基于温度修正的GF-5全谱段光谱成像仪热红外谱段辐射定标

王 浩，晋利兵，李 岩，赵艳华

〈测量技术〉

基于温度修正的GF-5全谱段光谱成像仪热红外谱段辐射定标

王 浩1,2，晋利兵1,2，李 岩1，赵艳华1

（1. 北京空间机电研究所，北京 100094；2. 中国空间技术研究院 天基空间目标监视技术核心专业实验室，北京 100094）

针对GF-5全谱段光谱成像仪热红外谱段存在响应异常、辐射定标精度难以保障的问题，开展了地面辐射定标补充试验，发现热红外谱段响应对仪器内部温度、焦面温度变化敏感是导致异常现象的主要原因。进一步对相机输出信号值随仪器内部温度、焦面温度变化规律进行了分析总结，提出了基于仪器温度、焦面温度修正的绝对辐射定标算法，成功应用于全谱段光谱成像仪热红外谱段的实验室绝对辐射定标，结果表明定标不确定性为1.36%。

高分五号；绝对辐射定标；热红外遥感；HgCdTe探测器；温度修正

0 引言

高光谱观测卫星（GF-5）用于获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据，是实现高分专项“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”目标的重要组成部分。全谱段光谱成像仪（下文简称全谱段相机）是GF-5卫星的主要载荷之一，它是我国第二代从可见光到热红外光谱范围的星载多光谱成像仪，具有12个谱段，波长覆盖可见光到热红外（0.45～12.5mm）。其中热红外分为B11（10.3～11.3mm）、B12（11.5～12.5mm）两个谱段，空间分辨率达40m，为目前国际最高；这种分裂窗谱段探测，能够提高地面温度反演精度[1]。

对于热红外相机，探测的是目标的红外辐射信息，而仪器自身产生的热辐射会叠加在目标信号上，仪器内部温度波动会引起输出DN（digital number，下文简称DN值）值的波动；另外由于焦面温度波动会造成HgCdTe探测器禁带宽带、电阻率改变等原因，导致探测器响应改变[2-3]，影响相机绝对定标精度。国外高精度定量化红外相机均对仪器内部、焦面进行了严格控温。MODIS仪器内部温度267K，扫描镜温度273K，每年波动小于1K；中长波焦面温度83K，短期温度稳定性优于35mK[4]。VIIRS仪器内部温度265K，季节性波动小于1K；红外焦面温度80K，一年中波动小于20mK[5-6]。TIRS仪器内部温度186.5K，温度稳定性0.1K，焦面温度43K，35s内温度波动性优于10mK[7-8]。

GF-5全谱段光谱成像仪仪器内部、探测器焦面采用开环控温技术，相机热红外谱段输出数字信号随仪器温度波动大，对相机的绝对辐射定标以及定量化应用影响较大。为减小仪器温度波动对绝对辐射定标精度的影响，提高相机定量化应用水平，提出了基于仪器内部温度、焦面温度修正的热红外谱段辐射定标方法，该方法首先通过遥测的部组件温度对同时刻相机输出的原始DN值进行校正，得到参考/标准温度下的DN值，然后结合等效入瞳辐射亮度完成绝对辐射定标，结果表明采用该方法后相机绝对定标精度明显提高。

1 GF-5全谱段相机红外谱段辐射定标

1.1 定标实验

全谱段相机光学系统为离轴三反系统，可见光与红外谱段共用主、次镜，结合视场分光、分色片、滤光片等技术实现可见光到长波红外12个谱段的分光。红外发射谱段辐射定标在空间环境模拟真空罐中进行，仪器内部温度设为289K、291K和293K，焦面温度设为58K。采用全口径全光路的辐射定标方法，用均匀稳定的500mm×500mm黑体作为定标源，将黑体置于相机入口，确保覆盖相机入瞳，如图1所示。绝对辐射定标实验在低温真空罐内进行，真空罐热沉温度为100K，远低于仪器内部温度，对定标的影响可以忽略。

