空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標

龍亮王世濤周峰吳立民

（1北京空間機電研究所，北京 100076）

（2中國空間技術研究院，北京 100081）

1 引言

隨著空間遙感技術的發(fā)展與積累，定量化遙感的需求越來越迫切。通過對遙感器進行輻射定標，校正探測器的響應不均勻性及建立遙感器輸出信號值與輸入能量值的函數(shù)關系，是實現(xiàn)定量化遙感所必不可少的手段[1]。按照任務階段來劃分，遙感器在研制過程中以及研制完成后在地面進行的一系列測試及試驗中所進行輻射定標工作一般稱為地面輻射定標（或發(fā)射前輻射定標），而當遙感器成功發(fā)射并在軌運行后對遙感器進行的輻射定標工作稱為在軌輻射定標（或發(fā)射后輻射定標）。

空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)主要是指空間中在中長波紅外譜段接收相對距離很遠而可視為“點目標”的物體所輻射的紅外信號，從而對該物體進行探測的系統(tǒng)。空間紅外天文望遠鏡、天基導彈預警衛(wèi)星中的遙感載荷系統(tǒng)大多屬于此類系統(tǒng)。由于探測目標相對于此類系統(tǒng)的張角大多小于系統(tǒng)的瞬時視場，則目標相對于探測系統(tǒng)而言視為“點目標”。另外，對于空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)所工作的中長波紅外譜段，為了實現(xiàn)更高靈敏度的紅外探測，必須降低光學系統(tǒng)本身的溫度，減小背景的紅外輻射，這就要求探測光學系統(tǒng)必須采用空間低溫光學系統(tǒng)[2]。

空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)相對于一般對地觀測遙感器的區(qū)別決定了其進行在軌輻射定標時必然也會有諸多特殊之處。本文正是基于這些特殊之處對其在軌輻射定標方法進行了介紹與分析。

2 國外空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌定標方法介紹

一般對地觀測遙感器進行在軌輻射定標時，可供選擇的定標方法主要有三種：一是通過借助星上已有的定標裝置（內(nèi)定標源或漫反射板反射太陽光）進行定標；二是通過地物作為定標源進行場地定標；三是用已定標且定標結果很好的在軌遙感器來標定待定標的遙感器所進行的交叉定標[3-4]。而對于空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)，第一種方法可以使用，但定標源選取及安裝位置都需其對系統(tǒng)低溫工作環(huán)境的影響；第二種方法對于紅外點目標遙感探測系統(tǒng)中專門為深空為背景的那類探測系統(tǒng)局限性較大，因為其探測器動態(tài)范圍往往同以地球為背景的輻射源不匹配；第三種方法應用的前提是空間中相似的軌道上存在可用的功能相近、性能參數(shù)及技術指標類似的遙感器，而這對于總體數(shù)量相對較少、功能側(cè)重點多有不同的紅外點目標遙感探測系統(tǒng)，這種方法目前很難獲得應用。所以各國空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)的研制者及輻射定標工作者根據(jù)該系統(tǒng)自身特殊性，設計了適用于該系統(tǒng)進行在軌輻射定標的方法，并付諸工程應用。

使用星上內(nèi)定標裝置來進行在軌輻射定標，是空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標經(jīng)常使用的方法。此類星上定標裝置通常由定標源和必要的定標光學系統(tǒng)組成（有時候也只有定標源而沒有定標光學系統(tǒng)）。通過定期開啟星上定標裝置，產(chǎn)生在探測系統(tǒng)工作譜段上與探測器響應性能相匹配的輻射，經(jīng)過定標光路，為焦面探測器提供一個均勻的定標輻射場。利用這種方法大多進行的是相對輻射定標或者是部分光路的絕對輻射定標。

針對空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)點源探測的特點，結合空間紅外天文數(shù)據(jù)，使用選定已知輻射特性的恒星源來作為定標源進行系統(tǒng)的絕對輻射定標，是另一種較為常用的在軌輻射定標方法。

還有一種用于在軌絕對輻射定標的方法是探測系統(tǒng)通過觀測衛(wèi)星所釋放專門用于輻射定標的參考球的紅外輻射來實現(xiàn)輻射定標的。但此種方法在空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)的在軌輻射定標中應用次數(shù)并不是很多。

