FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

　　1　引　言

　　随着FY-3A卫星2008年5月27日发射入轨，中分辨率光谱成像仪(MERSI)可见光通道于6月3日开机进行对地观测，红外通道于7月1日开机，利用20个通道进行全球观测。中分辨率光谱成像仪是FY-3A最主要的光学成像载荷，具备从可见光到热红外20个通道的探测能力[1-3]，其在热红外波段设置了一个250m空间分辨率、光谱较宽的窗区通道。MERSI热红外通道观测地气系统的热发射，不仅可用于地表及海洋温度遥感，同时可为云检测和其它遥感产品生成提供热红外图像。由于该通道空间分辨率较高，还可用于用于城市热岛监测，2008年北京奥运期间已成功为北京市提供了热岛监测服务。

　　为了实现较高分辨率对地观测成像，MERSI热红外通道采用跨轨40探元并扫方式。探测器为长线列光导碲镉汞器件，由2条20探元线列器件按品字形排列组成40探元探测器，其单元尺寸为0.10mm×0.10mm，对应的瞬时视场为0.3mrad。红外信号输出采用探测器与低噪声前置放大器一一对应方式，直接耦合输出。MERSI红外探测器由辐射制冷器二级冷块制冷，在100K低温下工作，可实现较高灵敏度的红外探测。FY-3A/MERSI热红外通道仪器性能指标为：光谱波段10.0～12.5μm，探测灵敏度0.4K(300K)，目标探测温度180～330K，定标精度1K，MTF≥0.25。

　　为了实现MERSI红外通道实时定标，MER-SI在获取地球目标信号的同时，还扫描冷空信号和星上黑体信号，利用冷暖两个目标进行MERSI线性辐射定标，非线性辐射响应项采用发射前真空定标的结果。由于MERSI红外通道采用40探元并扫模式，辐射定标是逐探元分开进行的，因此能基本消除原始图像的严重条纹。然而，在发射前对MERSI红外通道40探元的光谱响应测试发现，不同探元之间的光谱响应差异较大，各探元中心有效波长存在偏移，因此在逐探元辐射定标基础上，还需要进行多探元光谱响应归一化处理，这样才能使红外通道整幅图像探测的是一个波段范围。本文论述了一种不同探元的光谱差异归一化补偿方法，利用辐射机理消除因探元光谱响应差异带来的图像条纹。

　　2　定标基本原理

　　参考 国外同类遥感器 红外通道的定标方程[4-8]，并分析MERSI实验室真空定标试验数据和结果，FY-3A MERSI红外通道的定标方程采用非线性二次项形式表述，仪器的输出DN与观测辐亮度L之间的表达式为:

　　其中a0，a1，a2为定标系数，红外通道的辐亮度L为通道系统光谱响应上的光谱辐亮度平均值，表示为：

　　其中v为波数()，Φ为光谱响应函数，辐亮度L的单位为。a2为定标系数二次项系数，在发射前通过实验室真空定标测量，由于它主要描述的是定标曲线形状，是个小的修正项，入轨后二次项系数依旧采用实验室测量值保持不变。MERSI红外通道发射前实验室定标是在真空罐中利用独立的标准面源黑体进行的，该面源黑体充满MERSI口径并温度可控。定标时面源黑体温度从200～330K(以5K为控温步长)变化两个循环(逐步升温和逐步降温)，MERSI扫描面源黑体和模拟冷空冷屏，利用公式(1)和上述一系列定标测量就可推算定标系数a0，a1，a2。一旦MERSI随卫星发射入轨后，星上热环境发生了变化，而且有昼夜和轨道周期变化，MERSI就采用星上黑体进行实时红外通道定标，其观测星上黑体(BB)的辐亮度表示为：