风云三号A星中分辨率光谱成像仪反射太阳波段的多场地定标跟踪

搭载于中国第二代极轨气象卫星FY-3A上的中分辨率光谱成像仪（MERSI）是一个类似于MODIS的传感器，具有19个反射太阳波段和一个热红外波段。尽管MERSI配备了可见光星上定标试验设备，但是其只能用于仪器响应的衰减追踪。每年一次的敦煌场地替代定标一直是MERSI反射太阳波段在轨绝对辐射定标的主要方法。为了提高在轨定标频次，提出了多场地辐射定标跟踪方法。该方法依赖于多个稳定目标场的大气顶模拟辐射，并基于定标系数时间序列的趋势分析建立了定标日更新模型。以Aqua MODIS观测值为参考，对MERSI的定标基准进行了评估，两者的平均相对偏差在5%以内（0.4～2.1μm）。研究发现：MERSI的短波部分衰减显著，特别是412nm波段，年衰减率达9.7%；红光和近红外波段相对稳定，年衰减率在±1%以内。采用多种方法分析了MERSI定标结果的可靠性。多场地定标和敦煌场年度替代定标结果间的相对偏差小于3.8%。以Aqua MODIS为参考对定标后的MERSI数据进行了辐射质量监测，双差分析表明在辐射稳定的沙漠地区，两者的平均相对偏差约在5%之内；同时星下点观测分析也显示出良好的一致性。

FY-3/中分辨率光谱成像仪星上黑体的在轨太阳污染模拟与抑制

对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施。模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化。最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证。结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果。另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度。

FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道采取40探元跨轨并行扫描方式,针对其辐射定标要比传统单元探测器的辐射定标复杂的问题,研究了MERSI红外通道的多探元辐射定标方法。首先,基于星上黑体观测进行逐探元的辐射定标处理,消除探元辐射响应差异条纹;然后,利用各探元与基准探元光谱响应对不同温度黑体光谱辐亮度建立比值关系,基于其随着辐亮度呈非线性变化的关系,对逐探元定标后图像进行探元光谱差异的辐亮度归一化补偿,从辐射机理上最大限度地消除图像条纹,实现了多探元观测目标辐射信号的光谱响应差异归一化。为了验证MERSI红外通道辐射定标精度,文中还利用同时过星下点观测(SNO)交叉定标方法,将MERSI定标结果与美国Terra中分辨率成像光谱仪(MODIS)定标结果进行比对,结果显示,相对于后者,MERSI的红外通道亮温高1K左右,认为这可能与两者的通道带宽不同有关。

基于多种亮度稳定目标的FY-3C/中分辨率光谱成像仪的反射太阳波段辐射定标

分析研究了风云-3C中分辨率光谱成像仪（FY-3C/MERSI）发射一年以来反射太阳波段的辐射定标精度,利用位于全球范围内的沙漠、盐湖等12种亮度稳定目标,结合中分辨率成像光谱仪（MODIS）的地表和大气参数产品和大气辐射传输模型,计算出了卫星过境时刻入瞳处的波段反射率,并将其作为在轨绝对辐射定标精度检验的参考真值,对2014年1月~10月期间,FY-3C/MERSI反射太阳波段的辐射定标精度进行了验证分析。结果表明,FY-3C/MERSI大部分波段在高低端的定标精度大小不一致。有些波段明显呈现高端定标偏差大,低端定标偏差小的特点;有些波段呈现高、低端定标偏差大,中间低的特点。在仪器发射一年以来,波段1~4,9~11,15~16和波段19仍能保持5%的定标精度。各波段定标精度的时间变化表明：在整个研究时期内,除蓝光波段和水汽吸收波段,其他波段的定标精度变化幅度基本在5%以内。实验结果显示：使用沙漠及盐湖等多种亮度稳定目标,有效地掌握了更宽动态范围内FY-3C/MERSI的辐射定标精度情况。

