环境减灾二号A/B卫星大气校正仪设计与验证

邹鹏 宋茂新 刘振海 凌明椿 孙真 洪津

(中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,合肥 230031)

环境减灾一号A/B卫星是我国环境与灾害监测预报专用卫星星座，自2008年9月入轨以来为我国环境保护、灾害监测及其他行业提供了大量的遥感数据信息[1-4]。环境减灾二号A/B卫星是环境减灾一号A/B卫星的继任卫星，由2颗技术状态完全一致的卫星组成，于2020年9月27日以“一箭双星”的形式发射升空。每颗卫星上均装载了16 m相机、高光谱成像仪、红外相机及大气校正仪共4个有效载荷，具备较强的多光谱、高光谱及高分辨率的对地遥感成像能力。环境减灾二号A/B卫星可对灾害、生态破坏及环境污染等进行大范围、全天候的动态监测，有效提升灾害和环境信息获取能力，满足我国防灾减灾、环境保护等重大应用需求。

随着空间遥感技术的发展，高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率及大幅宽的高性能光学遥感器不断涌现，为获取高质量的遥感图像数据奠定了基础。但是，由于遥感器在对地观测中受到大气分子、气溶胶和云等大气成分吸收和散射的影响，遥感图像的可利用性偏低。以高精度的大气气溶胶光学参数为基础，进行精确大气校正可有效提升遥感图像质量，尤其是基于同平台或者同星座的大气参数同步探测，对提升卫星对地遥感定量化精度具有重要意义[5-6]。国内外均开展了大气同步校正技术的研究工作，例如：搭载于日本温室气体观测卫星(GOSAT)的云-气溶胶传感器(TANSO-CAI)，用于温室气体观测传感器(TANSO-FTS)气溶胶参数的探测和校正[7]；搭载于美国地球观测-1(EO-1)卫星的大气校正仪(LAC)，用于陆地卫星-7(Landsat-7)水汽影响的校正[8]；我国研制的双角度偏振大气校正仪，利用辐射传输模型进行卫星遥感数据的高精度大气校正[9]。

按照测量原理，偏振探测技术可分为时序测量技术和同时测量技术。时序测量通过在待测光路中引入起偏和相位延迟器件，调制光强以求得斯托克斯参量。其优点在于容易使用同一探测系统完成探测，主要适用于状态稳定或变化缓慢的辐射光。同时测量采用波前分割或振幅分割的方法，将待测光分为若干分立小光源多道探测，同时完成对某一瞬时的各斯托克斯参量。其优点在于针对变化目标可获得较高的偏振探测精度。根据应用目标特点，环境减灾二号A/B卫星所装载的大气校正仪采用同时偏振测量方案，通过穿轨扫描的工作方式，同步获取搭载于同卫星平台的16 m相机成像区域上空的大气参数，完成相机图像数据产品的大气校正，有效提升图像质量。本文介绍了大气校正仪探测原理及系统构成、性能测试及定标结果，并展示了在轨应用结果。

1 大气校正仪工作原理及系统构成

1.1 工作原理及技术指标

大气校正仪利用分孔径与分振幅结合的同时偏振测量方法，其偏振测量原理如图1所示。目标信号经反射镜被望远系统准直入射到渥拉斯顿棱镜后，分解为2束振动方向垂直的线偏振光，经聚焦透镜聚焦于2个像点。大气校正仪采用2路完全相同的光路，渥拉斯顿棱镜方位互成45°，获得4个不同振动方向的线偏振光，通过测量4束线偏振光的光强，根据Stokes矢量测量的Pickering公式即可解析目标的偏振信息[10]。

图1 大气校正仪偏振测量原理Fig.1 Principle of polarization measurement of PSAC

大气校正仪主要技术参数如表1所示。

表1 大气校正仪主要技术参数Table 1 Main technical parameters of PSAC

1.2 系统构成及工作模式

大气校正仪系统构成如图2所示，共有3个单机，分别为主体、信息处理箱和驱动控制箱，单机实物如图3和图4所示。主体用于信息获取、光电转换及数据同步采集量化。信息处理箱与星务进行通信，完成大气校正仪在轨工作流程控制、接收主体发送的科学数据并按照空间数据系统咨询委员会(CCSDS)标准打包上传至卫星数传分系统。驱动控制箱包含热控单元、探测器温控单元及电机驱动单元，分别用于大气校正仪主体各部件热控、红外探测器的精密温控及扫描电机的驱动控制。

