-slither定標(biāo)的過程中，仍會存在諸多影響定標(biāo)效果的不利因素。如何消除或減小這些因素的影響，對于最終獲得較好的定標(biāo)效果至關(guān)重要。本文主要以Quickbird-2為例，分析這些因素對其Side-slither定標(biāo)的影響。

Quickbird-2衛(wèi)星主要參數(shù)如表1所示。

表1 Quickbird-2衛(wèi)星主要參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Main parameters of Quickbird-2 satellite

圖7 Side-slither定標(biāo)時序示意Fig.7 The sequence of Side-slither calibration

4.1 地球自轉(zhuǎn)對Side-slither定標(biāo)的影響

由于地球自轉(zhuǎn)，各個緯度地區(qū)存在不同的線速度，其方向同衛(wèi)星飛行方向成一定夾角(對于 Quickbird-2來說是97.2°)，如圖8所示，Vsat_earth為衛(wèi)星地面飛行速度矢量，Vearth為地球自轉(zhuǎn)線速度矢量，V1與V2為Vearth兩個互相垂直的速度分量。如果Side-slither定標(biāo)時是將相機(jī)旋轉(zhuǎn)90°使CCD線列沿衛(wèi)星飛行方向去進(jìn)行成像，則定標(biāo)時線列成像方向同實際像移方向是不一致的，如圖9所示。因此，在一次理論Side-slither定標(biāo)過程中(定標(biāo)時間設(shè)為2.28s)，如果定標(biāo)地物選擇在赤道地區(qū)(如撒哈拉沙漠)，赤道地區(qū)地球自轉(zhuǎn)線速度約為 464m/s，那么完成這次定標(biāo)時，線列中第一個像元的地面成像區(qū)域同最后一個像元的地面成像區(qū)域相距大約為464m/s×cos7.2°×2.28s=1 050m; 而當(dāng)定標(biāo)場景為極地冰蓋(緯度在80°左右)時，由于地球自轉(zhuǎn)線速度相對很小，故進(jìn)行同樣時間的Side-slither定標(biāo)，線列中第一個像元與最后一個像元的成像區(qū)域距離相比在赤道地區(qū)的成像距離也小很多。

圖8 衛(wèi)星地面飛行速度同地球自轉(zhuǎn)速度關(guān)系示意Fig.8 The relationship between the ground speed of satellite and the speed of earth rotation

為了減小這種影響，可以采用類似于相機(jī)正常推掃成像模式中使用的“偏流角補(bǔ)償”方法[9]用于Side-slither定標(biāo)過程中的“偏流角補(bǔ)償”(這里只討論簡單的星下點“偏流角”補(bǔ)償)。具體而言，在其一個軌道周期中，偏流角用β表示，它是衛(wèi)星飛行地面速度同地球在該地區(qū)線速度所合成速度 Vp( Vp的方向即實際像移方向)與之間的夾角，如圖9所示。根據(jù)與軌道周期內(nèi)不同星下點的不同大小的可求得在整個軌道周期內(nèi)，不同緯度下對應(yīng)偏流角的變化（如圖10所示），經(jīng)計算，Quickbird-2在赤道處的β≈3.7°。

圖9 偏流角補(bǔ)償示意圖Fig.9 The scheme of drift angle compensation

圖10 不同緯度下偏流角大小示意圖Fig.10 The scheme of drift angle varies w ith latitudes

在將相機(jī)按偏航角調(diào)整90°的基礎(chǔ)之上，再按該時刻的偏流角旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度β，使得CCD線列沿著實際像移方向成像，這樣就能大大減小地球自轉(zhuǎn)對定標(biāo)所造成的影響。

需要說明的是，衛(wèi)星在執(zhí)行正常推掃成像的過程中，為了減小地球自轉(zhuǎn)所帶來的影響，在進(jìn)行偏流角補(bǔ)償?shù)耐瑫r，也會實時對CCD積分時間作出修正。而進(jìn)行Side-slither定標(biāo)時，不要求電荷轉(zhuǎn)移速度同像移速度匹配，只需保證一列像元中每個像元的積分時間一致即可，不需要對積分時間作出修正。所以，針對地球自轉(zhuǎn)對Side-slither定標(biāo)帶來的影響，可以通過定標(biāo)時對相機(jī)作出類似偏流角補(bǔ)償?shù)倪m當(dāng)調(diào)整，可以最大限度減小其對定標(biāo)的不利影響。