2.1 MSX在軌輻射定標

MSX衛(wèi)星由美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研制，于1996年4月發(fā)射入軌?？臻g紅外成像望遠鏡SPIRIT III（Spatial Infrared Imaging Telescope III）是MSX上的一臺中長波紅外儀器設備。SPIRIT III探測的主要目標是空間背景下的星體和氣輝極光等上層大氣現(xiàn)象以及其強度參數(shù)。SPIRIT III還將配合MSX上其他有效載荷驗證導彈助推器熄火到再入大氣層即導彈飛行中段衛(wèi)星對導彈的識別與跟蹤技術[5]。SPIRIT III的工作譜段為在4.2～26.0μm劃分的6個譜段，其光學系統(tǒng)是一個高散射抑制的離軸反射望遠鏡系統(tǒng)，工作溫度為10～20K。SPIRIT III的焦平面組件由一個低溫空間分辨率輻射儀和一個光譜儀組成，工作溫度低于12K。

SPIRIT III的在軌相對輻射定標工作主要由安裝于其內(nèi)部的三組內(nèi)定標源來完成[6]。這三組定標源的工作通過事先編寫好的編程指令來控制。它們會在SPIRIT III每個在軌數(shù)據(jù)采集事件（Data Collection Event，DCE）之前對探測器進行測試以確認其性能指標在正常范圍之內(nèi)，否則不會進行數(shù)據(jù)采集工作。第一組輻射計內(nèi)定標源是在輻射計每個焦平面外殼上裝有一個內(nèi)定標源，這兩個內(nèi)定標源既可以一起使用也可以單獨使用。它們工作時產(chǎn)生的輻射直接照射在焦面探測器上。第二組內(nèi)定標源也是輻射計內(nèi)定標源，它的材料主要是電阻絲?？扉T反射電阻絲的紅外輻射經(jīng)過除去M1鏡（Mirror 1）和M2鏡（Mirror 2）的光路后進入焦面FPA（Focal Plane Array）（如圖1所示）。而第三組內(nèi)定標源是光譜儀的內(nèi)定標源，材料同樣是電阻絲，同樣是經(jīng)過快門反射使得其紅外輻射進入光譜儀的FPA中，只是其紅外輻射在快門上反射的位置同輻射計第二組內(nèi)定標源反射的位置不一樣。三組內(nèi)定標源在系統(tǒng)中的安裝位置如圖1所示。通過內(nèi)定標源的工作，SPIRIT III焦面像元的響應非均勻性得到了很好地校正。

圖1 SPIRIT III光路及內(nèi)定標源安裝位置圖M1～M8為光學系統(tǒng)各級主次鏡，F(xiàn)1，F(xiàn)3，F(xiàn)5與 F6為折轉(zhuǎn)平面鏡Fig.1 SPIRIT III optical layout and locations of inner calibration sourcesM1through M8are primary and secondary mirrors，and F1，F(xiàn)3，F(xiàn)5，and F6are fold flats

SPIRIT III的在軌絕對輻射定標工作主要通過觀測標準定標星及觀測MSX自身所釋放參考球兩種方法來完成。

首先介紹觀測標準定標星進行在軌絕對輻射定標的方法。根據(jù)SPIRIT III的工作譜段要求及探測器響應特性，選取已知輻射特性的恒星進行在軌絕對輻射定標，是SPIRIT III在軌輻射定標的又一手段。SPIRIT III選擇了名為αBoo的恒星進行輻射測量來計算對點光源的輻射響應，而αBoo在MSX帶內(nèi)的標準輻射通量由 Burdick 和 Morris[7]提供。 SPIRIT III還對基于 Cohen 等人標準的四顆恒星（αLyr，αCMa，αTau，βGem）進行了觀測，以獨立評價其對αBoo定標的效果（見表1）。[8]

