高精度卫星光学遥感器辐射定标技术

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。

北京地区多气溶胶遥感参量与PM_2.5相关性研究

利用卫星和地基遥感气溶胶数据分析了北京地区多气溶胶性质参量与PM2.5的相关性,提出了计算粒子直径小于2.5μm的气溶胶体积浓度和光学厚度（AOD）的方法,并用该方法对2012年3~9月北京地区地基遥感气溶胶体积浓度和光学厚度进行了尺度校正.结果表明：多种气溶胶遥感参量如气溶胶光学厚度、体积浓度和质量浓度等均与PM2.5存在一定的相关性;相比于卫星遥感参量,地基遥感参量与PM2.5的相关性更好;各波段的总气溶胶光学厚度与PM2.5的相关性随波长的增加而减小;经粒子尺度校正后,气溶胶的体积浓度和长波段总气溶胶光学厚度与PM2.5的相关性明显增加.

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400nm^1 050nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。

面向对象的高分辨率遥感影像分割精度评价方法

在参考监督评价法原理的基础上,提出了三个高分辨率遥感影像分割精度评价指标:准确度、查全率和相对相似性,并以此为基础提出了遥感影像分割精度的评价方法。针对监督评价法的参考对象匹配问题,提出了一种双向局部最优对象匹配方法。同时,通过安徽省淮南市高分一号遥感影像分割结果的精度评价,进行了实验验证。结果表明:该评价指标能够较好地反映分割结果的优劣,符合地物对象分割的真实分布;还可为遥感影像分割算法的参数设置和多尺度分割的最优尺度选择提供依据。

同时偏振成像仪检偏方位校正研究

同时偏振成像探测技术是近年发展起来的新型遥感探测技术,该技术采用分振幅方式,在同一个探测器上同时获得被探测目标0°、45°、90°、135°四个偏振方向的偏振强度图。这四个检偏方位受到仪器自身偏振效应、偏振器件误差和膜层的影响会发生偏离,为了保证偏振探测精度,对系统的四个检偏方位采用Equator-Poles定标和曲线拟合的方法进行校正,两种方法测量结果一致性在0.4%以内。线偏振度实测精度与理论分析精度都在2%以内,这验证了检偏方位校正的有效性。

同时偏振成像探测系统的偏振图像配准研究

同时偏振成像探测技术是一种新型的偏振成像探测技术,它能在同一个探测器上同时获得被探测目标0°、45°、90°、135°4个偏振方向的偏振强度图像。为了准确获取被探测目标的偏振信息,这4幅图像的配准显得尤为重要。为了使配准精度达到0.1个像元,结合同时偏振成像探测系统的成像方式,提出了一种基于空域和频域互相关的偏振图像配准方法。该方法使用硬件和软件相结合的方式完成图像的配准。首先使用空域互相关的算法实现图像的像元级粗配准;然后使用频域互相关的像元级配准算法进行像元级精配准;最后使用频域互相关的亚像元配准算法实现偏振图像的亚像元级配准。

自适应双树复小波遥感图像复原

由于遥感图像先验知识难以获取，提出了一种自适应的双树复小波迭代收缩复原算法。该算法根据模糊程度和噪声程度估计正则化参数，并利用经验公式计算收缩阈值。在实际应用中，算法能有效解决两步迭代算法使用固定参数的缺点，从而达到提高图像复原质量的目的。实验表明：相对于两步迭代算法，该算法复原图像的峰值信噪比提高0．64～12．23dB，收敛速度提高1．4～16倍；同时，算法在提高图像复原质量、抑制噪声干扰及减少计算时间方面优势明显。

空间振幅调制光谱偏振测量技术研究

空间振幅调制光谱偏振测量技术通过由光楔、偏振片组成的调制模块,将目标的偏振信息调制到与光谱维垂直的空间维,单次测量即可同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先阐述空间振幅调制光谱偏振测量技术的基本原理,然后利用空间调制光谱偏振仿真软件进行理论仿真,并且给出了具体的实验研究方案,通过对比理论模拟图像和实验图像,验证实验的可靠性。以Q=0,U=1,V=0和Q=1,U=0,V=0作为入射偏振光进行实验,在波长范围500~600nm采样10组数据,利用最小二乘法对实验输出的偏振光进行偏振解调。结果表明:解调后入射光的线偏振度与参考入射光的误差值分别小于2.5%和4%,偏振角误差值小于1.8%和2%,验证了实验和算法的可行性,并对两组复合光楔中心误差对偏振测量的影响作了简要分析,结果表明中心误差对偏振分量Q和V的测量影响较大。

海洋大气气溶胶光学模型参数的相关性研究

气溶胶光学模型参数在气溶胶遥感和气候强迫研究中都具有重要的作用。通过对全球近90个气溶胶自动观测网(AERONET)的海洋站点数据进行筛选、分类和分析,发现了气溶胶模型的中值半径及其标准偏差间的负相关性,并给出了经验关系。利用该关系对现行中分辩率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型进行了评估,并指出了该模型存在的不足。

近海污染大气气溶胶光学性质反演研究

提出了基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据反演近海污染大气气溶胶光学性质的算法。根据近海污染大气气溶胶的成分特征构建了新的气溶胶模式;同时避开了MODIS反演算法中计算大气顶光谱反射率理论的缺陷;利用近红外光谱数据降低了近岸二类水体离水辐射的影响,并通过光谱匹配技术实现了近海污染大气气溶胶光学性质的反演。利用气溶胶自动观测网(AERONET)的近海站点数据对算法进行了验证。结果表明,超过2/3的反演结果落在误差范围内,反演结果达到了大洋的反演精度。

