高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

徐伟伟，张黎明，李 鑫，司孝龙，杨宝云

(1.中国科学院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2.中国科学院 通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥230031)

引言

高分辨率卫星遥感影像可以更加精细地表达地物目标的空间结构与表层纹理特征，在自然资源调查、生态环境保护、应急响应管理等国民经济建设与国防安全方面具有非常广阔的应用前景[1]。随着遥感技术发展与定量化应用，遥感信息已从对地球形态形貌的识别发展到对地球多圈层物理参数的精细化定量遥感，能力的提升有赖于卫星全寿命期定标体系的支持，因此遥感器在轨期间的定标精度直接影响遥感数据的定量化应用水平[2-3]。

光学遥感卫星发射前在实验室都进行过最严格、最全面的定标与性能检测，但由于发射过程中震动与加速度、在轨应力释放与排污、空间环境、探测器衰变等因素，都会使得其性能发生不同程度衰变，有必要在运行期间进行定标。没有高精度定标将使同一卫星(星座)或不同卫星所获遥感数据无法相互比较，不能依据长时间序列卫星遥感数据进行动态监测等应用，高频次、高精度、业务化的在轨定标应贯穿于卫星全寿命期[4-7]。基于积分球(标准灯)光源或太阳漫射板的星上定标都是将实验室辐射基准作为参考，尚需溯源于国际单位，且对卫星发射过程中的冲击和加速度等没有有效的监测手段。基于辐射校正场的反射率基法或辐照度基法等替代定标是一种单点(辐亮度)定标方法，需要传感器暗电流(或冷空观测)相配合，因此遥感器响应线性(或动态范围)与场地反射率对基于辐射校正场的定标精度影响很大，例如敦煌场目前在轨定标精度约5%～8%，且难以实现光学遥感卫星全动态定标[8-14]。针对近年快速发展的高分辨率光学遥感卫星(星座)，美国亚利桑那大学与国内安徽光学精密机械研究所等科研机构以多反射率灰阶靶标代替辐射校正场，采用辐射传输计算为核心的反射率基法，实现了星载光学遥感器全动态定标[15-18]。与此同时，国内外科研机构也在开展基于小目标的高分辨率光学遥感卫星在轨像质评价方法，实现了调制传递函数检测[19-22]，因此提出高分辨率光学遥感卫星基于小目标的在轨辐射定标方法，以期提升高分辨率光学遥感卫星在轨定标精度。

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标以“小”而“亮”的反射点源作为参照目标，以地面实际测量代替气溶胶散射，并有效分离小目标辐射响应与程辐射、地气耦合等背景辐射，实现遥感器高精度的全动态定标。在介绍反射点源小目标法定标原理基础上，利用在轨试验获取的小目标遥感影像，对其数据处理方法与结果进行了分析讨论。

1 基本原理

对地观测卫星遥感需要透过大气层来观测目标，大气的自身辐射及其对电磁辐射的散射、吸收、反射等都会对遥感器入瞳辐亮度产生影响，如图1所示，是太阳辐射、大气、地面目标间相互作用的结果。在假定平面平行大气条件下，对于非均一目标(小目标)，遥感器在太阳反射波段的入瞳辐亮度主要由程辐射、小目标反射辐射和地-气耦合三部分组成。

图1 太阳辐射、大气、小目标相互作用示意图Fig.1 Schematic diagram of solar radiation, atmosphere and small target

小目标法在轨辐射定标是以反射点源作为参照目标，空间尺度远小于遥感器空间分辨率，反射太阳辐射强度位于遥感器动态范围内。光线追迹分析计算，光学遥感卫星可接收的反射光斑仅为反射镜小目标上尺度为厘米量级的一小区域，相对米量级分辨率的遥感器来说，可作为小目标或点目标。根据能量守恒定律，太阳辐射经反射点源小目标反射至光学遥感卫星入瞳的等效辐亮度：

(1)

式中：DGSD是卫星地面像元分辨率；R是反射点源小目标曲率；ρ是小目标镜面反射率；Es是太阳光谱辐照度；Ts是太阳-小目标路径大气透过率；Tv是小目标-卫星路径大气透过率。

小目标布设场区背景反射率均匀且为常数，则地面总照度保持不变，故在同一大气环境条件下，大气程辐射与地-气耦合是常量，因此高分辨遥感卫星在太阳反射波段的入瞳辐亮度可表示为

(2)

