收稿日期：2011-04-24基金项目：国家863计划（2008AA121203）资助。高精度卫星光学遥感器辐射定标技术
郑小兵1,2（1中国科学院通用光学定标和表征技术重点实验室，合肥230031）（2中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心，合肥230031）摘要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。关键词辐射定标光学遥感卫星中图分类号：V443+.5文献标识码：A文章编号：1009-8518(2011)05-0036-08
High-AccuracyRadiometricCalibrationofSatelliteOpticalRemoteSensors
ZhengXiaobing
（1KeyLaboratoryofOpticalCalibrationandCharacterization,ChineseAcademyofSciences，Hefei230031，China）（2AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences，Hefei230031，China）AbstractClimatechangemonitoringandhighresolutionearthobservationdemandhigheraccuracyofabso-lutecalibrationforspaceopticalsensors.Thispaperbrieflydiscussestheprogressandconstrainedfactorsofcur-rentradiometriccalibrationtechniques.Newcalibrationapproachesandinstrumentationssuchashyperspectralandspectrallytunablereferencelightsources,andglobalcalibrationsitenetworkareintroduced,andtheirap-plicationsaresuggested.KeywordsRadiometriccalibrationOpticalremotesensingSatellite
1引言
光学辐射定标主要研究光辐射传感器的输出与已知的、用SI单位表述的输入光辐射之间的定量关系，包括各种光辐射效应的定量化、光辐射的精确测量及其不确定度评估，光辐射传感器的综合特性表征，以及光辐射传感器的工作条件对其性能影响的评估等方面的内容。光辐射是光学遥感信息的基本载体。各种平台上光学传感器的几何和光谱分辩能力都与其光辐射的准确测量能力直接相关。辐射定标在空间对地观测观测过程中所发挥的主要作用表现为：1）实现各类光学传感器从预研－工程研制－在轨运行的全过程定标，保证传感器的精度能够满足应用需求；2）统一不同平台、不同传感器的辐射量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和融合；3）通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环境变化等对测量结果的影响，保证测第32卷第5期2011年10月航天返回与遥感SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING36量结果真实反映目标和背景的特征。光辐射定标是一项多学科交叉的技术，涉及辐射与光度学、计量学、光与介质的相互作用、光电精密仪器设计等基础研究和工程研发内容。近年来国内外研究人员在全过程定标的各个技术环节中开展了大量的工作，取得了广泛的进展。本文介绍了一些新型定标技术的研究进展情况，提出应用建议。
2高精度辐射定标技术的趋势
2.1全过程定标过去十多年的卫星遥感研究和应用实践中，科研和工程技术人员逐步形成一个共识，即定标技术必须全过程地支持卫星遥感器的设计、研制、运行和数据应用。全过程定标是相对于阶段性定标而言的。对于研制周期和工作寿命合计达10年左右的卫星遥感器，任何一次阶段性的定标数据均不足以准确评估其实际性能。定标技术必须在卫星遥感器的研制、测试、运行和数据应用的全过程保证不确定度的要求，校准各阶段的观测精度，克服单次定标实验和单个标准器引起的系统误差，验证全寿命期间的数据精度，并通过共同的溯源保障多个卫星之间数据的可比较性。全过程定标主要包括5个主要环节：定标方案设计、实验室定标、星上定标、地面同步替代定标以及数据校正，如图1所示。