注：LVDS为低电压差分信号。图2 大气校正仪系统构成Fig.2 System composition of PSAC

大气校正仪在轨共有3种工作模式，分别为观测模式、定标模式及待机模式。观测模式用于对地穿轨扫描，可进行65.0°±0.5°范围内的低空间分辨率多光谱偏振观测。定标模式用于大气校正仪在轨辐射定标，监测并修正大气校正仪探测系统在轨绝对辐射响应系数的变化。当执行辐射定标动作时，卫星平台偏航至特定角度，保证太阳光有效入射至漫反射板。为节省整星能源，大气校正仪阴影区进入待机模式，仅信息处理箱、热控单元处于工作状态，保证各组件处于目标温度范围内，其余单元模块处于关机状态。

图3 大气校正仪主体Fig.3 Principal part of PSAC

图4 大气校正仪电子学控制单机Fig.4 Electronic control box of PSAC

2 性能测试及定标

大气校正仪信噪比、辐射定标精度及偏振测量精度是影响在轨信息获取及大气参数反演精度的重要指标，在其发射前在实验室内进行了充分的测试。

2.1 信噪比

大气校正仪信噪比采用积分球光源测试完成，通过积分球内置氙灯和卤素灯的组合近似模拟太阳光谱，通过可变光阑实现积分球辐射亮度连续调节，从而覆盖大气校正仪光谱谱段及动态范围，测试示意如图5所示。测试过程中，正对积分球光源连续采样，通过各通道连续采样的标准偏差和均值之比计算大气校正仪的信噪比。

计算信号平均值、噪声值及信噪比如下。

(1)

(2)

式中：ΔY(λ)为噪声。

(3)

式中：S为测量信噪比。

由于测试用积分球光源不能覆盖大气校正仪所有通道的指标辐亮度，部分通道指标辐亮度条件下的等效信噪比为

(4)

式中：Sr为指标辐亮度条件下的信噪比；St为测试辐亮度条件下的信噪比；Lr为指标要求条件下的辐亮度；Lt为测试条件下的辐亮度。

图5 信噪比测试示意Fig.5 Schematic diagram of signal to noise ratio test

图6给出了大气校正仪信噪比测试结果。在太阳高度角30°和表观反照率0.03条件下，环境减灾二号A/B卫星的大气校正仪信噪比分别优于33.0 dB和32.2 dB；在太阳高度角70°和表观反照率0.65条件下，大气校正仪信噪比分别优于57.2 dB和57.5 dB，均满足研制指标要求。

图6 大气校正仪信噪比测试结果Fig.6 Signal to noise ratio test results for PSAC

2.2 辐射定标精度

遥感器绝对辐射定标不确定度误差来源主要包括辐射标准溯源误差、辐射标准传递误差和遥感器自身测量误差。大气校正仪采取标准积分球进行绝对辐射定标，其量值可溯源至美国国家标准局(NIST)，可见光近红外(VNIR)谱段不确定度优于3%，短波红外(SWIR)谱段不确定度优于5%。通过对大气校正仪响应线性度、稳定性的测量，综合评定绝对辐射定标的联合不确定度。

大气校正仪绝对辐射定标、响应非线性测量同时进行。调节积分球输出不同能级辐亮度，大气校正仪和参考探测器同步多次采样并取平均值，大气校正仪响应线性值计算见式(5)。

(5)

式中：Nl(λ)为波长为λ的谱段的响应非线性系数；R(λ)为大气校正仪波长为λ的谱段的响应值与辐亮度等级参数线性拟合的残差标准差；Y(λ)为遥感器波长为λ的谱段的响应平均值。

