光谱非匹配对光学遥感器定标精度的影响

　　1　引　言

　　光谱辐射观测是光学遥感的最重要手段之一。在指定的波段内精确测量目标的辐射信息,并结合数值算法模型,可以得到目标的物理参数。近年来的对地观测实践中,针对大气、海洋、陆地、植被等目标的观测都广泛采用了光谱辐射观测手段,其数据的准确程度将在很大程度上影响天气预报、气候研究和环境监测等领域的应用效果。根据光谱带宽的不同,光学遥感器的种类包括了全色、多光谱、高光谱,乃至近年发展迅速的超光谱光学遥感器。获取光谱辐射观测的准确数据,首先依赖于对光学遥感器进行光谱辐射响应的绝对定标。定标的目的是建立光学遥感器中每个探测元所输出信号的数值量化值(DC*)与该探测元对应的目标辐射亮度值(Li)之间的定量关系,即DC*=A×Li ,式中,A为探测元的定标系数。对于成像光谱探测器[1-3],绝对辐射响应的定标除了建立上述的定量关系外,还包括测试探测器的各个通道的光谱响应度、响应均匀性、非线性、偏振敏感性和杂散光影响等。定标时应尽可能模拟实际工作状态,采用与实际状态相同的几何和照明条件。对于成像光谱探测器,目前比较成熟的定标流程是采用充满探测器视场的均匀面光源进行绝对辐射定标,其绝对光谱辐亮度需要事先经过定标。积分球是最常用的参考面光源。积分球的优点是:可提供一个空间均匀且能充满光学遥感器视场的均匀漫射源,在光学遥感器动态范围的不同点上可提供全孔径、全视场、全波段范围(低增益波段~高增益波段)的定标。对积分球的测试主要集中在可见-短波红外覆盖工作波段,其辐亮度的量值满足探测器的动态范围要求,输出的面均匀性和角度均匀性,具有良好的时间稳定性等。

　　长期以来,人们对定标光源的平面均匀性、角度均匀性、稳定性等因素给予了较多的关注[4],但对定标光源与目标光源光谱之间的差异(不匹配)造成对观测精度的影响未见深入讨论。在实验室定标时,用色温3 000 K的光源标定出光学遥感器的响应度,并认为标定的光谱响应度即为探测器这个波段内的绝对光谱响应度,在光学遥感器发射后,其探测的目标多已反射太阳光,太阳色温近似于6 000 K的黑体,如果用实验室中3 000 K光源标定的光学遥感器光谱响应度去测量以6 000 K为目标光源的物体,测量值和真实值之间是存在误差的。这个误差如何计算?它和哪些因素有关?本文通过建立数值模型,计算定标光源光谱非匹配时光学遥感器定标参数的不同,分析光源光谱非匹配对于光学遥感器定标精度的影响,为研究新型定标光源提供理论参考。

　　2　原　理

　　光学遥感器[5]发射前必须要进行实验室定标。通常实验室辐射定标是指卫星发射前,在实验室用一个大的均匀的积分球光源的出孔照射遥感器的入瞳,这一球形光源的辐亮度是可调的,并且能覆盖遥感器的动态范围。通过采用“多波段辐亮度标准探测器+积分球(漫反射板)”的基于标准探测器的定标方式,用辐亮度标准探测器[6]直接标定待标定光学遥感器,进行“辐亮度”到“辐亮度”的直接比对测量。如图1所示。