图1全过程定标的各环节定标方案的设计从用户定量化应用的数据精度要求出发，结合具体遥感器的工作方式，将精度要求合理地分配到遥感器各部件和定标各环节，并设计出针对性的定标技术途径和设备条件。实验室定标的主要作用是确定传感器的响应并评估其不确定度。星上定标长期地监测传感器响应的衰变，并可以进行阵列传感器响应均匀性校正。在轨阶段的替代定标可以验证传感器的辐射响应并进行多个传感器的交叉定标。任何一种定标手段和设备都不是绝对准确的，都存在其自身无法消除的系统性偏差。为了保证和提高定标精度，目前的技术趋势是同时利用以上3个独立的定标手段相互验证和比较，降低和消除单次定标实验和单个定标设备本身的系统偏差，保证卫星数据的质量。数据校正的目的，是根据用户对具体地球物理参数的要求，发展遥感器响应变化的预测模型，结合实验室、星上和地面定标数据，提供及时的定标系数更新。全过程定标在客观上要求合理分配研制－运行过程中的不确定度指标，而不仅依赖于某一个环节。这有赖于制定合理的定标技术流程和规范，保障各个环节的不确定度能够达到预期的指标，从而在总体上提高定标的效率和效费比。全过程定标意味着，定标技术不仅需要解决自身的关键技术，同时需要面向卫星遥感器工程化应用，面向遥感数据的定量化应用。全过程定标在具体实施过程中需要大量技术资源的长期支持，也需要载荷研制方、用户方和定标技术研发人员的多层面协作，同时需要管理机构的充分协调。全过程定标技术链路上任一环节的不足，均会影响其整体保障作用。第5期郑小兵：高精度卫星光学遥感器辐射定标技术372.2系统级定标系统级定标是相对于单元级定标或器件级定标而言的。其目的是在接近真实工作状态和环境条件下，对传感器系统整体的性能进行定标和评估，并通过规范化的技术流程验证和保障长期的定标精度和有效性。图2所示是光学遥感器单元级定标与系统级定标的内容和联系。
图2单元级与系统级定标的内容和联系以往的应用效果表明，简单地把传感器各单元的光谱响应率、透过率或反射率相乘来得到整体响应的方法可能引起显著的误差，原因是忽视了各单元之间的相互影响（如杂散光等）。实验室、星上及在轨期间，均要求进行全光路、全孔径、全视场的辐射定标，这是针对以往侧重传感器单元定标的技术提高要求。光学载荷的精度与其光谱、空间和时间响应、偏振以及工作条件等性能紧密相关。下一代载荷的光谱分辨率普遍提高，光谱通道数目大大增加，动态范围扩大，这要求在基本的辐射响应定标之外，还必须发展精细光谱、动态范围及线性、空间和时间响应均匀性等方面的定标技术，以完备评估传感器的性能和数据质量。
3精细光谱扫描定标技术
超光谱有效载荷（光谱分辨力/△一般高于1000，其中是通道中心波长，△是通道光谱宽度。）是定量化光学遥感和全球气候环境监测等应用领域的关键观测手段之一。在超光谱有效载荷的工作通道内进行精细光谱扫描方式下的辐射和光谱定标，要求定标光源具有以下特征：1）高光谱分辨率；2）大面积的均匀、准朗伯光源用于辐亮度响应度定标；3）辐照度空间均匀；4）宽动态范围可调的光谱辐通量水平。传统光源包括光谱辐射照度标准灯、内置灯积分球光源和单色仪系统等，由于其自身的限制均不能同时满足上述要求。可调谐激光器技术的发展，使得在辐射定标领域引入高功率、单色、波长可调谐的光源成为可能。可调谐激光具有单色性好、光谱辐通量水平高以及可以在宽波段范围内调节波长等优点。可调谐激光和积分球的有效结合形成的定标光源，可以同时满足以上4种要求。固体调谐激光器能够实现超光谱分辨的连续波长扫描，利用溯源于低温绝对辐射计的标准传递辐亮度探测器，可以将单色绝对辐亮度精确传递到待定标的遥感器，获得待定标遥感器的高精度光谱辐亮度响应航天返回与遥感2011年第32卷38度。利用调谐激光的精细光谱扫描定标技术相对于传统的灯-单色仪系统具有许多优点：1）激光的波长不确定度和线宽均可以很容易地达到优于0.001nm，是一种理想的单色光源，更容易测量光谱响应度的细节特征。2）较高的辐通量和较低的杂散光能够实现109量级的动态范围，可用于通道外泄露的高精度测量，而灯-单色仪系统在动态范围的低端很难保障足够的信噪比。3）可以直接溯源于低温辐射计初级辐射标准，能够实现低于0.1%的光谱辐照度和辐亮度响应度定标的不确定度[1]。