4.2 光學(xué)系統(tǒng)照度不均勻性對Side-slither定標(biāo)的影響

Side-slither定標(biāo)方法同大多數(shù)相對輻射定標(biāo)方法一樣，通過為焦面CCD提供一個均勻的輻照度場來完成像元的非均勻性校正。該均勻輻照度場的最終生成，不僅和輻射源有關(guān)，還同光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)有關(guān)。一般來說，在不存在斜光束漸暈，且光束孔徑角較小的情況下，光學(xué)系統(tǒng)的軸外像點的光照度E′同軸上點光照度0E′有如下關(guān)系

式中 ω′為像方視場角，如圖11所示。圖11中l(wèi)0為光學(xué)系統(tǒng)出瞳到像面的距離，Ad為像面上一微元。由于E′與0E′大小存在差異，所以光學(xué)系統(tǒng)成像的照度不均勻性會對Side-slither定標(biāo)產(chǎn)生影響。

圖11 光學(xué)系統(tǒng)軸上軸外像點照度關(guān)系示意Fig.11 The image irradiance on-axis and off-axis in optical system

Quickbird-2的光學(xué)系統(tǒng)物方視場角約為 2.12°×0.4°，光學(xué)系統(tǒng)形式為離軸三反式。經(jīng)過對其光學(xué)系統(tǒng)的仿真分析，其像面在互相垂直的兩個方向上的歸一化光照度分布如圖12所示。

圖12 正常推掃成像模式中垂直軌道與沿軌視場方向像面歸一化照度分布Fig. 12 The normalization imge irradiance w ith the field of view across and along the orbit in normal push-imaging mode

圖12 中垂直軌道方向邊緣視場(1.06°)同中心視場(0°)相比歸一化相對輻照度降低了約1%; 沿軌視場方向邊緣視場(0.2°)同中心視場(0°)相比照度降低了約 0.3%。故不論 Quickbird-2是處于正常推掃成像模式，抑或進(jìn)行 Side-slither定標(biāo)，光學(xué)系統(tǒng)會對像面照度均勻性產(chǎn)生影響。由于Quickbird-2光學(xué)系統(tǒng)物方視場角不大(像方視場角也不大)，故光學(xué)系統(tǒng)照度不均勻性對Side-slither定標(biāo)影響并不大。但對于視場更大的光學(xué)系統(tǒng)，這種影響可能會加大，必須予以考慮。

4.3 焦面CCD陣列的拼接及排布對Side-slither定標(biāo)的影響

為了滿足相機(jī)視場覆蓋的要求，航天光學(xué)遙感相機(jī)的焦面通常采用 CCD拼接技術(shù)。Quickbird-2的焦面如圖13所示，其CCD陣列采用的是視場拼接技術(shù)，6片全色TDICCD以及6片多光譜線陣CCD(每片上含4列)分別進(jìn)行視場拼接。

Side-slither定標(biāo)要求同一線列上的探測像元對同一地物成像。而Quickbird-2同一譜段所有探測像元由多個線列在兩條平行線上(理論上)的視場拼接而成，要對該譜段所有像元進(jìn)行Side-slither定標(biāo)，則要求兩條平行線列上的成像地物相同，這對定標(biāo)地物在一定范圍內(nèi)的輻射均勻性提出了要求。

例如，要對 Quickbird-2多光譜譜段中的可見光紅光譜段(0.45～0.52μm)進(jìn)行 Side-slither定標(biāo)，由于視場拼接造成紅光譜段相鄰兩線列在X方向上(見圖13)距離約為12mm，對應(yīng)的地面距離約為1 125m。也就是說，對其進(jìn)行Side-slither定標(biāo)，理論上至少需要如圖14所示的一個場景，場景的兩側(cè)有輻射特性相同的地物。而實際應(yīng)用中一般都是以整個場景(寬度大于1 125m)的輻射均勻性來滿足定標(biāo)需求。

圖13 Quickbird-2焦面CCD陣列分布示意Fig.13 The focal plane CCD array layout of Quickbird-2 satellite camera

圖14 由焦面視場拼接造成定標(biāo)場景需求的理論分析Fig.14 The theoretical analysis of demand for calibration scene caused by focal plane field butting

