徐偉偉，張黎明，李 鑫，司孝龍，楊寶云

(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)院 通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)地表達(dá)地物目標(biāo)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(hù)、應(yīng)急響應(yīng)管理等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國(guó)防安全方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。隨著遙感技術(shù)發(fā)展與定量化應(yīng)用，遙感信息已從對(duì)地球形態(tài)形貌的識(shí)別發(fā)展到對(duì)地球多圈層物理參數(shù)的精細(xì)化定量遙感，能力的提升有賴于衛(wèi)星全壽命期定標(biāo)體系的支持，因此遙感器在軌期間的定標(biāo)精度直接影響遙感數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用水平[2-3]。

光學(xué)遙感衛(wèi)星發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室都進(jìn)行過(guò)最嚴(yán)格、最全面的定標(biāo)與性能檢測(cè)，但由于發(fā)射過(guò)程中震動(dòng)與加速度、在軌應(yīng)力釋放與排污、空間環(huán)境、探測(cè)器衰變等因素，都會(huì)使得其性能發(fā)生不同程度衰變，有必要在運(yùn)行期間進(jìn)行定標(biāo)。沒(méi)有高精度定標(biāo)將使同一衛(wèi)星(星座)或不同衛(wèi)星所獲遙感數(shù)據(jù)無(wú)法相互比較，不能依據(jù)長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，高頻次、高精度、業(yè)務(wù)化的在軌定標(biāo)應(yīng)貫穿于衛(wèi)星全壽命期[4-7]?；诜e分球(標(biāo)準(zhǔn)燈)光源或太陽(yáng)漫射板的星上定標(biāo)都是將實(shí)驗(yàn)室輻射基準(zhǔn)作為參考，尚需溯源于國(guó)際單位，且對(duì)衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中的沖擊和加速度等沒(méi)有有效的監(jiān)測(cè)手段?；谳椛湫Ｕ龍?chǎng)的反射率基法或輻照度基法等替代定標(biāo)是一種單點(diǎn)(輻亮度)定標(biāo)方法，需要傳感器暗電流(或冷空觀測(cè))相配合，因此遙感器響應(yīng)線性(或動(dòng)態(tài)范圍)與場(chǎng)地反射率對(duì)基于輻射校正場(chǎng)的定標(biāo)精度影響很大，例如敦煌場(chǎng)目前在軌定標(biāo)精度約5%～8%，且難以實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感衛(wèi)星全動(dòng)態(tài)定標(biāo)[8-14]。針對(duì)近年快速發(fā)展的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星(星座)，美國(guó)亞利桑那大學(xué)與國(guó)內(nèi)安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所等科研機(jī)構(gòu)以多反射率灰階靶標(biāo)代替輻射校正場(chǎng)，采用輻射傳輸計(jì)算為核心的反射率基法，實(shí)現(xiàn)了星載光學(xué)遙感器全動(dòng)態(tài)定標(biāo)[15-18]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)也在開展基于小目標(biāo)的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌像質(zhì)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制傳遞函數(shù)檢測(cè)[19-22]，因此提出高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星基于小目標(biāo)的在軌輻射定標(biāo)方法，以期提升高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌定標(biāo)精度。

高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星小目標(biāo)法在軌輻射定標(biāo)以“小”而“亮”的反射點(diǎn)源作為參照目標(biāo)，以地面實(shí)際測(cè)量代替氣溶膠散射，并有效分離小目標(biāo)輻射響應(yīng)與程輻射、地氣耦合等背景輻射，實(shí)現(xiàn)遙感器高精度的全動(dòng)態(tài)定標(biāo)。在介紹反射點(diǎn)源小目標(biāo)法定標(biāo)原理基礎(chǔ)上，利用在軌試驗(yàn)獲取的小目標(biāo)遙感影像，對(duì)其數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