航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度。首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法。最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果。结果显示,该仪器偏振测量精度不低于0.5%,满足仪器精度指标要求。

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。

基于支持向量机预测偏振模式

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先,介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后,从矢量传输模型出发,说明大气状况不变时,偏振模式主要取决于地表特征与观测几何,并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后,在考虑平台姿态与地表特征的情况下,利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度,并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示:偏振度预测误差小于1%,影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身,而是姿态改变造成的观测地表特性变化。

航空多角度偏振辐射计信噪比估算与测量

为精确评估航空多角度偏振辐射计的性能,分析了航空多角度偏振辐射计的信号与噪声,给出了估算其探测器信噪比的过程。介绍了航空多角度偏振辐射计的工作原理,推导了探测器信噪比与系统信噪比的估算表达式。结果显示:系统信噪比与强度信噪比成正比,探测器信噪比需求与偏振探测精度成反比,航空多角度偏振辐射计的探测器信噪比应不小于245,得到的结果弥补了一直以来偏振遥感仪器只计算探测器信噪比的不足。最后,根据推导的表达式,通过矢量传输模拟估算了用航空多角度偏振辐射计探测典型场景时的探测器信噪比与系统信噪比,并在暗室中利用积分球与偏振盒进行了测量。结果表明,航空多角度偏振辐射计各个探测器的信噪比均满足偏振探测的需求。

星载大气主要温室气体监测仪杂光模拟分析

杂散光分析是提高信噪比,保证测量精度的关键手段之一。依据星载大气主要温室气体监测仪光学系统结构及其工作特点,设计了仪器的外遮光罩和前置望远系统的遮光筒。建立仪器的三维实体模型,利用Tracepro软件对仪器氧气通道（758~768 nm）的杂散光进行了分析,给出系统杂散光点源透射比（PST,Point Source Transmittance）曲线,PST在30°离轴角小于5×10-7。依据PST拟合曲线,通过积分计算得到杂散光系数小于4%。结果表明：杂散光抑制措施效果明显,杂散光水平达到了设计指标要求。

新型光谱可调定标光源系统准直物镜设计

高精度光谱可调定标光源系统是针对高光谱遥感器的高精度定标提出的一种新型参考光源,设计了一个折射式宽谱段大相对孔径的准直物镜。镜头工作在400nm～1 000nm波段,半视场角2.2°、相对孔径F/2.8、焦距135mm。利用部分色散(P)和阿贝数(ν)的修正公式,基于复消像差的基本原理,获得了镜头的初始结构。借助Zemax光学设计软件进行优化设计,重点校正了系统的二级光谱。最后,在设计波段上实现了复消色差,二级光谱残余量约为0.04mm,其他像差也得到了良好的平衡。镜头的MTFs在37lp/mm空间频率处均大于0.8,镜头整体性能满足设计指标。

分振幅光偏振探测系统多点定标方法

探测性能决定了偏振遥感系统的解析精度,但分振幅系统因多种因素引入的仪器偏振使解析精度的提高受到限制。在分析测量原理的基础上,研究了分振幅光偏振探测系统测量矩阵的多点定标方法,推导了偏振方位角等间隔取样偏振定标的条件;通过平台搭建与比较实验,利用多点定标方法测量了航空多角度偏振辐射计(AMPR)的穆勒矩阵,分析了测量结果的不确定性。结果表明,定标后的AMPR测量误差<0.5%、不确定度<0.5%,满足遥感系统的探测要求,证明了多点定标方法的可行性。

空间调制线偏振光谱测量的波片延迟误差校正

基于四分之一波片-复合双折射光楔-偏振片的空间偏振调制结构,提出了四光束校正方法,对四分之一波片延迟量误差进行校正,从而达到提高线偏振测量精度的目的;利用计算机仿真手段,研究了待测目标圆偏振参量变化时,线偏振参量测量结果的变化情况以及相应的测量精度水平。仿真结果表明:当待测目标的线偏振度、圆偏振度分别在0.1~0.2、0~0.2随机波动时,延迟校正后的斯托克斯参量Qi、Ui以及线偏振度的测量精度优于10^(-3),Ui以及线偏振度的测量精度比延迟校正前提高了约14倍。

空间调制偏振光谱测量定标方法

研究了基于四分之一波片-复合双折射光楔-偏振片空间调制结构的定标方法,并给出了相应的光谱、辐射定标方程。基于结构的偏振调制原理,提出了线性最小二乘偏振定标方法。仿真分析表明,该定标方法对于调制结构偏振调制系数的定标精度要比传统的四点法更高,最小二乘定标法得到的调制系数与真实调制系数间的偏差波动在整个调制周期内约为2×10-4,且呈随机分布。

航空多角度偏振辐射计信噪比不确定性数学模型

信噪比(SNR)作为评价遥感系统探测能力的一项关键指标,反映了遥感系统的灵敏度。信噪比的不确定度反映了仪器满足测量需求的信度水平。通过对航空多角度偏振辐射计(AMPR)工作原理的分析及其观测Stokes矢量与偏振度信噪比的讨论,提出了AMPR信噪比的不确定度数学模型。基于该模型,利用积分球对AMPR信噪比不确定度进行实验室验证。验证结果表明,当探测偏振度大于1%或2%时,AMPR信噪比不确定度分别不超过10%或5%(1?)。