式中：Lα是大气程辐射；Lα-g是地-气耦合辐射。

入瞳辐亮度不仅与小目标曲率、镜面反射率有关，还与大气透过率及遥感器地面分辨率等有关。小目标法定标仅需要大气光学特性的现场同步测试，小目标性能参数可在实验室高精度检测，尤其是不需要进行目标反射率的现场跑点测试，大大简化了卫星过顶时刻的现场同步观测而提高效率，有望实现无人值守的自动化定标。

基于遥感卫星的恒星观测与小目标法在轨像质评价[19-20,22]，结合广泛应用于遥感的光电成像系统组成分析，由于遥感器系统自身的点扩散，其对反射点源小目标的辐射响应将扩散在探测器焦平面的一定区域。将程辐射与地-气耦合合并，故基于小目标的光学遥感卫星在轨辐射定标方程可表示为

(3)

根据光学遥感卫星小目标法辐射定标方程，带入实验室与现场测试数据和简化辐射传输计算的大气透过率得遥感器入瞳等效辐亮度，结合小目标遥感影像数据经系统点扩散函数(point spread function，PSF)检测来分离小目标反射辐射响应与程辐射、地-气耦合及暗电流等背景辐射响应，进而获取在轨绝对辐射定标系数。

2 试验与数据处理

高分辨率光学遥感卫星基于小目标的在轨辐射定标，如图2所示，在某地布设了4×4阵列反射点源小目标，并于卫星过顶当天同步采集场区的大气光学特性与气象参数等信息。小目标主要由反射镜、太阳观察器、经纬仪等组成，优化设计的反射镜能够反射适量的太阳辐射以与遥感器动态范围相匹配；太阳观察器通过连续太阳观测实现对小目标的角度定标；经纬仪根据轨道预报参数实现太阳-小目标-卫星三者间光路自动匹配，以将过顶时刻的入射太阳光反射至卫星入瞳形成点激冲辐射，便于光学遥感卫星成像。

图2 2015年在轨检测试验小目标及影像Fig.2 Small target and image of on-orbit estimation experience in 2015

2.1 地面测试数据

小目标法可将目标反射率跑点测量转换为实验室高精度检测，镜面反射率优于80%，在可见-近红外波段范围内光谱平坦，如图3所示。太阳光度计CE-318同步观测的地面太阳直射辐射反演得大气光学厚度，并以辐射传输计算的高光谱透过率逼近测量数据，如图3所示，以获取太阳入射路径透过率，进而改变观测几何计算卫星观测路径透过率。

图3 地面准同步测试数据Fig.3 Ground quasi-synchronous measuring data

2.2 系统PSF检测

基于场区布设的4×4阵列小目标可进行光学遥感卫星的在轨PSF检测，根据点扩散函数定义，结合点源法MTF检测方法研究与光学遥感成像系统组成分析[21]，近似采用参数化高斯模型来检测每个小目标响应峰值位置，以对小目标阵列响应进行位置配准获取遥感器点扩散廓线，进而通过模型拟合求得系统PSF，如图4所示，确定半最大值全宽以表征遥感器模糊宽度，分离小目标反射辐射响应与程辐射、地-气耦合及暗电流等背景辐射响应信号，统计分析小目标辐射响应。若对系统PSF做傅里叶变换取模并归一化处理，可得调制传递函数，以评估遥感器成像质量与遥感图像辐射质量。

图4 系统点扩散函数Fig.4 System’s point spread function

2.3 小目标响应值

根据小目标法在轨辐射定标原理，同一大气背景环境条件，程辐射与地-气耦合辐射即背景辐射信号为常量。结合光学遥感卫星传感器成像系统PSF检测，可将小目标遥感影像响应值分离为点源小目标的反射辐射响应值与背景辐射响应值两部分，如图5所示，小目标响应值可通过统计分析获取。同时基于遥感器接收合适光通量以与其动态范围相匹配及能量守恒，小目标反射至光学遥感卫星入瞳的辐射能量将扩散在其探测器焦平面内的一定区域，即由系统PSF特性所决定，因此将遥感影像中小目标响应统计值扣除背景辐射响应值，即可得与小目标反射至遥感器入瞳辐亮度相对应的响应统计值。

图5 小目标响应值提取Fig.5 Small target’s response extraction

2.4 辐射定标系数

将实验室测量的小目标反射率，现场测量的场区大气透过率等信息，及反射镜曲率与遥感器地面像元分辨率等参数，代入(1)式得小目标反射至卫星的入瞳辐亮度，并将其对光谱响应函数归一化处理得入瞳等效辐亮度。进而根据小目标法在轨定标方程(3)，如表1所示，将等效辐亮度与第2.3节获得的小目标响应值相比较得在轨绝对辐射定标系数。