1 基本原理

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

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

小目標(biāo)法在軌輻射定標(biāo)是以反射點(diǎn)源作為參照目標(biāo)，空間尺度遠(yuǎn)小于遙感器空間分辨率，反射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度位于遙感器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。光線追跡分析計(jì)算，光學(xué)遙感衛(wèi)星可接收的反射光斑僅為反射鏡小目標(biāo)上尺度為厘米量級(jí)的一小區(qū)域，相對(duì)米量級(jí)分辨率的遙感器來(lái)說(shuō)，可作為小目標(biāo)或點(diǎn)目標(biāo)。根據(jù)能量守恒定律，太陽(yáng)輻射經(jīng)反射點(diǎn)源小目標(biāo)反射至光學(xué)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(diǎn)源小目標(biāo)曲率；ρ是小目標(biāo)鏡面反射率；Es是太陽(yáng)光譜輻照度；Ts是太陽(yáng)-小目標(biāo)路徑大氣透過(guò)率；Tv是小目標(biāo)-衛(wèi)星路徑大氣透過(guò)率。

小目標(biāo)布設(shè)場(chǎng)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(yáng)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(biāo)曲率、鏡面反射率有關(guān)，還與大氣透過(guò)率及遙感器地面分辨率等有關(guān)。小目標(biāo)法定標(biāo)僅需要大氣光學(xué)特性的現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)試，小目標(biāo)性能參數(shù)可在實(shí)驗(yàn)室高精度檢測(cè)，尤其是不需要進(jìn)行目標(biāo)反射率的現(xiàn)場(chǎng)跑點(diǎn)測(cè)試，大大簡(jiǎn)化了衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)刻的現(xiàn)場(chǎng)同步觀測(cè)而提高效率，有望實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)化定標(biāo)。

基于遙感衛(wèi)星的恒星觀測(cè)與小目標(biāo)法在軌像質(zhì)評(píng)價(jià)[19-20,22]，結(jié)合廣泛應(yīng)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(diǎn)擴(kuò)散，其對(duì)反射點(diǎn)源小目標(biāo)的輻射響應(yīng)將擴(kuò)散在探測(cè)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(biāo)的光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)方程可表示為

(3)

根據(jù)光學(xué)遙感衛(wèi)星小目標(biāo)法輻射定標(biāo)方程，帶入實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化輻射傳輸計(jì)算的大氣透過(guò)率得遙感器入瞳等效輻亮度，結(jié)合小目標(biāo)遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function，PSF)檢測(cè)來(lái)分離小目標(biāo)反射輻射響應(yīng)與程輻射、地-氣耦合及暗電流等背景輻射響應(yīng)，進(jìn)而獲取在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星基于小目標(biāo)的在軌輻射定標(biāo)，如圖2所示，在某地布設(shè)了4×4陣列反射點(diǎn)源小目標(biāo)，并于衛(wèi)星過(guò)頂當(dāng)天同步采集場(chǎng)區(qū)的大氣光學(xué)特性與氣象參數(shù)等信息。小目標(biāo)主要由反射鏡、太陽(yáng)觀察器、經(jīng)緯儀等組成，優(yōu)化設(shè)計(jì)的反射鏡能夠反射適量的太陽(yáng)輻射以與遙感器動(dòng)態(tài)范圍相匹配；太陽(yáng)觀察器通過(guò)連續(xù)太陽(yáng)觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)小目標(biāo)的角度定標(biāo)；經(jīng)緯儀根據(jù)軌道預(yù)報(bào)參數(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)-小目標(biāo)-衛(wèi)星三者間光路自動(dòng)匹配，以將過(guò)頂時(shí)刻的入射太陽(yáng)光反射至衛(wèi)星入瞳形成點(diǎn)激沖輻射，便于光學(xué)遙感衛(wèi)星成像。

圖2 2015年在軌檢測(cè)試驗(yàn)小目標(biāo)及影像Fig.2 Small target and image of on-orbit estimation experience in 2015

2.1 地面測(cè)試數(shù)據(jù)

小目標(biāo)法可將目標(biāo)反射率跑點(diǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)室高精度檢測(cè)，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(yáng)光度計(jì)CE-318同步觀測(cè)的地面太陽(yáng)直射輻射反演得大氣光學(xué)厚度，并以輻射傳輸計(jì)算的高光譜透過(guò)率逼近測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖3所示，以獲取太陽(yáng)入射路徑透過(guò)率，進(jìn)而改變觀測(cè)幾何計(jì)算衛(wèi)星觀測(cè)路徑透過(guò)率。