通过改变外黑体温度来改变全谱段接收到的入射能量，同时采集全谱段相机的输出数字信号、仪器内部主要热辐射源的温度和焦平面温度。经过仪器内部温度修正、焦面温度修正等数据处理，建立等效入瞳辐亮度与输出DN值的关系，完成GF-5全谱段相机的辐射定标。

1.2 基于温度校正的定标算法

温度为的黑体在相机入瞳处的等效入瞳辐亮度e：

式中：为黑体发射率；1为波长下限；2为波长上限；()为光谱响应函数；(,)为光谱辐射亮度，可由普朗克黑体辐射定标求得。

热红外B11、B12谱段，第个像元的有效DN值可表示为：

DN()＝DN()＋DDNesh()＋DDNd() (2)

式中：DN()为相机实际输出DN值；DDNesh()为相机输出随仪器内部温度变化修正量；DDNd()为相机输出随焦面温度变化的修正量。通过实验发现，黑体温度一定时，相机输出DN值随仪器内部温度、焦面温度成线性关系，分别以仪器内部温度291K，焦面温度58K为参考基准，则：

式中：1为仪器内部变温修正系数；2为焦面温度变化修正系数；INT为实际仪器内部温度；d为实际焦面温度。

根据等效入瞳光谱辐亮度e与DN()之间的关系建立绝对辐射定标方程，多组输入输出数据最小二乘拟合确定定标系数，：

DN()＝e＋(4)

图1 定标光路图

2 数据处理

2.1 仪器内部变温修正系数

全谱段相机红外谱段采用出瞳与冷光阑匹配设计，能够较好地抑制仪器内部非成像光路的热辐射。通过Tracepro内辐射杂光分析知，主镜、次镜和分色片为仪器内部主要的热辐射源。仪器内部温度INT可由两种方法获得，一种是从仪器舱内的温度传感器直接获得，一种是通过主镜、次镜、分色片的温度测量值拟合求得。在轨运行时两种方法互为补充，避免温度突变带来的影响，其中拟合法通过地面试验获取拟合系数。图2给出了地面试验相机工作时不同仪器内部温度与3个基准点温度的关系。

图2 仪器内部温度与各基准点温度关系

由图2可知，随着仪器内部温度升高，3个基准点的温度也升高，可采用加权线性拟合的方法得出仪器内部温度INT与主镜、次镜与分色片温度的关系：

INT＝1×1＋2×2＋3×3＋0(5)

式中：1为分色片温度；2为主镜温度；3为次镜温度；0、1、2和3为温度拟合系数，如表1所示。

表1 仪器内部温度拟合系数

将实际仪器内部温度INT与参考温度（291K）之差和对应相机输出DN值差进行最小二乘法拟合，得到仪器内部温度变化对各个像元输出DN值的影响关系，即得到仪器内部变温修正系数。表2给出了Z4，Z5两成像指令（不同积分时间与增益）下的仪器内部温度修正系数。

表2 仪器内部温度修正系数

2.2 焦面变温修正系数

B11，B12谱段的成像动态范围是270～340K，焦面变温修正根据动态范围分段修正。目标温度低于277K的焦面温度修正系数由采集黑体277K数据获得，目标温度277～300K时的修正系数由采集黑体300K数据获得，目标温度300～340K时的修正系数由采集黑体320K数据获得。

焦面温度修正需要高精度、高时间分辨率的焦面温度数据，利用焦面3个测温二极管输出数据作滤波处理，然后取均值，最后对均值后的曲线做6次多项式拟合，如图3(a)、(b)所示。

图3 焦面温度测试、滤波、拟合结果

2.3 定标结果

通过仪器内部温度修正系数，焦面温度修正系数如图4所示，对原始数据进行修正得B11、B12谱段在Z4、Z5成像指令下的定标曲线图5、图6所示，可见定标方程2均大于0.98，说明修正效果较好。

