HJ-1B卫星红外多光谱相机星上定标精度分析

韩启金 闵祥军 傅俏燕 孙 珂 王爱春

(1中国资源卫星应用中心,北京100094)

(2中国空间技术研究院,北京100081)

1 引言

卫星传感器热红外探测通道具有昼夜工作的能力,为了一定程度上满足我国热红外遥感定量化应用的需要,我国于2008年9月发射了环境与灾害监测预报小卫星——“环境一号”A/B星(HJ-1A/B),其中HJ-1B卫星上搭载的红外多光谱相机(红外相机)设置有热红外波段(10.5～12.5μ m),星下点对应地面像元分辨率为300m,主要用于地表温度探测、城市热岛调查、环境污染与灾害监测等。实现遥感数据定量化应用的前提是传感器准确的绝对辐射定标,即确定传感器输出量(一般为观测图像计数值DN)与目标输入绝对物理量之间的定量关系。传感器绝对辐射定标的精度是评价定标系统监测传感器运行状况能力的重要指标和地面目标多种定量化应用的保证[1]。

HJ-1B卫星在轨运行期间,由于受空间环境变化和元器件老化等因素的影响,红外相机探测性能不断衰变,必须定期地对其进行在轨绝对辐射定标。传感器在轨辐射定标方法包括星上定标、交叉定标和场地定标,其中星上定标方法不受时间、环境因素的限制,能适时监测传感器探测性能变化情况,及时地更新定标系数[2-3]。本文详细分析了HJ-1B红外相机星上定标系统的精度影响因素,利用美国TERRA卫星MODIS传感器热红外数据对红外相机星上定标系统精度进行验证。结果表明,在综合考虑MODIS传感器本身定标的不确定度[4]的情况下,HJ-1B卫星红外相机星上定标系统自发射以来相对精度降低了约1.5%。本文分析结果对后续卫星传感器星上定标系统的设计具有一定参考意义。

2 红外相机星上定标系统

HJ-1B卫星红外相机星上定标系统利用侧面套筒校正黑体实现中长波在轨辐射校正。卫星红外相机扫描镜每扫过地物条带一行,光学系统就会对校正黑体观测一次,测温电路同时对校正黑体的温度和扫描镜温度进行同步测量。通过温度与探测器输出信号幅值之间的变化关系,修正地面定标时获得的辐射反演公式,从而实现热红外波段在轨的辐射校正(见图1)。卫星在轨运行时,校正黑体的温度保持在(293±5)K,在进行星上定标时,将校正黑体加热到(328±5)K,通过校正黑体高低温两点,实现星上定标[5]。

图1 在轨辐射基准和校正黑体示意图

根据卫星发射前实验室定标实验结果,针对不同的校正黑体温度Tc对应到此温度下标准面源黑体的辐射率NTc,可由经验公式求得:

式中 Tc为对应校正黑体温度;ki(i=0,1,2,3)为实验室求得的对应红外通道标准面源黑体辐射率与黑体温度反演系数,温度范围的不同ki对应的值不同。

定标系统本身携带的扫描镜温度对校正黑体响应特性产生一定影响,进行热红外波段星上定标时应用实验室经验关系进行相应的修订。在不同校正黑体温度Tc和扫面镜温度Tm下,校正黑体本身的辐射率Nc值可由公式(2)求得:

式中 ac和bc为实验室求得的不同扫描镜温度Tm下NTc和Nc间的转换系数。扫描镜温度在288～298K间波动。

针对校正黑体常温和高温数据分别计算可得到黑体的辐射率Nc1和Nc2,再将其转换为对应辐亮度Le1和Le2。根据HJ-1B卫星红外相机观测校正黑体时记录文件HJ-1B-IRS.CAL(简称CAL文件)中提取对应通道计数值DN1和DN2,则可以得到两组星上黑体定标数据(Le1,DN1)和(Le2,DN2),将其代入定标公式(3),解二元一次方程组即可得到HJ-1B卫星热红外通道星上黑体定标系数g和b。

