空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标

龙亮王世涛周峰吴立民

（1北京空间机电研究所，北京 100076）

（2中国空间技术研究院，北京 100081）

1 引言

随着空间遥感技术的发展与积累，定量化遥感的需求越来越迫切。通过对遥感器进行辐射定标，校正探测器的响应不均匀性及建立遥感器输出信号值与输入能量值的函数关系，是实现定量化遥感所必不可少的手段[1]。按照任务阶段来划分，遥感器在研制过程中以及研制完成后在地面进行的一系列测试及试验中所进行辐射定标工作一般称为地面辐射定标（或发射前辐射定标），而当遥感器成功发射并在轨运行后对遥感器进行的辐射定标工作称为在轨辐射定标（或发射后辐射定标）。

空间红外点目标遥感探测系统主要是指空间中在中长波红外谱段接收相对距离很远而可视为“点目标”的物体所辐射的红外信号，从而对该物体进行探测的系统。空间红外天文望远镜、天基导弹预警卫星中的遥感载荷系统大多属于此类系统。由于探测目标相对于此类系统的张角大多小于系统的瞬时视场，则目标相对于探测系统而言视为“点目标”。另外，对于空间红外点目标遥感探测系统所工作的中长波红外谱段，为了实现更高灵敏度的红外探测，必须降低光学系统本身的温度，减小背景的红外辐射，这就要求探测光学系统必须采用空间低温光学系统[2]。

空间红外点目标遥感探测系统相对于一般对地观测遥感器的区别决定了其进行在轨辐射定标时必然也会有诸多特殊之处。本文正是基于这些特殊之处对其在轨辐射定标方法进行了介绍与分析。

2 国外空间红外点目标遥感探测系统在轨定标方法介绍

一般对地观测遥感器进行在轨辐射定标时，可供选择的定标方法主要有三种：一是通过借助星上已有的定标装置（内定标源或漫反射板反射太阳光）进行定标；二是通过地物作为定标源进行场地定标；三是用已定标且定标结果很好的在轨遥感器来标定待定标的遥感器所进行的交叉定标[3-4]。而对于空间红外点目标遥感探测系统，第一种方法可以使用，但定标源选取及安装位置都需其对系统低温工作环境的影响；第二种方法对于红外点目标遥感探测系统中专门为深空为背景的那类探测系统局限性较大，因为其探测器动态范围往往同以地球为背景的辐射源不匹配；第三种方法应用的前提是空间中相似的轨道上存在可用的功能相近、性能参数及技术指标类似的遥感器，而这对于总体数量相对较少、功能侧重点多有不同的红外点目标遥感探测系统，这种方法目前很难获得应用。所以各国空间红外点目标遥感探测系统的研制者及辐射定标工作者根据该系统自身特殊性，设计了适用于该系统进行在轨辐射定标的方法，并付诸工程应用。

使用星上内定标装置来进行在轨辐射定标，是空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标经常使用的方法。此类星上定标装置通常由定标源和必要的定标光学系统组成（有时候也只有定标源而没有定标光学系统）。通过定期开启星上定标装置，产生在探测系统工作谱段上与探测器响应性能相匹配的辐射，经过定标光路，为焦面探测器提供一个均匀的定标辐射场。利用这种方法大多进行的是相对辐射定标或者是部分光路的绝对辐射定标。

针对空间红外点目标遥感探测系统点源探测的特点，结合空间红外天文数据，使用选定已知辐射特性的恒星源来作为定标源进行系统的绝对辐射定标，是另一种较为常用的在轨辐射定标方法。

还有一种用于在轨绝对辐射定标的方法是探测系统通过观测卫星所释放专门用于辐射定标的参考球的红外辐射来实现辐射定标的。但此种方法在空间红外点目标遥感探测系统的在轨辐射定标中应用次数并不是很多。

2.1 MSX在轨辐射定标

MSX卫星由美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制，于1996年4月发射入轨。空间红外成像望远镜SPIRIT III（Spatial Infrared Imaging Telescope III）是MSX上的一台中长波红外仪器设备。SPIRIT III探测的主要目标是空间背景下的星体和气辉极光等上层大气现象以及其强度参数。SPIRIT III还将配合MSX上其他有效载荷验证导弹助推器熄火到再入大气层即导弹飞行中段卫星对导弹的识别与跟踪技术[5]。SPIRIT III的工作谱段为在4.2～26.0μm划分的6个谱段，其光学系统是一个高散射抑制的离轴反射望远镜系统，工作温度为10～20K。SPIRIT III的焦平面组件由一个低温空间分辨率辐射仪和一个光谱仪组成，工作温度低于12K。