FY-3A中分辨率光谱成像仪红外通道辐射定标的场地评估

对比分析了基于场地观测数据模拟的和FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道星上定标观测卫星入瞳亮温值。主要的场地观测数据来自于2008、2009年青海湖以及2010年敦煌外场同步观测和2008、2009年青海湖浮标观测。利用光学仪器的同步观测数据共有7组有效结果,两年的青海湖有效浮标数据一共18组。通过对比分析发现,MERSI观测结果基本都在夜间低于浮标同步观测结果,而白天偏高。综合与场地同步和浮标的对比结果发现,MERSI星上定标观测亮温值系统性偏高于基于场地观测数据模拟的亮温值,平均偏高1.72±1.18 K。MERSI星上定标观测亮温值的系统性偏高可能主要由星上黑体发射率未经过修正引起。

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪和扫描辐射计11μm红外窗区通道的比较

在中国新一代气象卫星风云三号搭载的遥感器中,不同遥感器设有相近的通道.针对扫描辐射计(VIRR)第四通道(波段范围10.3～11.3μm)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)第五通道(中心波长11.25μm),应用精确的逐线辐射传输模式(LBLRTM)模拟计算了红外波段8～14μm大气顶向外出射的光谱辐射率,大气廓线采用ECMWF再分析产生的具有代表性的全球52条大气廓线数据集.结合上述两个通道的光谱响应函数,计算了卫星接收到的大气顶出射辐射,从理论上分析了两个通道观测亮温之间的关系.应用2008年9月青海湖辐射校正场FY-3实际观测数据,检验了两个通道的关系.比较结果表明:LBLRTM模拟计算得到的MERSI和VIRR两个红外窗区通道的亮温有较好的一致性和线性关系,MERSI稍低于VIRR,偏差随温度的升高而线性增加.实际观测数据受诸多因素的影响,通道对比结果与理论模拟有一定的差异,VIRR观测亮温低于MERSI.结合MODIS的观测数据,分别与两个通道的观测结果进行了对比,确认了VIRR可能较低地估计了温度,MERSI与MODIS的符合程度在温度探测的绝对精度范围之内.该研究结果有助于评价MERSI和VIRR两个红外相似通道观测结果的异同性.

FY-3B/C中分辨率光谱成像仪在轨初期传递函数的评价和比较

针对极轨气象卫星的特点,提出了利用极地冰雪目标进行风云(FY)卫星中分辨率光谱成像仪(MERSI)传递函数(MTF)测试的刃边方法。该方法沿着冰雪和海洋之间的边缘进行取样,然后将获得的点扩展函数经过傅里叶变换得到最后Nyquist频率点处的MTF值。该方法能够应用于绝大多数MERSI通道。MTF测试结果表明:在轨初期,FY-3B/C-MERSI图像在卫星飞行方向的MTF结果都在0.31左右,图像质量较高,能够满足设计指标。但两颗卫星的MERSI传感器图像空间频率特性沿扫描方向都不是很好,1 000m分辨率的FY-3C图像测试结果集中在0.12左右,FY-3B集中在0.10左右,且FY-3C星结果系统偏高于B星,B星250m分辨率的测试结果只有0.07。分析认为导致这种图像频率特征质量在扫描方向严重下降的主要原因是设计MERSI时为保证信噪比保留的像元重叠扫描,建议在下一代FY-3号气象卫星设计时考虑这种重叠扫描的处理。

风云三号A星中分辨率光谱成像仪反射太阳波段辐射定标

中分辨率光谱成像仪(MERSI)是搭载在我国第二代极轨气象卫星风云三号(FY-3)上的一个主要仪器。总结了MERSI在仪器设计、定标算法、发射前及在轨性能以及仪器性能验证等方面的信息。针对MERISI可见光星上定标器(VOC)的跟踪监测发现,在过去两年,它的太阳反射波段(RSBs)发生了显著的衰减,特别是较短波长通道(<500nm)衰减量超过10%,最大衰减发生在第8波段,约20%。但波长较长通道的性能相对稳定,衰减量小于5%。两个短波红外通道电子增益出现随机跃动,导致发射后的定标系数存在频繁波动。以上结果与其他两种替代定标方法相比(即中国遥感卫星辐射校正场定标,简称场地定标和基于Terra/MODIS敦煌沙漠场景交叉定标),结论一致。MERSI针对大气顶辐射亮度或反射率定标的总不确定度小于5%。定标结果为FY-3A/MERSI定标系数的更新提供了重要的参考和评估。