式中 定标系数g为增益;b为截距。具体定标流程如图2。

图2 HJ-1B卫星红外相机星上定标流程图

3 星上定标系统精度分析

根据HJ-1B卫星红外相机星上定标流程可知,星上定标系统误差的大小受到多种因素的影响:系统元器件本身精度,系统各温度测控精度,相机通道探测精度(探元DN精度)以及数据处理精度等[6],所有的误差综合影响最终系统定标结果的精度。

3.1 定标系统元器件精度

红外相机星上定标系统设计和实验过程中,以标准面源黑体作为基准计算校正黑体辐射率,校正黑体辐射率与同温标准面源黑体辐射率之间的换算关系随着扫描镜温度 Tm的大小变化而变化。标准面源黑体本身的比辐射率≥0.998,温度不确定度为±0.05℃,测温精度为±0.2℃,由于黑体温度与辐射量之间的非线性关系采用了分段线性等效,这在总体上将引入标定误差。星上定标系统的校正黑体比辐射率≥0.95,温度不确定度为±0.05℃,测温精度为±0.2℃,虽然比辐射率引入的误差可以通过高精度的标准面源黑体进行消除,但是由于扫描镜温度无法直接测量,而是通过扫描镜支架两端温度等效,因此NTc和Nc间的转换系数ac和bc的计算精度无法估计,当测量误差为3℃时,引入辐射率误差为0.7%。系统各个元器件的工作温度也影响其性能的稳定性,加之系统噪声的存在,只能对定标系统的精度进行统计性分析。

3.2 定标系统温度测控精度

HJ-1B卫星发射以来已在轨运行数月,为了监测星上定标系统校正黑体与扫描镜温度的稳定性,本文通过对各时间段星上温度数据进行分析,得到具体温度随时间的波动曲线,如图3、图4所示。

图3 校正黑体温度随时间波动曲线

图4 扫描镜温度随时间波动曲线

随着HJ-1B卫星在轨运行时间的延长,星上校正黑体和扫描镜温度波动范围逐渐增大,可见定标系统的元器件本身受环境因素等影响,其温控器件稳定性和测控精度有所衰减(图3、4温度波动范围逐渐增大)。

HJ-1B卫星红外相机在星上定标过程中,需要对校正黑体进行加热约2min,以得到高温校正黑体数据,由于加热系统的稳定性及校正黑体本身的特点,使得校正黑体温度产生一定的波动。自HJ-1B卫星发射以来,地面系统对红外相机热红外波段进行了7次星上定标,定标过程中高温校正黑体本身温度存在波动性,图5各曲线表示各次定标过程中高温校正黑体温度变化。

图5 星上定标高温校正黑体温度波动曲线

红外相机星上定标过程中,高温校正黑体温度变化约在2℃～2.4℃之间波动(图5),引起的辐射量误差约为0.25%～0.3%,并且影响到卫星观测通道计数值DN的均匀性。

3.3 红外相机通道探测精度

红外相机成像方式采用混合型扫描,其热红外通道采用10探元并扫,各通道探测器由同一个制冷机制冷。通道综合探测性能受温度、卫星稳定性和探测象元间差异的影响,卫星通道计数值存在一定变化。由于通道计数值直接参与最终定标系数的计算,因此,其精度将直接影响最终定标结果。对多次定标数据统计计算发现,红外相机热红外通道各探测像元扫描校正黑体时存在2个DN左右的波动,因此,在定标过程中均需考虑其影响。

多次星上定标过程中相机观测常温黑体时,各个探元DN波动趋势一致,探元9和10相对其他探元波动范围较大(图6),原因是常温校正黑体温度稳定且衰变趋势一致(图3),但各探元性能间存在一定差异。观测高温校正黑体时,各探元间DN波动出现交叉现象(图7),原因是高温校正黑体本身温度波动较大,多次定标过程中出现校正黑体温度重叠(图5)。

图6 星上常温校正黑体对应各探元DN波动曲线

图7 星上高温校正黑体对应各探元DN波动曲线

3.4 定标数据处理精度

红外相机星上定标系统本身元器件、测控系统、通道探测灵敏度等精度的分析结果表明采用实验室获得的星上定标算法本身存在一定的误差。现对具体定标数据处理精度进行分析,为后续星上定标系统的设计以及算法研究提供一定的借鉴。