调节积分球输出至大气校正仪1/2动态范围，大气校正仪连续进行采样，通过该采样序列的相对标准偏差评估大气校正仪稳定性，见式(6)。

Ns(λ)=

(6)

式中：Ns(λ)为规定时间段内大气校正仪谱段(波长λ)的非稳定性；Y(λ,t)为t次时间测量中谱段(波长λ)的大气校正仪输出信号；T为总测量时间次数。

大气校正仪绝对定标精度为

(7)

式中：Nc为定标源的不确定度。

大气校正仪实验室绝对辐射定标结果如图7所示。环境减灾二号A/B卫星大气校正仪的辐射定标合成不确定分别优于4.32%和4.37%，满足7%的绝对辐射定标精度指标要求。

图7 大气校正仪辐射定标合成不确定度Fig.7 Uncertainty of radiometric calibration synthesis for PSAC

2.3 偏振测量精度

大气校正仪偏振测量精度的评估方法为：使用可调偏振度光源产生已知偏振度的偏振光，将偏振探测仪测试获得的偏振度与入射光的偏振度参考值进行比较，以获取偏振探测精度。偏振精度测试示意见图8，由积分球光源与扰偏器、玻片堆和3自由度精密转动驱动机构组成，三者光轴重合。积分球光源和扰偏器提供均匀的非偏光，通过调节玻片堆的玻片角度得到不同已知偏振度的出射偏振光。

图8 偏振精度测试示意Fig.8 Schematic diagram of polarization accuracy test

偏振探测仪每个工作谱段都对应4个偏振通道(a=1，2，3，4)，对斯托克斯参量(Q,U)的偏振测量模型如式(8)所示。

(8)

式中：I，Q，U为测得的目标偏振分量信息；α1，α2为地面标定的大气校正仪消光定标系数；K1为0°和90°偏振方向测量通道的去本底后的信号之比；K2为45°和135°偏振方向测量通道的去本底后的信号之比；qinst，uinst为大气校正仪自身残余偏振定标系数，通过仪器自身定标器数据解算；S0，S45，S90，S135为大气校正仪同一谱段4个探测通道经过数据预处理后的响应值。

根据式(8)可以得到测量的入射光束的偏振度测量值为

(9)

偏振度测量值PM与参考值PC的绝对偏差为

ΔP=|PM-PC|

(10)

分别在玻片角度为0.0°，22.3°，28.3°，45.0°，59.0°条件下测试大气校正仪各谱段偏振度与参考偏振度偏差，以最大偏差值作为该通道偏振度测量精度评估结果。如图9所示，环境减灾二号A/B卫星大气校正仪实验室偏振测量精度均满足优于0.005(偏振度为0.2)的指标要求。

图9 大气校正仪偏振精度测试结果Fig.9 PSAC polarization accuracy test results

3 在轨测试

根据大气校正仪在轨观测数据，生成L2级产品(气溶胶光学厚度和水汽柱含量等大气参数)，以此为基础依次经历观测区域匹配、云识别、大气辐射校正及临近效应校正后，获得校正后的图像，即地表反射率图像。选取2021年12月21日环境减灾二号A卫星16 m相机拍摄的咸宁市及周围地区的多光谱图像进行大气校正效果验证，图10展示了大气校正前后对比。经校正后，图像目视效果得到改善，图像更加清晰，有效去除了大气对图像的影响，图像质量明显提升。

图10 大气校正前后图像对比Fig.10 Comparison of images before and after correction

4 结束语

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪采用分孔径、分振幅的同时偏振测量技术，高精度获取地物目标的光谱、偏振信息并反演气溶胶、水汽等大气参数，在此基础上开展对16 m相机的图像校正，得到更为清晰的地表图像。自2020年9月入轨工作以来，大气校正仪各项功能、性能指标均达到了预期研制目标，并在轨业务化开展了遥感图像数据的大气校正工作。后续将根据长期在轨测试及反演结果，综合优化在轨数据处理流程及校正算法，进一步提升大气校正精度，有效提升图像质量及卫星的综合应用效果，为提升我国防灾减灾、环境监测业务化能力起到积极的作用。