SPIRIT III的在轨相对辐射定标工作主要由安装于其内部的三组内定标源来完成[6]。这三组定标源的工作通过事先编写好的编程指令来控制。它们会在SPIRIT III每个在轨数据采集事件（Data Collection Event，DCE）之前对探测器进行测试以确认其性能指标在正常范围之内，否则不会进行数据采集工作。第一组辐射计内定标源是在辐射计每个焦平面外壳上装有一个内定标源，这两个内定标源既可以一起使用也可以单独使用。它们工作时产生的辐射直接照射在焦面探测器上。第二组内定标源也是辐射计内定标源，它的材料主要是电阻丝。快门反射电阻丝的红外辐射经过除去M1镜（Mirror 1）和M2镜（Mirror 2）的光路后进入焦面FPA（Focal Plane Array）（如图1所示）。而第三组内定标源是光谱仪的内定标源，材料同样是电阻丝，同样是经过快门反射使得其红外辐射进入光谱仪的FPA中，只是其红外辐射在快门上反射的位置同辐射计第二组内定标源反射的位置不一样。三组内定标源在系统中的安装位置如图1所示。通过内定标源的工作，SPIRIT III焦面像元的响应非均匀性得到了很好地校正。

图1 SPIRIT III光路及内定标源安装位置图M1～M8为光学系统各级主次镜，F1，F3，F5与 F6为折转平面镜Fig.1 SPIRIT III optical layout and locations of inner calibration sourcesM1through M8are primary and secondary mirrors，and F1，F3，F5，and F6are fold flats

SPIRIT III的在轨绝对辐射定标工作主要通过观测标准定标星及观测MSX自身所释放参考球两种方法来完成。

首先介绍观测标准定标星进行在轨绝对辐射定标的方法。根据SPIRIT III的工作谱段要求及探测器响应特性，选取已知辐射特性的恒星进行在轨绝对辐射定标，是SPIRIT III在轨辐射定标的又一手段。SPIRIT III选择了名为αBoo的恒星进行辐射测量来计算对点光源的辐射响应，而αBoo在MSX带内的标准辐射通量由 Burdick 和 Morris[7]提供。 SPIRIT III还对基于 Cohen 等人标准的四颗恒星（αLyr，αCMa，αTau，βGem）进行了观测，以独立评价其对αBoo定标的效果（见表1）。[8]

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作为利用恒星进行空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标的数据支撑，美国空军地球物理实验室AFGL（Air Force Geophysics Laboratory）从20世纪80年代中期就开始建立相关的红外恒星辐射特性数据库[9]。它通过使用一系列具备空间红外天文观测能力的卫星对星空中所能探测到的恒星进行红外谱段辐射特性的测量，并不断通过所研制出的性能更好的遥感器的探测数据来更新已有的数据库，以提高数据的准确度。

另一种进行在轨绝对辐射定标的方法是观测卫星所释放参考球。参考球是一种人工制造的红外辐射源。MSX上载有5个一样的参考球，在MSX的整个任务周期中参考球会被陆续释放用作定标工作[8][10]。当它被释放后开始远离MSX时，由于其与探测系统的距离及自身温度都在不断变化，故被探测系统探测到的由它所发出的红外辐射可以满足覆盖SPIRIT III探测器的整个动态范围的要求。而其释放后的位置与速度变化已经通过地面仿真精确预知，这样结合实时的姿态及指向修正，可以使探测系统对其进行很好的跟踪探测。SPIRIT III对参考球观测时间从参考球释放后3min直至1h之后，这样考虑的原因可能有：刚释放后的参考球温度较高，SPIRIT III对其立即观测会造成探测器响应饱和，无法进行定标工作。而参考球释放出去后相对卫星的速度约为10～15m/s，考虑光学系统参数及探测器像元尺寸，需要让参考球飞行较长时间后才能让SPIRIT III达到点源成像的效果。

由此看出，MSX的SPIRIT III在整个任务寿命阶段进行在轨辐射定标时三种典型在轨辐射定标方法都采用过，三种定标方法的工作流程关系如图 2所示，综合定标方法示意图如图3所示。

