空间CCD相机辐射标定方法的应用研究

    早在20世纪50年代初中国科学院仪器馆(长春光机所前身)就开展了光度基准和光辐射标准的研究工作,在这一期间解决了红外辐射标准源问题,还为国家的辐射温标的建立打下了技术基础.进入20世纪70年代,以多光谱相机为开端,开展多种遥感器的研制,并进行有关的辐射测量与标定.从20世纪80年代到90年代,长春光机所开始承担重大的光学遥感器课题,遥感器的辐射标定成为迫切需要解决的问题.为此进行了相应的研究,建立了光学遥感器辐射标定系统[1]. 20世纪70年代后期,开展了短波段光学研究,承担了重大的短波段空间光学仪器研制任务,并将光辐射测量与标定工作延伸到紫外与真空紫外区域[2,3].

    空间CCD相机在搭载飞船发射后,用于获得地面目标图像.为了对不同辐亮度的地面目标获得曝光量合适的推扫图像,空间CCD相机具有96, 48, 24, 12, 6等5挡时间延迟积分级数可调TDI CCD,并配有增益可调的视频放大器.合理的选择TDI CCD时间延迟积分级数以及放大器的增益是保证获得最佳最终图像的必要手段.根据CCD相机的使用要求,通过对相机工作时不同条件下的像面曝光量进行了估算,确定了相机标定时所需辐亮度源的范围.在地面,对CCD延时积分级数和放大器增益进行精细的调整必须提供稳定的辐亮度光源,来模拟不同辐亮度的地面目标.为此在地面对辐射标定装置进行了精细标定,建立起辐射标定装置出口辐亮度和探测器数字化输出之间定量关系,并对计量传递误差进行了分析,标定结果说明该装置能提供满足要求的辐亮度,并在CCD相机地面辐射标定工作中起到了很好的作用.

    1　相机入口处辐亮度的计算

    相机像面曝光量是由像面辐照度和像元的曝光(积分)时间的乘积.要获得合适的曝光量必须对像面辐照度进行估算.要知道像面辐照度必须求得相机入口处辐亮度,相机入口处辐亮度为地物产生的辐亮度和天空后向散射的辐亮度之和,下面对相机入口处辐亮度进行计算.

    地面的景物是被太阳直射光和天空散射光照亮的,它们产生的地表辐照度E0(相机工作波段K=0.5Lm～0.8Lm积分值,相机对此波段光谱辐射有较好的响应)与太阳天顶角H有关.表1列出大气能见度为23 km时,地表辐照度E0值,单位W/m2(用美国空军地球物理实验室AFGL的大气传输软件LOWTRAN计算).

    相机对地面景物进行拍摄时,地面亮度在相机入口处产生的辐亮度B0与地物的平均反射率Q和大气平均透过率Sa有关,表2列出大气能见度为23 km,大气平均透过率Sa=0.75,在不同H和Q条件下求得的B0=QE0Sa/P的值(K=0.5Lm～0.8Lm积分值),单位W/m2Sr.