图3是实验室超光谱响应度扫描定标系统示意图[2]。高功率、可调谐波长的激光导入积分球后，在积分球出口形成均匀、朗伯性的面光源。激光功率稳定器可以调节积分球输出辐亮度的动态范围。为了使积分球光源出射光场具有良好的朗伯特性，设计外部激光双光路导入方式，通过调整分束镜的入射角度使得两路光的功率近似相等，采用积分球内部旋转漫射板的方法去除由于激光空间相干性产生的散斑。在积分球上安装监测探测器，用来监测和修正定标过程中由于入射激光功率波动引起的积分球光源辐亮度变化。积分球出射光的绝对光谱辐亮度由标准探测器校准，后者的光谱辐亮度响应度溯源于低温绝对辐射计。上位机软件控制二维平移台，使标准探测器和待定标仪器相继对准积分球出口中心进行观测，采用替代法把标准探测器的光谱辐亮度响应度传递到待定标探测器。
图3实验室超光谱响应度扫描定标系统示意图利用图3所示定标系统进行光谱辐亮度绝对响应度定标，不确定度主要来自于标准探测器的定标精度、光源的辐射特性以及标准传递过程。国内外初步研究结果表明，其合成标准不确定度可达0.5%~1%[2]，明显优于传统单色仪系统5%左右的定标不确定度。第5期郑小兵：高精度卫星光学遥感器辐射定标技术394可调光谱定标光源技术
参考光源是辐射定标系统中不可缺少的关键设备。传统上参考光源也同时作为量值传递的手段，例如在可见光—短波红外波段（350～2500nm），经过校准的卤钨灯可作为光谱辐照度的传递标准，而精密温控的黑体被广泛地应用于热红外波段的光谱辐亮度标准传递。这些参考光源具有接近于理想黑体辐射的宽谱段连续、平滑的光谱分布。为了保持参考光源量值的准确性和可复现性，其工作条件有特殊的要求，例如卤钨灯要求固定的供电电流，黑体要求固定的工作温度，这实际上限制参考光源仅具有某种单一和固定的光谱辐射分布。近年来随着空间对地观测、环境污染在线监测、气候长期变化监测等技术的迅速发展，光电探测器应用范围不断扩大，应用方式日益复杂，光谱响应度的定标精度要求不断提高。特别地，光辐射测量与多光谱、超光谱成像技术的结合，对于辐射定标系统中参考光源的功能提出了新的要求。例如：参考光源与待观测目标的光谱分布尽量接近，是保障宽通道（0.1）遥感器绝对响应度定标精度的基本要求，多光谱（0.01）遥感器的光谱响应定标一般要求进行通道内的精细光谱扫描，而在超光谱（0.001）成像遥感器的定标中，则要求在足够的信噪比下进行单色光响应度的定标。固定单一光谱分布的参考光源在同时满足量值传递和新的应用需求时存在一系列的困难。例如：其光谱分布很难与千变万化的目标光谱实现匹配，改变光谱分布虽然在技术上可行（如改变工作电流或温度），但与其保持和传递量值的工作条件相矛盾。传统参考光源单色辐射通量相对较低，在分光后进行精细光谱扫描时，以使待定标遥感器达到足够的信噪比，直接制约了定标精度，分光器件本身所引入的不确定度往往也很难准确评定。在空间对地观测、环境监测等领域，可见光～短波红外波段（350～2500nm，或称太阳反射波段）是最重要的工作波段之一。这一波段光电探测器的实验室辐射定标多采用内置卤钨灯的积分球作为定标参考光源，卤钨灯的典型色温约为2900K。在野外、卫星等实际工作平台上，光学遥感器观测到的是目标反射的、和太阳色温（约5900K）接近的辐射，与定标参考光源的光谱存在明显的差异。定标参考光源与目标辐射之间的光谱差异可能导致定标结果本身包含有光谱不匹配所引入的不确定度[3]。遥感器的带宽越宽，测量值和真实值之间的相对误差越大。对于窄带的遥感器，光谱不匹配产生的相对误差对测量的精度影响相对较小，但对于宽带的遥感器，这一影响难以忽略。因此，在实验室定标中，特别针对宽波段探测器（例如全色相机），参考光源应尽可能模拟待观测目标的光谱分布，以降低光谱非匹配的不确定度贡献。国内外近年来采用LED（发光二极管）作为发光器件，研发了光谱可调参考光源，以解决参考光源与目标光谱的匹配问题，特别是在短波波段，LED可以有效提高参考光源的辐射亮度，使其能够接近太阳反射光谱[4]。LED的光谱辐射分布与普通的光源不同，它是一种仅次于激光的窄带光源，单种LED的发光带宽通常在20nm到50nm之间。图4中显示了数十种LED的光谱分布，要获得宽波段光谱，需要不同波长的LED组合使用。
图4不同LED相对光谱能量分布航天返回与遥感2011年第32卷
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