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作為利用恒星進行空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標的數(shù)據(jù)支撐，美國空軍地球物理實驗室AFGL（Air Force Geophysics Laboratory）從20世紀80年代中期就開始建立相關的紅外恒星輻射特性數(shù)據(jù)庫[9]。它通過使用一系列具備空間紅外天文觀測能力的衛(wèi)星對星空中所能探測到的恒星進行紅外譜段輻射特性的測量，并不斷通過所研制出的性能更好的遙感器的探測數(shù)據(jù)來更新已有的數(shù)據(jù)庫，以提高數(shù)據(jù)的準確度。

另一種進行在軌絕對輻射定標的方法是觀測衛(wèi)星所釋放參考球。參考球是一種人工制造的紅外輻射源。MSX上載有5個一樣的參考球，在MSX的整個任務周期中參考球會被陸續(xù)釋放用作定標工作[8][10]。當它被釋放后開始遠離MSX時，由于其與探測系統(tǒng)的距離及自身溫度都在不斷變化，故被探測系統(tǒng)探測到的由它所發(fā)出的紅外輻射可以滿足覆蓋SPIRIT III探測器的整個動態(tài)范圍的要求。而其釋放后的位置與速度變化已經(jīng)通過地面仿真精確預知，這樣結合實時的姿態(tài)及指向修正，可以使探測系統(tǒng)對其進行很好的跟蹤探測。SPIRIT III對參考球觀測時間從參考球釋放后3min直至1h之后，這樣考慮的原因可能有：剛釋放后的參考球溫度較高，SPIRIT III對其立即觀測會造成探測器響應飽和，無法進行定標工作。而參考球釋放出去后相對衛(wèi)星的速度約為10～15m/s，考慮光學系統(tǒng)參數(shù)及探測器像元尺寸，需要讓參考球飛行較長時間后才能讓SPIRIT III達到點源成像的效果。

由此看出，MSX的SPIRIT III在整個任務壽命階段進行在軌輻射定標時三種典型在軌輻射定標方法都采用過，三種定標方法的工作流程關系如圖 2所示，綜合定標方法示意圖如圖3所示。

圖2 MSX在軌輻射定標工作流程關系圖Fig.2 MSX in-orbit radiometric calibration process

圖3 MSX綜合定標方法圖Fig.3 MSX compositive radiometric calibration methods

2.2 其他空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)的在軌輻射定標

2.2.1 ISO的在軌輻射定標

紅外空間觀測平臺ISO（Infrared Space Observatory）是由歐空局研制的一顆紅外觀測衛(wèi)星。ISO上的有效載荷中的“短波紅外光譜測量儀”（相對于整個2.5～240μm的譜段范圍，將2.5～45μm的范圍稱之為“短波”）SWS（Short-Wavelength Spectrometer）工作譜段為2.5～45μm。其在軌輻射定標按時間順序分為兩個不同的階段：

第一個階段是在軌運行的早期驗證階段：通過SWS內(nèi)部的輻射源以及外部恒星源的輻射進行輻射定標，定標結果用于與之前地面輻射定標結果比對，完成在軌運行狀態(tài)下對地面定標結果的修正；

第二個階段為衛(wèi)星調(diào)試完畢后進入任務運行階段，通過對標準恒星的觀測而對載荷進行各種輻射響應參數(shù)測試。

ISO的SWS里安裝有多組內(nèi)部輻射源：第一組三個輻射源由小卷電阻絲組成，電阻絲可以被加熱到兩個不同的溫度。它們被安放在探測器附近，工作時產(chǎn)生的輻射直接照射到焦面探測器上，以進行相對輻射定標。第二組兩個輻射源位于靠近光譜儀入口的地方，由電阻絲和F-P濾光片組成，主要用來進行波長定標[11]。

2.2.2 ASTRO-F的在軌輻射定標

紅外天文衛(wèi)星ASTRO-F是日本的第二顆紅外天文觀測衛(wèi)星，于2006年發(fā)射入軌，其主要任務為在2～200μm的譜段范圍內(nèi)探測紅外源。

ASTRO-F通過其內(nèi)部安裝的內(nèi)定標燈每隔10～60s照射一次遠紅外探測器（Far-Infrared Surveyor，F(xiàn)IS），為觀測探測器的短期響應變化提供參考輻照度。而每隔10～30min一個被制冷的快門會關閉，以此來進行暗電流測試。