图2 MSX在轨辐射定标工作流程关系图Fig.2 MSX in-orbit radiometric calibration process

图3 MSX综合定标方法图Fig.3 MSX compositive radiometric calibration methods

2.2 其他空间红外点目标遥感探测系统的在轨辐射定标

2.2.1 ISO的在轨辐射定标

红外空间观测平台ISO（Infrared Space Observatory）是由欧空局研制的一颗红外观测卫星。ISO上的有效载荷中的“短波红外光谱测量仪”（相对于整个2.5～240μm的谱段范围，将2.5～45μm的范围称之为“短波”）SWS（Short-Wavelength Spectrometer）工作谱段为2.5～45μm。其在轨辐射定标按时间顺序分为两个不同的阶段：

第一个阶段是在轨运行的早期验证阶段：通过SWS内部的辐射源以及外部恒星源的辐射进行辐射定标，定标结果用于与之前地面辐射定标结果比对，完成在轨运行状态下对地面定标结果的修正；

第二个阶段为卫星调试完毕后进入任务运行阶段，通过对标准恒星的观测而对载荷进行各种辐射响应参数测试。

ISO的SWS里安装有多组内部辐射源：第一组三个辐射源由小卷电阻丝组成，电阻丝可以被加热到两个不同的温度。它们被安放在探测器附近，工作时产生的辐射直接照射到焦面探测器上，以进行相对辐射定标。第二组两个辐射源位于靠近光谱仪入口的地方，由电阻丝和F-P滤光片组成，主要用来进行波长定标[11]。

2.2.2 ASTRO-F的在轨辐射定标

红外天文卫星ASTRO-F是日本的第二颗红外天文观测卫星，于2006年发射入轨，其主要任务为在2～200μm的谱段范围内探测红外源。

ASTRO-F通过其内部安装的内定标灯每隔10～60s照射一次远红外探测器（Far-Infrared Surveyor，FIS），为观测探测器的短期响应变化提供参考辐照度。而每隔10～30min一个被制冷的快门会关闭，以此来进行暗电流测试。

通过观测行星、小行星以及标准恒星的方法，ASTRO-F实现了对探测器响应长期变化趋势的监视，完成了在轨绝对辐射定标的工作。根据FIS的性能，选择恒星星等在3～8之间的恒星，这样通过计算可知FIS在每个轨道周期内可以观测大约70颗选定的标准恒星[12]。

2.2.3 WISE的在轨辐射定标

宽视场红外测量探测仪WISE（Wide-field Infrared Survey Explorer）由美国喷气推进实验室研制，于2009年12月发射。WISE的研制目的是在2.8～28μm分四个成像通道进行空间观测。

WISE发射在轨后通过一个月的在轨校验（In-orbit Checkout，IOC）来完成包括在轨辐射定标等诸多观测宇宙深空前的准备工作。在轨校验的前两周时间里WISE整个望远镜的前盖是闭合的。此时波长较长的3、4通道（中心波长分别为12μm与23μm）的探测器是处于饱和状态的，而波长较短的1、2通道（中心波长分别为3.3μm与4.7μm）的探测器阵列的响应线性度（绝对辐射定标的部分内容）是通过载荷的内定标源来测定的，内定标源安装在光学系统次镜上。而在两周后望远镜的前盖开启并被抛弃后，之前未进行响应线性度测试的3、4通道通过对同一组标准恒星进行不同积分时间的观测来完成响应线性度测试[13]。

3 空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标方法分析

3.1 辐射定标流程及评估

辐射定标实际上是一个标准建立与标准传递的过程[14]。所以整个定标工作可以围绕3部分工作展开：1）辐射标准的选定与建立；2）标准通过定标链路逐级传递到遥感器；3）定标数据的处理及应用（如图4所示）而一般定标精度主要取决于第一和第二部分。对于空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标来说，由于对定标空间及时间的限制因素较多，探测目标辐射信息较为特殊，第一部分需着重考虑定标源的可行性，第二部分则考虑定标链路的长度及各环节所带入的误差大小问题。同时，对待定标系统进行系统级定标时，需要尽量使得定标方法覆盖全光路、全工作波段、全口径、全视场、全动态范围等各个方面，这样才能得到对待定标系统整体性能的全面、综合评估。

图4 辐射定标流程图Fig.4 Radiometric calibration process

3.2 三种在轨辐射定标方法优缺点分析与比较

3.2.1 基于星上定标装置的方法优缺点分析

基于星上定标装置的定标，其优点在于能让焦面比较好地获得均匀的辐射而进行相对辐射定标，同时由于是星上内部装置，可以较好地安排及控制其工作时段及能量输出的量级，可以完成全动态范围内的辐射定标。实际上它已经是目前各种遥感器在轨辐射定标的主要手段之一。