风云三号B星中分辨率光谱成像仪响应衰变分析

搭载于风云三号B星（FY-3B）的中分辨率光谱成像仪（MERSI）安装了由积分球和监视探测器组成的太阳反射通道星上定标器。分析了2010年11月13日至2013年4月11日期间的星上定标数据,评估了FY-3B星上定标器和MERSI的响应衰变情况。结果表明,星上定标器的输出和MERSI的响应均存在衰变,且衰变程度与波长有关。除星上定标器除通道1（470 nm）年衰变率超过7.0%外,其余通道年衰变率小于5.0%。MERSI 470～565 nm等短波通道衰变较大,年衰变率超过10.0%;长波通道衰变较小,年衰变率小于4.0%。

FY-3A中分辨率光谱成像仪图像地理定位方法

风云三号A星(FY-3A)中分辨率光谱成像仪(MERSI)采用45°镜旋转扫描,形成垂直于卫星飞行轨迹的360°连续圆周扫描方式,多元探测器并扫的技术。该研究依据这种扫描特性,给出了适用于FY3A MERSI遥感图像地理定位的方法;定义了完善的坐标系及坐标系转换关系,根据MERSI观测几何、卫星空间位置和姿态、仪器空间位置和指向建立了探测器像元观测矢量与地面位置之间关系的模型;通过地形校正消除地形起伏带来的定位误差;在FY 3A地面应用系统中业务运行的同时,通过一定数量的地面控制点分析,将定位误差等效为遥感仪器安装误差,修正了MERSI的仪器指向角度。实验结果表明,使用该方法对MERSI遥感图像地理定位精度达到250 m像元级,满足MERSI图像的高精度定位要求。

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪结构仿真分析

用ANSYS软件仿真分析了风云三号（FY-3）气象卫星中分辨率光谱成像仪的结构。根据建立的成像仪有限元模型,进行了静力学、模态和谱分析,给出了X、Y、Z向加速度载荷下消旋机构的应力和变形、1-20阶模态频率,以及各向正弦振动谱作用下各部件的应力和变形。结果表明：有限元法与实验数据基本吻合,可用于成像仪设计的优化。

FY-3B卫星中分辨率光谱成像仪可见光星上定标系统辐射性能稳定性分析

风云三号B星(FY-3B)中分辨率光谱成像仪(MERSI)可见光星上定标(VOC)系统辐射性能随时间衰减变化,使其难以用于MERSI的在轨绝对辐射定标。本文提出一种确定VOC辐射性能衰减变化的新方法,该方法在探究太阳光定标时机与太阳天顶角和方位角依赖关系的基础上,分析MERSI相对辐射响应衰减变化的趋势;利用高质量的MODIS数据构建大气层顶双向反射分布函数模型,对MERSI约10年的在轨有效数据进行交叉定标处理,获取MERSI绝对辐射响应衰减变化趋势;将二者归一化后的差值作为VOC系统辐射性能的衰减变化值。结果表明:VOC系统辐射性能在发射初期衰减率较大,后期衰减趋势趋于平稳,且衰减率与波长相关;在发射初期,短波波长(<500 nm)处的最大年衰减率达到了49.51%,长波波长(800~1000 nm)处的衰减率相对较小,最大年衰减率均小于26%;在发射后期,除412 nm外(衰减率为1.91%),其余波长处年衰减率均小于0.64%。自仪器发射以来,基于本方法获得的VOC衰减数据与VOC监视数据之间的百分误差均小于15%。本文提出的VOC系统稳定性分析方法可为实现MERSI星上绝对辐射定标提供重要的参考。