(1)校正黑体辐亮度的计算精度

红外相机星上定标系统所用校正黑体辐射率以标准面源黑体为基准进行计算。卫星在轨运行期间,延用实验室获得的经验公式进行定标数据处理会产生一定误差,同时校正黑体本身温度存在波动性,常温时为±0.05K,加热时为±2K;当温度波动1K时,引入等效标准面源黑体辐射率0.15%的计算误差。HJ-1B卫星发射以来红外相机星上校正黑体温度和扫描镜温度波动曲线表明星上定标系统温度稳定性越来越差,引入了一定的不稳定误差。

式中 λ为波长;λc为有效波长;λmin和 λmax为通道最小和最大波长;f(λ)为通道光谱响应函数。经分析发现,Δλ产生0.01μ m的误差会引起校正黑体辐亮度0.65%的波动。假设黑体分光辐亮度Le在整个通道响应范围内为定值,即不随波长变化,忽略红外相机热红外通道响应随波长的波动,此种Le的计算会引入一定误差。

(2)对应通道计数值计算精度

红外相机多元并扫的成像方式决定了各探元通道计数值差异的存在,同时各个探元本身探测灵敏度的波动也会影响DN值的均匀性。校正黑体的温度波动以及各个探测象元本身的差异,使得计算整个通道的定标系数时,存在一定波动误差。

4 星上定标结果精度检验

HJ-1B卫星自发射以来对红外相机热红外通道进行了7次星上定标,红外相机受空间环境以及自身元器件稳定性影响使得星上定标系统监测传感器性能衰变的能力有所变化,有必要对定标结果的精度进行验证,以修正定标系数来满足数据定量化应用的需要。

利用星上定标前后对青海湖用TERRA卫星的MODIS-31、32通道辐亮度与同时相HJ-1B卫星热红外通道辐亮度(通过定标系数求得)进行比较分析,得出HJ-1B卫星在轨运行中星上定标系统监测精度[7-8]。为了提高验证的精度,首先用MODTRAN模拟相同大气条件下两传感器接收辐亮度的差异(见表1),对消除此差异条件下的同时相遥感图像进行对比。HJ-1B卫星红外相机与TERRA星MODIS传感器本身特征参数和观测时间、角度均存在差异,因此,必须进行空间匹配,并对相同区域辐亮度进行均值化处理(见图8)。

表1 相同大气条件下两传感器接收辐亮度差异

图8 HJ-1B卫星红外相机与TERRA卫星MODIS传感器辐亮度对比图

利用HJ-1B卫星红外相机星上定标结果获得的热红外通道辐亮度与同时相TERRA卫星MODIS-31、32通道辐亮度匹配区域对比结果曲线如图9所示。

图9 青海湖同时相数据平均辐亮度对比曲线

从以上数据分析可见,HJ-1B卫星热红外通道辐亮度与TERRA的MODIS-31、32通道辐亮度总体差异随着卫星在轨运行时间的延长逐渐变大。由于MODIS传感器采用的星上定标技术比较成熟,定标结果的不确定度为2%,总体上MODIS热红外通道辐亮度精度较高,可假设一定时期内的衰减量恒定,因此,认为图9中的差异变化是HJ-1B卫星红外相机定标精度衰减量增大所致。综合比较HJ-1B卫星多次星上定标后的热红外通道辐亮度与TERRA的MODIS-31、32通道辐亮度差异变化,发现HJ-1B卫星上定标系统相对精度降低约1.5%。

5 结束语

HJ-1B卫星红外多光谱相机在轨绝对辐射定标精度是遥感数据定量化应用的保证[9],其中星上定标方法由于不受时间环境因素限制,可以连续地监测传感器探测性能的衰变情况。本文针对HJ-1B卫星红外相机星上定标原理,研究分析了定标过程中各个环节的误差因素以及对定标结果精度的影响。最后通过TERRA的MODIS-31、32合成通道辐亮度对HJ-1B卫星红外相机星上定标结果进行精度检验,结果表明HJ-1B卫星红外相机自发射以来,星上定标系统相对精度下降了1.5%左右。文章分析结果为后续卫星红外传感器星上定标系统的设计和数据处理提供相关借鉴。

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