通過觀測行星、小行星以及標準恒星的方法，ASTRO-F實現(xiàn)了對探測器響應長期變化趨勢的監(jiān)視，完成了在軌絕對輻射定標的工作。根據(jù)FIS的性能，選擇恒星星等在3～8之間的恒星，這樣通過計算可知FIS在每個軌道周期內(nèi)可以觀測大約70顆選定的標準恒星[12]。

2.2.3 WISE的在軌輻射定標

寬視場紅外測量探測儀WISE（Wide-field Infrared Survey Explorer）由美國噴氣推進實驗室研制，于2009年12月發(fā)射。WISE的研制目的是在2.8～28μm分四個成像通道進行空間觀測。

WISE發(fā)射在軌后通過一個月的在軌校驗（In-orbit Checkout，IOC）來完成包括在軌輻射定標等諸多觀測宇宙深空前的準備工作。在軌校驗的前兩周時間里WISE整個望遠鏡的前蓋是閉合的。此時波長較長的3、4通道（中心波長分別為12μm與23μm）的探測器是處于飽和狀態(tài)的，而波長較短的1、2通道（中心波長分別為3.3μm與4.7μm）的探測器陣列的響應線性度（絕對輻射定標的部分內(nèi)容）是通過載荷的內(nèi)定標源來測定的，內(nèi)定標源安裝在光學系統(tǒng)次鏡上。而在兩周后望遠鏡的前蓋開啟并被拋棄后，之前未進行響應線性度測試的3、4通道通過對同一組標準恒星進行不同積分時間的觀測來完成響應線性度測試[13]。

3 空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標方法分析

3.1 輻射定標流程及評估

輻射定標實際上是一個標準建立與標準傳遞的過程[14]。所以整個定標工作可以圍繞3部分工作展開：1）輻射標準的選定與建立；2）標準通過定標鏈路逐級傳遞到遙感器；3）定標數(shù)據(jù)的處理及應用（如圖4所示）而一般定標精度主要取決于第一和第二部分。對于空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標來說，由于對定標空間及時間的限制因素較多，探測目標輻射信息較為特殊，第一部分需著重考慮定標源的可行性，第二部分則考慮定標鏈路的長度及各環(huán)節(jié)所帶入的誤差大小問題。同時，對待定標系統(tǒng)進行系統(tǒng)級定標時，需要盡量使得定標方法覆蓋全光路、全工作波段、全口徑、全視場、全動態(tài)范圍等各個方面，這樣才能得到對待定標系統(tǒng)整體性能的全面、綜合評估。

圖4 輻射定標流程圖Fig.4 Radiometric calibration process

3.2 三種在軌輻射定標方法優(yōu)缺點分析與比較

3.2.1 基于星上定標裝置的方法優(yōu)缺點分析

基于星上定標裝置的定標，其優(yōu)點在于能讓焦面比較好地獲得均勻的輻射而進行相對輻射定標，同時由于是星上內(nèi)部裝置，可以較好地安排及控制其工作時段及能量輸出的量級，可以完成全動態(tài)范圍內(nèi)的輻射定標。實際上它已經(jīng)是目前各種遙感器在軌輻射定標的主要手段之一。

基于星上定標裝置的定標方法的缺點在于一般定標裝置都安裝在系統(tǒng)光路中或直接在焦面前，這樣無法完成系統(tǒng)全光路定標，無法對系統(tǒng)的整體的響應不均勻性進行有效的評價。

該方法在目前空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標方法中是唯一能產(chǎn)生覆蓋整個焦面探測器均勻輻射的方法，故此種方法一般情況下多用于進行相對輻射定標。但實際上若能在定標時精確測量或計算出到達焦面的輻照度，此種方法也可用作絕對輻射定標。只不過一般只能對系統(tǒng)部分光路及焦面進行絕對輻射定標。