基于风云三号G星/中分辨率光谱成像仪-降水型近红外通道数据的大气可降水量反演

中分辨率光谱成像仪-降水型(MERSI-RM)是中国首颗低倾角轨道气象卫星风云三号G星(FY-3G)的主要载荷之一。FY-3G的过境时间与FY-3D和Terra等大多数极轨气象卫星存在明显差异,基于FY-3G/MERSI-RM开发的大气可降水量(PWV)数据对于天气系统等研究具有重要意义。然而,目前尚缺乏可获取的MERSI-RM PWV数据。为填补这一空白,本文面向MERSI-RM开发了一套半经验PWV反演算法。该算法首先对MERSI-RM数据和地基PWV数据进行时空匹配,继而基于东半球的匹配结果完成水汽反演模型的构建。该算法仅通过一个简单的公式就可以实现水汽反演,具有极高的反演效率。基于西半球地基数据的验证结果显示,使用半经验反演算法开发的MERSI-RM PWV数据的均方根误差和相对误差分别为0.20 cm和0.10。与基于常用的辐射传输模型算法开发的MERSI-RM PWV数据相比,使用本文提出的半经验PWV反演算法开发的MERSI-RM PWV数据,误差至少减小了33%;与当前被广泛使用的Terra/中分辨率成像光谱仪(MODIS)官方PWV数据(MOD05)相比,误差至少减小了65%。上述结果表明,本文面向MERSI-RM开发的PWV反演算法具有较高的反演精度。为对半经验反演算法进行更加全面的评估,并提供更多的建模方法选择,本文还测试了基于随机分配数据构建的PWV反演模型。使用地基数据的验证结果显示,基于上述两种方法构建的PWV反演模型的反演精度的差别可忽略不计。实际应用时,用户可对上述建模方法进行自由选择。

基于动态去除蝴蝶结的中分辨率气象卫星影像匹配研究

气象卫星双星立体像对同名像点的匹配技术是将遥感影像的数字摄影测量技术引入气象气候研究、建立气象信息三维立体模型的关键技术。根据中分辨率气象卫星遥感影像的成像原理和规律,提出一种新的基于动态去除蝴蝶结的方法。结合相关系数和松弛法的思想,对AQUA/MODIS和FY3B/MERSI中分辨率气象卫星遥感影像进行匹配,采用对比和误差分析等分析方法对匹配结果做了多方面的考察。结果表明:相关系数匹配、统计学和曲线拟合三者相结合的方法对去除蝴蝶结效应十分有效。加入动态去除蝴蝶结的匹配效果要远远好于未加入动态去除蝴蝶结的匹配效果。基于动态去除蝴蝶结的改进算法结合了相关系数和松弛法的匹配思想,适用于AQUA/MODIS和FY3B/MERSI中分辨率遥感影像,可以为后续在不丢失卫星成像参数的情况下建立气象信息三维模型提供数据支持。

中分辨率光谱成像仪在轨调制传递函数测量方法

为了测算中分辨率光谱成像仪在轨调制传递函数(MTF),提出了一种基于图像中非理想阶跃目标的处理方法。利用仅一侧具有较好均匀性的目标,在线扩散函数(LSF)的对称性假设下,实施基于阶跃响应思想的测算方法。与传统的阶跃边缘法相比,该方法得到的结果与中分辨率光谱成像仪获得的结果一致。将其应用在中分辨率光谱成像仪的指标考核中,得到的半峰全宽(FWHM)与传统处理方法仅相差0.03 pixel,奈奎斯特频率处的MTF值也仅相差0.02,验证了本文方法的有效性。该方法所利用的目标在中分辨率光谱成像仪遥感图像中极为常见,因而普适性更好。