2.4 定标精度分析

根据误差传递理论，忽略影响很小的高阶项，则合成定标不确定性表示为：

式中：dbb-T为黑体温度不确定度；dbb-e为黑体发射率的不确定度；dINT为仪器内部温度修正不确定度；dFPA为焦面温度修正不确定度；dDN为相机输出DN的不确定度。定标黑体通过计量院标定，温度不确定度为0.5K，发射率为e＝0.99±0.005，温度不确定度带来的入瞳等效亮度的不确定度为dbb-T＝[Le(300.5K)－Le(300K)]/Le(300K)＝0.68%，发射率不确定度带来的入瞳等效辐射亮度的不确定为dbb-e＝0.005/0.99＝0.51%；仪器内部温度修正不确定度主要受仪器内部测温精度的影响，仪器内温度测量精度为30mK，乘以仪器内部温度修正系数可获得DN值修正误差约为1个DN值，与采集的300K黑体图像减低后DN值均值作比获得仪器内部温度修正不确定度dINT＝0.2%；焦面温度修正不确定度主要受焦面测温精度的影响，焦面温度测量精度为17mK，乘以焦面修正系数可获得DN值修正误差约为5个DN值，与采集的300K黑体图像减低后DN值均值作比获得焦面温度修正不确定度dFPA＝1%；相机输出DN值的不确定度主要受相机自身噪声的影响，通过采集300K黑体长时间多帧图像数据，求取像元时间序列减底后的均方根值与均值，二者相比作为输出信号不稳定度，经测试dDN最大为0.44%。影响绝对辐射定标精度的因素及不确定度统计如表3所示。

图5 B11谱段定标结果

图6 B12谱段定标结果

表3 定标因素的不确定度

3 结束语

在GF-5全谱段光谱成像仪研制完成进行绝对辐射定标过程中，发现热红外谱段对温度特性极为敏感，尤其是HgCdTe探测器对焦面温度变化的响应尤为显著，不进行温度修正相机输出数据不具备参考性。通过地面试验发现：入瞳辐射能量一定时，相机输出信号值随仪器内部温度、焦面温度呈较好的线性。为此提出了基于仪器温度、焦面温度修正的绝对辐射定标算法，通过对原始数据进行仪器温度、焦面温度修正处理，定标方程呈现较好的线性，黑体温度300K时定标不确定性为1.36%，对应的温度不确定性为0.9K@300K。

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Radiation Calibration of Thermal Infrared Bands of GF-5 VIMI Based on Temperature Correction

WANG Hao1,2，JIN Libing1,2，LI Yan1，ZHAO Yanhua1

(1.,100094,; 2.,100094,)

Owing to the abnormal response of the thermal infrared bands of the visible infrared multi-spectral imager (VIMI) aboard GF-5 satellite it is challenging to guarantee the radiometric calibration accuracy; considering this fact, we conducted a supplementary test of ground radiometric calibration. We obtained that the response sensitivity of the thermal infrared bands to the change of instrument cavity temperature and the focal plane temperature was the main reason for this abnormal phenomenon. Furthermore, we analyzed and summarized the law of output signal changing with instrument cavity temperature and focal plane temperature. An absolute radiation calibration algorithm based on instrument temperature and focal plane temperature revise was proposed. It was successfully applied to laboratory absolute radiation calibration of thermal infrared bands of VIMI. The results show that the uncertainty of calibration is 1.36%.

GF-5, absolute radiation calibration, thermal infrared remote sensing, HgCdTe detector, temperature revise

V443.5

A

1001-8891(2020)06-0547-05

2019-04-03；

2019-07-13.

王浩（1988-）男，工程师，硕士。研究方向是空间光学遥感器总体设计。E-mail：wanghao9490@163.com。

国家重大科技专项工程。