3.2.2 基于恒星源的方法優(yōu)缺點分析

基于恒星源進行的絕對輻射定標，其優(yōu)點在于整個定標鏈路相對簡單，從而影響定標精度的誤差源相對較少，定標源到系統(tǒng)入瞳處的能量的穩(wěn)定性較高，同時定標進行的是全光路輻射定標，可以考察整個探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但對空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)來說，利用恒星源進行輻射定標，最重要的意義在于恒星在一定程度上模擬了系統(tǒng)工作時對點目標探測的情形，從而使定標更接近于系統(tǒng)真實的工作狀態(tài)。這使其具有相對于使用擴展源進行絕對輻射定標所無法比擬的優(yōu)勢。而具體說來，對于此種系統(tǒng)，如果不采用點源進行絕對輻射定標的話，由于點擴散函數(shù)PSF的影響，會使得點源在焦面上的成像不是一個點，而將是一個彌散斑，而彌散斑的大小與目標自身對系統(tǒng)的張角及PSF都相關。而目標對系統(tǒng)張角越小，PSF的影響相對就變得越大，從而其對探測性能的影響也就越大。而焦面上彌散斑大小及其相對于探測像元的位置（考慮到填充因子的影響）都有多種情況，這將對最后的定標結果產(chǎn)生重要的影響。所以利用恒星源進行定標時就可以采取一定的技術手段來定量分析及評估這些因素對定標結果影響，進而對定標結果進行更精確的修正，保證系統(tǒng)對紅外點目標探測時能更精確地獲得其輻射能量信息。

此方法的局限性在于對所選定的標準定標恒星，其光譜輻射特性的獲知需建立在大量已有天文觀測數(shù)據(jù)的基礎之上，已有數(shù)據(jù)的精度很大程度上決定此種方法的定標精度。此外恒星在系統(tǒng)入瞳處的輻照度恒定，使得此種方法幾乎不可能覆蓋探測器的整個動態(tài)范圍，并且只能實現(xiàn)局部探測像元的絕對輻射定標。要將絕對輻射定標擴展到所有像元上，則必須結合相對定標的結果。

3.2.3 基于參考球的方法優(yōu)缺點分析

基于釋放參考球進行的絕對輻射定標，由于參考球同衛(wèi)星的距離以及參考球在空間中溫度是不斷變化（這種變化通過建立熱平衡模型可以預知）的，所以其在系統(tǒng)入瞳處的輻照度也是變化的，這能有效的彌補利用恒星進行絕對輻射定標時不能覆蓋探測器的整個動態(tài)范圍的不足。如果參考球的制造工藝能保證在較高水平以及空間環(huán)境影響所產(chǎn)生的定標誤差能限制得較好的話，使用參考球定標的譜段間定標精度要比使用恒星定標高。

同時，使用釋放參考球進行在軌輻射定標的方法在工程實現(xiàn)上也是上述幾種方法中難度最大的，所以至今為止實際應用的范例很少。若采用此種方法，首先要解決的關鍵問題是參考球釋放出去以后的溫度預估。這需要大量地球及太陽背景空間數(shù)據(jù)作為地面仿真輸入，才能實現(xiàn)對參考球在軌釋放后溫度的實時預估。而這些數(shù)據(jù)需要通過大量的空間基礎科學試驗獲得。其次是釋放時參考球的指向控制及釋放后探測系統(tǒng)將其捕獲于視場中的指向控制問題。參考球釋放后的溫度預估同其空間軌道密切相關，所以在釋放時就需精確控制其釋放指向與初速度，然后計算出其空間運行軌跡，再依此控制探測系統(tǒng)的觀測指向。這些需要衛(wèi)星有很高的指向控制精度，工程實現(xiàn)起來難度較大。

3.2.4 三種方法優(yōu)缺點比較

綜上所述，適用于空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)的三種在軌輻射定標方法優(yōu)缺點比較如表2所示。

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4 結束語

本文在明確空間紅外點目標遙感探測系統(tǒng)進行在軌輻射定標時同一般對地觀測遙感器相比所存在區(qū)別及差異的基礎之上，介紹了成功進行過在軌輻射定標的該類載荷所使用的輻射定標方法并加以分析。

從分析結果可以看出，只靠一種定標方法是很難滿足所有輻射定標要求的。所以，在條件允許的情況下，應當采取多種方法進行在軌輻射定標（如圖3所示），綜合考慮定標結果，這樣才能有效提高定標精度，提升整個遙感探測系統(tǒng)工作性能。

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