基于星上定标装置的定标方法的缺点在于一般定标装置都安装在系统光路中或直接在焦面前，这样无法完成系统全光路定标，无法对系统的整体的响应不均匀性进行有效的评价。

该方法在目前空间红外点目标遥感探测系统在轨辐射定标方法中是唯一能产生覆盖整个焦面探测器均匀辐射的方法，故此种方法一般情况下多用于进行相对辐射定标。但实际上若能在定标时精确测量或计算出到达焦面的辐照度，此种方法也可用作绝对辐射定标。只不过一般只能对系统部分光路及焦面进行绝对辐射定标。

3.2.2 基于恒星源的方法优缺点分析

基于恒星源进行的绝对辐射定标，其优点在于整个定标链路相对简单，从而影响定标精度的误差源相对较少，定标源到系统入瞳处的能量的稳定性较高，同时定标进行的是全光路辐射定标，可以考察整个探测系统的稳定性。但对空间红外点目标遥感探测系统来说，利用恒星源进行辐射定标，最重要的意义在于恒星在一定程度上模拟了系统工作时对点目标探测的情形，从而使定标更接近于系统真实的工作状态。这使其具有相对于使用扩展源进行绝对辐射定标所无法比拟的优势。而具体说来，对于此种系统，如果不采用点源进行绝对辐射定标的话，由于点扩散函数PSF的影响，会使得点源在焦面上的成像不是一个点，而将是一个弥散斑，而弥散斑的大小与目标自身对系统的张角及PSF都相关。而目标对系统张角越小，PSF的影响相对就变得越大，从而其对探测性能的影响也就越大。而焦面上弥散斑大小及其相对于探测像元的位置（考虑到填充因子的影响）都有多种情况，这将对最后的定标结果产生重要的影响。所以利用恒星源进行定标时就可以采取一定的技术手段来定量分析及评估这些因素对定标结果影响，进而对定标结果进行更精确的修正，保证系统对红外点目标探测时能更精确地获得其辐射能量信息。

此方法的局限性在于对所选定的标准定标恒星，其光谱辐射特性的获知需建立在大量已有天文观测数据的基础之上，已有数据的精度很大程度上决定此种方法的定标精度。此外恒星在系统入瞳处的辐照度恒定，使得此种方法几乎不可能覆盖探测器的整个动态范围，并且只能实现局部探测像元的绝对辐射定标。要将绝对辐射定标扩展到所有像元上，则必须结合相对定标的结果。

3.2.3 基于参考球的方法优缺点分析

基于释放参考球进行的绝对辐射定标，由于参考球同卫星的距离以及参考球在空间中温度是不断变化（这种变化通过建立热平衡模型可以预知）的，所以其在系统入瞳处的辐照度也是变化的，这能有效的弥补利用恒星进行绝对辐射定标时不能覆盖探测器的整个动态范围的不足。如果参考球的制造工艺能保证在较高水平以及空间环境影响所产生的定标误差能限制得较好的话，使用参考球定标的谱段间定标精度要比使用恒星定标高。

同时，使用释放参考球进行在轨辐射定标的方法在工程实现上也是上述几种方法中难度最大的，所以至今为止实际应用的范例很少。若采用此种方法，首先要解决的关键问题是参考球释放出去以后的温度预估。这需要大量地球及太阳背景空间数据作为地面仿真输入，才能实现对参考球在轨释放后温度的实时预估。而这些数据需要通过大量的空间基础科学试验获得。其次是释放时参考球的指向控制及释放后探测系统将其捕获于视场中的指向控制问题。参考球释放后的温度预估同其空间轨道密切相关，所以在释放时就需精确控制其释放指向与初速度，然后计算出其空间运行轨迹，再依此控制探测系统的观测指向。这些需要卫星有很高的指向控制精度，工程实现起来难度较大。

3.2.4 三种方法优缺点比较

综上所述，适用于空间红外点目标遥感探测系统的三种在轨辐射定标方法优缺点比较如表2所示。

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4 结束语

本文在明确空间红外点目标遥感探测系统进行在轨辐射定标时同一般对地观测遥感器相比所存在区别及差异的基础之上，介绍了成功进行过在轨辐射定标的该类载荷所使用的辐射定标方法并加以分析。

从分析结果可以看出，只靠一种定标方法是很难满足所有辐射定标要求的。所以，在条件允许的情况下，应当采取多种方法进行在轨辐射定标（如图3所示），综合考虑定标结果，这样才能有效提高定标精度，提升整个遥感探测系统工作性能。

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