高精度卫星光学遥感器辐射定标技术_郑小兵

收稿日期：2011-04-24

基金项目：国家863计划（2008AA121203）资助。

高精度卫星光学遥感器辐射定标技术

郑小兵1,2

（1中国科学院通用光学定标和表征技术重点实验室，合肥230031）

（2中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心，合肥230031）

摘要随着长期气候变化等观测新需求和高分辨对地观测等新手段的发展，空间光学仪器面临进一步提高辐射定标精度的要求。文章从空间光学仪器定标精度的制约因素和全过程定标的实现等方面，分析了国际相关领域的技术进展，并就新型定标技术的研究和应用提出建议与展望。

关键词辐射定标光学遥感卫星

中图分类号：V443+.5

文献标识码：A 文章编号：1009-8518(2011)05-0036-08High-Accuracy Radiometric Calibration of Satellite Optical Remote Sensors

Zheng Xiaobing

（1Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ）

（2Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ）

Abstract Climate change monitoring and high resolution earth observation demand higher accuracy of abso -lute calibration for space optical sensors.This paper briefly discusses the progress and constrained factors of cur -rent radiometric calibration techniques.New calibration approaches and instrumentations such as hyperspectral and spectrally tunable reference light sources,and global calibration site network are introduced,and their ap -plications are suggested.

Key words Radiometric calibration Optical remote sensing Satellite

1引言

光学辐射定标主要研究光辐射传感器的输出与已知的、用SI 单位表述的输入光辐射之间的定量关系，包括各种光辐射效应的定量化、光辐射的精确测量及其不确定度评估，光辐射传感器的综合特性表征，以及光辐射传感器的工作条件对其性能影响的评估等方面的内容。

光辐射是光学遥感信息的基本载体。各种平台上光学传感器的几何和光谱分辩能力都与其光辐射的准确测量能力直接相关。辐射定标在空间对地观测观测过程中所发挥的主要作用表现为：

1）实现各类光学传感器从预研－工程研制－在轨运行的全过程定标，保证传感器的精度能够满足应用需求；

2）统一不同平台、不同传感器的辐射量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和融合；

3）通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环境变化等对测量结果的影响，保证测第32卷第5期

2011年10月

航天返回与遥感SPACECRAFT RECOVERY &REMOTE SENSING 36

第5期郑小兵：高精度卫星光学遥感器辐射定标技术37量结果真实反映目标和背景的特征。

光辐射定标是一项多学科交叉的技术，涉及辐射与光度学、计量学、光与介质的相互作用、光电精密仪器设计等基础研究和工程研发内容。

近年来国内外研究人员在全过程定标的各个技术环节中开展了大量的工作，取得了广泛的进展。本文介绍了一些新型定标技术的研究进展情况，提出应用建议。

2高精度辐射定标技术的趋势

2.1全过程定标

过去十多年的卫星遥感研究和应用实践中，科研和工程技术人员逐步形成一个共识，即定标技术必须全过程地支持卫星遥感器的设计、研制、运行和数据应用。全过程定标是相对于阶段性定标而言的。对于研制周期和工作寿命合计达10年左右的卫星遥感器，任何一次阶段性的定标数据均不足以准确评估其实际性能。定标技术必须在卫星遥感器的研制、测试、运行和数据应用的全过程保证不确定度的要求，校准各阶段的观测精度，克服单次定标实验和单个标准器引起的系统误差，验证全寿命期间的数据精度，并通过共同的溯源保障多个卫星之间数据的可比较性。

全过程定标主要包括5个主要环节：定标方案设计、实验室定标、星上定标、地面同步替代定标以及数据校正，如图1所示。

图1全过程定标的各环节

定标方案的设计从用户定量化应用的数据精度要求出发，结合具体遥感器的工作方式，将精度要求合理地分配到遥感器各部件和定标各环节，并设计出针对性的定标技术途径和设备条件。

实验室定标的主要作用是确定传感器的响应并评估其不确定度。星上定标长期地监测传感器响应的衰变，并可以进行阵列传感器响应均匀性校正。在轨阶段的替代定标可以验证传感器的辐射响应并进行多个传感器的交叉定标。任何一种定标手段和设备都不是绝对准确的，都存在其自身无法消除的系统性偏差。为了保证和提高定标精度，目前的技术趋势是同时利用以上3个独立的定标手段相互验证和比较，降低和消除单次定标实验和单个定标设备本身的系统偏差，保证卫星数据的质量。

数据校正的目的，是根据用户对具体地球物理参数的要求，发展遥感器响应变化的预测模型，结合实验室、星上和地面定标数据，提供及时的定标系数更新。

全过程定标在客观上要求合理分配研制－运行过程中的不确定度指标，而不仅依赖于某一个环节。这有赖于制定合理的定标技术流程和规范，保障各个环节的不确定度能够达到预期的指标，从而在总体上提高定标的效率和效费比。

全过程定标意味着，定标技术不仅需要解决自身的关键技术，同时需要面向卫星遥感器工程化应用，面向遥感数据的定量化应用。

全过程定标在具体实施过程中需要大量技术资源的长期支持，也需要载荷研制方、用户方和定标技术研发人员的多层面协作，同时需要管理机构的充分协调。全过程定标技术链路上任一环节的不足，均会影响其整体保障作用。