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

2.2 系統(tǒng)PSF檢測(cè)

基于場(chǎng)區(qū)布設(shè)的4×4陣列小目標(biāo)可進(jìn)行光學(xué)遙感衛(wèi)星的在軌PSF檢測(cè)，根據(jù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)定義，結(jié)合點(diǎn)源法MTF檢測(cè)方法研究與光學(xué)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(lái)檢測(cè)每個(gè)小目標(biāo)響應(yīng)峰值位置，以對(duì)小目標(biāo)陣列響應(yīng)進(jìn)行位置配準(zhǔn)獲取遙感器點(diǎn)擴(kuò)散廓線，進(jìn)而通過(guò)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(biāo)反射輻射響應(yīng)與程輻射、地-氣耦合及暗電流等背景輻射響應(yīng)信號(hào)，統(tǒng)計(jì)分析小目標(biāo)輻射響應(yīng)。若對(duì)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(píng)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Fig.4 System’s point spread function

2.3 小目標(biāo)響應(yīng)值

根據(jù)小目標(biāo)法在軌輻射定標(biāo)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(hào)為常量。結(jié)合光學(xué)遙感衛(wèi)星傳感器成像系統(tǒng)PSF檢測(cè)，可將小目標(biāo)遙感影像響應(yīng)值分離為點(diǎn)源小目標(biāo)的反射輻射響應(yīng)值與背景輻射響應(yīng)值兩部分，如圖5所示，小目標(biāo)響應(yīng)值可通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲取。同時(shí)基于遙感器接收合適光通量以與其動(dòng)態(tài)范圍相匹配及能量守恒，小目標(biāo)反射至光學(xué)遙感衛(wèi)星入瞳的輻射能量將擴(kuò)散在其探測(cè)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(biāo)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值扣除背景輻射響應(yīng)值，即可得與小目標(biāo)反射至遙感器入瞳輻亮度相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。

圖5 小目標(biāo)響應(yīng)值提取Fig.5 Small target’s response extraction

2.4 輻射定標(biāo)系數(shù)

將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的小目標(biāo)反射率，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的場(chǎng)區(qū)大氣透過(guò)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(biāo)反射至衛(wèi)星的入瞳輻亮度，并將其對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)歸一化處理得入瞳等效輻亮度。進(jìn)而根據(jù)小目標(biāo)法在軌定標(biāo)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(biāo)響應(yīng)值相比較得在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

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

3 分析討論

基于小目標(biāo)的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)以反射點(diǎn)源作為參照目標(biāo)，與月亮定標(biāo)法相似，通過(guò)點(diǎn)源小目標(biāo)反射太陽(yáng)光至遙感器入瞳形成點(diǎn)激沖輻射，對(duì)其輻射響應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。小目標(biāo)法將目標(biāo)反射率的跑點(diǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)室高精度檢測(cè)，提高反射率測(cè)量精度；通過(guò)大氣特性參數(shù)同步觀測(cè)代替氣溶膠散射特性，提高光學(xué)厚度反演精度；通過(guò)系統(tǒng)PSF檢測(cè)將小目標(biāo)輻射與背景輻射響應(yīng)分離，以期提高光學(xué)遙感衛(wèi)星定標(biāo)精度。小目標(biāo)法定標(biāo)結(jié)果與輻射校正場(chǎng)或灰階靶標(biāo)法定標(biāo)結(jié)果相比較，驗(yàn)證小目標(biāo)法定標(biāo)的有效性，并分析討論其精度。

3.1 定標(biāo)系數(shù)比較

光學(xué)遙感衛(wèi)星基于輻射校正場(chǎng)定標(biāo)的反射率基法，通過(guò)地面同步或準(zhǔn)同步的目標(biāo)反射率與大氣光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量，輻射傳輸計(jì)算得遙感器入瞳輻亮度，進(jìn)而與影像響應(yīng)值比較得定標(biāo)系數(shù)[5,14]。灰階靶標(biāo)法是在(半程)輻照度基法的基礎(chǔ)上，以大氣光學(xué)厚度與漫射輻射/總輻射比的實(shí)際測(cè)量代替氣溶膠散射特性假設(shè)，通過(guò)灰階靶標(biāo)與其響應(yīng)值的線性回歸來(lái)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(biāo)反射至遙感器入瞳輻亮度相應(yīng)的響應(yīng)值，進(jìn)而求得定標(biāo)系數(shù)[15,17-18,23]，如表1所示，遙感器定標(biāo)系數(shù)差異3.65%，一致性較好，驗(yàn)證了小目標(biāo)法定標(biāo)的可行性與有效性。