4.4 衛(wèi)星姿態(tài)精度對Side-slither定標(biāo)的影響

對于航天光學(xué)遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星平臺的姿態(tài)精度對成像品質(zhì)會有影響[10]，而這同樣會給Side-slither定標(biāo)帶來相應(yīng)的影響。衛(wèi)星平臺的姿態(tài)精度一般分為平臺指向精度與姿態(tài)穩(wěn)定度。對于平臺指向精度而言，俯仰角與滾動角指向的小范圍偏差不會直接影響Side-slither定標(biāo)時使線列觀測同一地物的需求，只會造成對事先選定地物的觀測偏差(這實際上也會影響最終的定標(biāo)效果)。而偏航角指向偏差會對線列上所有像元觀測同一地物造成直接影響，這種影響同 4.1節(jié)中所涉及的偏流角所造成的影響類似。平臺的姿態(tài)穩(wěn)定度在衛(wèi)星3個姿態(tài)方向?qū)ide-slither定標(biāo)的影響與指向精度在這3個方向的影響性質(zhì)一致，只是其影響程度同定標(biāo)持續(xù)時間密切相關(guān)。

衛(wèi)星姿態(tài)精度對Side-slither定標(biāo)的影響較為復(fù)雜且具有隨機(jī)性，這里不再深入分析。通常，通過選用更大尺寸的均勻定標(biāo)場景可以減小該影響(在垂直于衛(wèi)星飛行方向上增大尺寸是為了確保定標(biāo)時進(jìn)入CCD的輻射均來自于定標(biāo)場景; 在平行于衛(wèi)星飛行方向上增大尺寸主要是為了增加定標(biāo)時間，使得一次定標(biāo)中每個像元有更多的定標(biāo)信號疊加，從統(tǒng)計概率的角度減小定標(biāo)的誤差，典型的如Quickbird-2沿衛(wèi)星飛行方向的定標(biāo)場景尺寸給出了12km)。

需要說明的是，光學(xué)系統(tǒng)照度不均勻性、焦面 CCD陣列拼接排布特性、衛(wèi)星姿態(tài)精度均屬于衛(wèi)星自身的固有屬性，對定標(biāo)造成的影響無法或難以通過衛(wèi)星自身調(diào)整來減小，只能對其影響進(jìn)行定量評估后，從其它方面(如選擇更大且均勻性更高的定標(biāo)場景)補(bǔ)償它們對定標(biāo)產(chǎn)生的不利影響。

4.5 定標(biāo)場景輻射特性對Side-slither定標(biāo)的影響

為了使得定標(biāo)地物(場景)能夠比較全面的覆蓋焦面探測像元的響應(yīng)范圍，在進(jìn)行 Side-slither定標(biāo)時通常選取多種類型的地物作為定標(biāo)場景，如干涸的湖床、熱帶雨林、極地冰蓋、沙漠等(如圖 3所示)。實際上這與傳統(tǒng)場地定標(biāo)的場景選取原則是一致的。沙漠和極地地區(qū)等發(fā)射(反射)輻亮度較高場景特別適合探測器動態(tài)范圍靠近頂端(高端)一側(cè)的定標(biāo); 而輻亮度較低的場景相對比較難以獲取，如低輻亮度的植被，其輻射特性會隨季節(jié)變化，而選海水(河水)作為低輻亮度的定標(biāo)場景，還需要有合適的風(fēng)力、太陽高度角等條件。

Ikonos-2為了獲得輻亮度較低的均勻定標(biāo)場景，在探測器動態(tài)范圍接近于底端(低端)的部分使用月球作為定標(biāo)場景進(jìn)行Side-slither定標(biāo)。選用月球作為定標(biāo)場景的好處主要有3點:

1)整個月面都可以作為一個具有低輻亮度的定標(biāo)場景;

2)定標(biāo)時基本上可以忽略大氣環(huán)境變化的影響;

3)定標(biāo)工作在軌道陰影區(qū)或過地球兩極時開展，不會和正常的數(shù)據(jù)采集工作任務(wù)時間段沖突。

5 結(jié)束語

通過對Side-slither定標(biāo)的影響因素分析以及Side-slither定標(biāo)的應(yīng)用實例來看，航天光學(xué)遙感相機(jī)在軌進(jìn)行 Side-slither相對輻射定標(biāo)時，所選用的定標(biāo)地物并非 Side-slither定標(biāo)原理上所允許的“任何地物”，定標(biāo)地物(場景)選取的重要原則之一依然是其本身的輻射信息均勻性，并且需根據(jù)各種影響因素綜合分析確定對定標(biāo)地物(場景)的具體約束條件，以達(dá)到較高的定標(biāo)精度以及良好定標(biāo)效果。相對于其它在軌定標(biāo)方式，Side-slither定標(biāo)由于不需專門的星上定標(biāo)裝置、并且對地面定標(biāo)場景要求較低等優(yōu)勢使得其得到了很好的應(yīng)用。而隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展，為了獲取更高品質(zhì)的遙感圖像，這種定標(biāo)技術(shù)將得到更多更好的應(yīng)用。

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