表1 定标系数比较Table 1 Comparison of calibration coefficient

3 分析讨论

基于小目标的高分辨率光学遥感卫星在轨辐射定标以反射点源作为参照目标，与月亮定标法相似，通过点源小目标反射太阳光至遥感器入瞳形成点激冲辐射，对其辐射响应进行检测。小目标法将目标反射率的跑点测量转换为实验室高精度检测，提高反射率测量精度；通过大气特性参数同步观测代替气溶胶散射特性，提高光学厚度反演精度；通过系统PSF检测将小目标辐射与背景辐射响应分离，以期提高光学遥感卫星定标精度。小目标法定标结果与辐射校正场或灰阶靶标法定标结果相比较，验证小目标法定标的有效性，并分析讨论其精度。

3.1 定标系数比较

光学遥感卫星基于辐射校正场定标的反射率基法，通过地面同步或准同步的目标反射率与大气光学特性参数测量，辐射传输计算得遥感器入瞳辐亮度，进而与影像响应值比较得定标系数[5,14]。灰阶靶标法是在(半程)辐照度基法的基础上，以大气光学厚度与漫射辐射/总辐射比的实际测量代替气溶胶散射特性假设，通过灰阶靶标与其响应值的线性回归来扣除背景辐射(程辐射、地气耦合与环境及暗电流等)影响，得灰阶靶标反射至遥感器入瞳辐亮度相应的响应值，进而求得定标系数[15,17-18,23]，如表1所示，遥感器定标系数差异3.65%，一致性较好，验证了小目标法定标的可行性与有效性。

3.2 不确定度分析

小目标法定标不确定度主要由小目标反射率、大气光学特性、遥感器性能参数等组成。其中，镜面反射率可在实验室高精度测量，不确定度优于2%；太阳光度计测量并反演光学厚度误差约1%，在可见近红外波段辐射传输计算的高光谱大气透过率逼近测量的通道透过率时引入误差约1%；以4×4小目标阵列检测遥感器PSF，已分离小目标与背景辐射响应，求得小目标响应统计值的数值分析误差约1%；如表2所示，基于小目标的在轨定标不确定度优于3%。为进一步提高定标精度，可在遥感器动态范围内设置不同亮度等级的小目标，形成宽动态目标参照，通过线性回归法提取小目标响应统计值，进而实现光学遥感卫星全动态范围的高精度定标。

表2 不确定度分析 %Table 2 Uncertainty analysis

3.3 在轨定标拓展

小目标法在轨定标以反射点源作为检测参照，具有良好的光谱平坦性与均匀一致性，在太阳反射、中红外及热红外波段反射率均优于80%，初步反射能量估算，优化设计的小目标可在全谱段(太阳反射至中红外及热红外)范围反射适量的光通量以与光学遥感卫星动态范围相匹配，并可设置多个反射能量梯度的小目标，有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星全动态范围定标。利用小目标阵列提取响应值时所进行的遥感器PSF检测结果，经傅里叶变换取模并归一化得调制传递函数，可评估光学遥感卫星图像质量与辐射质量等性能。其中高精度峰值位置检测方法使得反射点源小目标在高分辨率光学遥感卫星的几何检校方面作为地面控制点[22]，在遥感器的幅宽范围内网络化布设并结合位置检测算法，有望提高光学遥感卫星的几何检校精度。

4 结论

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标，将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量，以地面同步(准同步)实际测量代替气溶胶散射特性，利用系统PSF检测将小目标辐射与背景(程辐射、地-气耦合、环境、暗电流等)辐射响应分离，提高反射率测量与大气参数反演精度，降低场区背景环境要求，实现不确定度优于3%的在轨定标精度。试验结果分析表明，小目标法在轨辐射定标结果与辐射校正场或灰阶靶标法定标结果差异3.65%，具有较好的一致性。为进一步提高定标精度，可在遥感器的动态范围内设置多种反射能量梯度等级的小目标阵列，线性回归法提取与小目标反射至遥感器入瞳辐亮度相对应的影像响应值。相对辐射校正场或灰阶靶标法，小目标法有望在全谱段范围内实现高分辨率光学遥感卫星的全动态范围定标与几何检校，综合评估遥感影像辐射与几何质量。