3.2 不確定度分析

小目標(biāo)法定標(biāo)不確定度主要由小目標(biāo)反射率、大氣光學(xué)特性、遙感器性能參數(shù)等組成。其中，鏡面反射率可在實(shí)驗(yàn)室高精度測(cè)量，不確定度優(yōu)于2%；太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量并反演光學(xué)厚度誤差約1%，在可見近紅外波段輻射傳輸計(jì)算的高光譜大氣透過(guò)率逼近測(cè)量的通道透過(guò)率時(shí)引入誤差約1%；以4×4小目標(biāo)陣列檢測(cè)遙感器PSF，已分離小目標(biāo)與背景輻射響應(yīng)，求得小目標(biāo)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值的數(shù)值分析誤差約1%；如表2所示，基于小目標(biāo)的在軌定標(biāo)不確定度優(yōu)于3%。為進(jìn)一步提高定標(biāo)精度，可在遙感器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)設(shè)置不同亮度等級(jí)的小目標(biāo)，形成寬動(dòng)態(tài)目標(biāo)參照，通過(guò)線性回歸法提取小目標(biāo)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感衛(wèi)星全動(dòng)態(tài)范圍的高精度定標(biāo)。

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

3.3 在軌定標(biāo)拓展

小目標(biāo)法在軌定標(biāo)以反射點(diǎn)源作為檢測(cè)參照，具有良好的光譜平坦性與均勻一致性，在太陽(yáng)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(shè)計(jì)的小目標(biāo)可在全譜段(太陽(yáng)反射至中紅外及熱紅外)范圍反射適量的光通量以與光學(xué)遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)范圍相匹配，并可設(shè)置多個(gè)反射能量梯度的小目標(biāo)，有望在全譜段范圍實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星全動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)。利用小目標(biāo)陣列提取響應(yīng)值時(shí)所進(jìn)行的遙感器PSF檢測(cè)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(píng)估光學(xué)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(cè)方法使得反射點(diǎn)源小目標(biāo)在高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的幾何檢校方面作為地面控制點(diǎn)[22]，在遙感器的幅寬范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化布設(shè)并結(jié)合位置檢測(cè)算法，有望提高光學(xué)遙感衛(wèi)星的幾何檢校精度。

4 結(jié)論

高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星小目標(biāo)法在軌輻射定標(biāo)，將目標(biāo)反射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)室高精度測(cè)量，以地面同步(準(zhǔn)同步)實(shí)際測(cè)量代替氣溶膠散射特性，利用系統(tǒng)PSF檢測(cè)將小目標(biāo)輻射與背景(程輻射、地-氣耦合、環(huán)境、暗電流等)輻射響應(yīng)分離，提高反射率測(cè)量與大氣參數(shù)反演精度，降低場(chǎng)區(qū)背景環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)不確定度優(yōu)于3%的在軌定標(biāo)精度。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，小目標(biāo)法在軌輻射定標(biāo)結(jié)果與輻射校正場(chǎng)或灰階靶標(biāo)法定標(biāo)結(jié)果差異3.65%，具有較好的一致性。為進(jìn)一步提高定標(biāo)精度，可在遙感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)設(shè)置多種反射能量梯度等級(jí)的小目標(biāo)陣列，線性回歸法提取與小目標(biāo)反射至遙感器入瞳輻亮度相對(duì)應(yīng)的影像響應(yīng)值。相對(duì)輻射校正場(chǎng)或灰階靶標(biāo)法，小目標(biāo)法有望在全譜段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的全動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)與幾何檢校，綜合評(píng)估遙感影像輻射與幾何質(zhì)量。