机载可见-红外超光谱成像仪信噪比的估算

信噪比表征光谱成像仪的辐射响应,是与其图像质量密切关联的重要参数。对于机载超光谱成像仪,在保证光谱分辨率的同时,要求其信噪比达到数百量级。有别于单色相机,光谱成像仪的信噪比估算侧重于获得其工作波段内各波长处的信噪比值。仿真实际的拍摄条件,特别引入了入射狭缝对视场限制所引起的信噪比衰减,综合考虑平台高度、太阳高度角、地面反射率等环境因子,利用"中分辨率大气传输模型"建立光信号的大气传输模型。超光谱成像仪的工作波段覆盖可见、近红外范围,同时使用的两个探测器的噪声需分别予以计算。信噪比的估算可作为机载超光谱成像仪总体设计和参数确定的依据。

星载成像仪观月数据提取和辐照度转换方法研究

为了实现星载成像仪的月球绝对辐射定标,在轨对月观测数据的预处理环节需要完成两方面的任务:一是从全部的冷空视场数据中,准确判识出月亮进入冷空视场的时刻;二是将对月观测原始计数值换算为全圆盘辐照度,以便与月球辐射模型比较。具体到中分辨率光谱成像仪(MERSI),本文从MERSI观测模式出发构建出月亮进入冷空视场的阈值判识模型。根据MERSI对月观测的成像几何和定标公式,分别以单探元多帧扫描图像和多探元单帧扫描图像为基础,构建出月球全圆盘辐照度算法。结果显示,阈值判识模型可以实现从平均约30 d的观测数据中,准确标记出约1 min的月亮图像数据。两种计算辐照度的方法得到的辐照度平均差异约0.9%。所提方法可以将原始的对月观测数据计算为辐照度值,为进一步的绝对辐射定标及误差分析提供基础,同时,也可以为类似的成像遥感器的月亮定标工作提供参考。

基于FY-3A/MERSI中国区域地表类型识别研究

基于风云三号卫星(FY3)搭载的中分辨率光谱成像仪(MERSI)可见光、近红外和热红外通道资料,利用支持向量机分类方法,对整个中国区域4个时段(2012年2月、2012年4月、2012年8月和2012年11月)地表类型进行识别,并进行分类精度验证。结果表明:4个时段分类结果的总体精度都保持在95%以上。可见,基于FY-3A/MERSI数据,利用支持向量机方法得到的分类结果精度非常高,符合实际情况,表明MERSI资料及本文研究方法在地表类型识别上具有其有效性。

“风云三号”A星中分辨率光谱成像仪

1项目介绍 “风云三号”气象卫星是继“风云一号”第一代极轨气象卫星后发展的我国第二代极轨气象卫星，它的主要目标是实现全球、全天候、多光谱的定量探测，卫星的主要任务是：提供全球的温度、湿度、云层、辐射等参数，实现中期数值预报；监测大范围的自然灾害和生态环境，探测地球物理参数；研究全球气候变化与环境变化的规律，为航空、航海和军事部门提供全球任意地区的气象信息。“风云三号”A星是该系列的首发星，于2008年5月27日成功发射，已经投入业务运行。

基于FY-3 MERSI多光谱通道的霾判识研究

受高人为排放和不利天气条件共同作用,中国秋、冬季霾事件频发,具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站观测形成有效补充,本研究充分利用卫星大范围监测优势,依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长的依赖性,建立了基于多通道信息组合的霾区快速判识方法。通过引入空气分子散射订正,有效消除此前霾判识工作中大角度条件下的误判,极大缩小了阈值的变化范围,为霾区的自动识别奠定了基础。将该判识方法应用于中国风云三号D星(FY-3D)搭载的中分辨率光谱成像仪(MEdium-Resolution Spectral Imager,MERSI),实现了霾区自动判识。通过与2020年10月—2021年2月秋、冬季地面气象站天气现象记录为霾以及地面环境监测站点中PM_(2.5)小时平均浓度大于75μg/m^(3)的数据进行对比,结果表明:FY-3D的霾判识结果与天气现象记录结果的一致率为91.1%,与PM_(2.5)表征结果的一致率为85.6%。气象观测中霾识别依靠的是大气消光能力,卫星霾判识也是通过气溶胶的消光特性来实现,因此两者特征更为一致。