基于超光譜比值輻射儀的衛(wèi)星自動化場地定標(biāo)與分析

劉恩超、李 新、韋 瑋、翟文超、張艷娜、鄭小兵

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所、中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗室、安徽 合肥 230031

基于超光譜比值輻射儀的衛(wèi)星自動化場地定標(biāo)與分析

劉恩超、李 新、韋 瑋、翟文超、張艷娜、鄭小兵

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所、中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗室、安徽 合肥 230031

針對我國光學(xué)遙感衛(wèi)星高頻次和高精度定標(biāo)的技術(shù)需求、以及目前人工方式進行定標(biāo)的不足、調(diào)研國內(nèi)外衛(wèi)星定標(biāo)的發(fā)展現(xiàn)狀、研制了超光譜比值輻射儀自動化定標(biāo)系統(tǒng)、并開展了衛(wèi)星傳感器自動化定標(biāo)的試驗。根據(jù)場地定標(biāo)中的參數(shù)需求與自動化定標(biāo)的目標(biāo)、比值輻射儀設(shè)計積分球測量光譜總照度、并通過遮擋的方式實現(xiàn)了光譜漫照度測量、獲得衛(wèi)星定標(biāo)中的漫總比數(shù)據(jù)； 同時、輻射儀利用光學(xué)鏡頭的方式實現(xiàn)地面輻亮度測量、實現(xiàn)了大氣-地表輻射特性的自動觀測、同時儀器集成了定標(biāo)數(shù)據(jù)實時預(yù)處理和遠(yuǎn)程傳送等功能。在2015年敦煌輻射校正場試驗中、輻射儀得到了理想的應(yīng)用效果并獲得了大氣光學(xué)參數(shù)、地表反射率的數(shù)據(jù)、為衛(wèi)星傳感器的定標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持。經(jīng)過與傳統(tǒng)測量儀器的對比、地表反射率的相對偏差在0.5%～1.5%、大氣參數(shù)中光譜輻照度的絕對偏差小于5%、漫總比的絕對偏差不大于0.015%。采用輻照度基法利用測量的數(shù)據(jù)對Aqua MODIS光學(xué)遙感器的通道1～5進行了場地定標(biāo)、通道1～4的對比相對偏差小于1%、通道5的偏差結(jié)果為7.24%、驗證結(jié)果滿足了衛(wèi)星傳感器自動化定標(biāo)的初步需求。

遙感衛(wèi)星； 自動化定標(biāo)； 超光譜輻射儀； 大氣光學(xué)參數(shù)； 地表反射率

引 言

從“十二五”開始、我國光學(xué)遙感衛(wèi)星的數(shù)量、種類和定標(biāo)精度均有大幅度的提升需求。有效衛(wèi)星載荷在軌期間的性能衰變是持續(xù)的、只有保證載荷得到及時的校準(zhǔn)和校正、才能區(qū)分地球系統(tǒng)的真實變化與載荷自身的衰變。在目前的業(yè)務(wù)化場地定標(biāo)過程中、地表參數(shù)的測量均采用人工方式、受天氣條件、人力、物力的限制、目前我國的地面定標(biāo)試驗基本維持在每年一次的頻度、低頻度的定標(biāo)難以提供及時和充足的樣本數(shù)據(jù)以判斷載荷的衰變程度。

針對光學(xué)遙感衛(wèi)星高頻次、高時效和高精度定標(biāo)的新技術(shù)需求、采用人工方式已難以滿足當(dāng)前的定標(biāo)需求、為此國際上提出了自動化定標(biāo)的思路、采用無人值守的自動化觀測設(shè)備、實現(xiàn)場地和大氣參數(shù)的全自動觀測、實現(xiàn)遙感衛(wèi)星實時的衰減校正能力。近年來、國內(nèi)外研究機構(gòu)開始研發(fā)和布設(shè)自動化觀測設(shè)備并開展了自動化定標(biāo)應(yīng)用試驗、初步結(jié)果表明自動化定標(biāo)可以達到人工定標(biāo)的精度[1-3]。

在美國航空航天署(NASA)的支持下、噴氣推進實驗室(JPL)采用通道式地面自動觀測輻射計[1,4-5]LSpec和CE318、并通過自動化定標(biāo)試驗實現(xiàn)了對MODIS、Landsat ETM+、IKONOS的定標(biāo)[6]、并與在鐵路谷(RRV)進行的人工定標(biāo)結(jié)果做了交叉比對、兩者差別最大為5%。法國國家空間技術(shù)中心(CNES)在La Crau試驗場[7]設(shè)立了自動站(ROSAS)、針對SPOT的各個波段、采用CEMEL公司的太陽輻射計觀測地面反射和天空入射、已用于SPOT的在軌業(yè)務(wù)定標(biāo)。美國亞利桑那大學(xué)將地面觀測光譜輻射計布設(shè)在內(nèi)華達州鐵路谷輻射校正場(RadCaTS)[8-10]、實現(xiàn)了對Aqua MODIS、Terra MODIS、MISR、ASTER、Landsat7 ETM+和Landsat8 OLI等遙感器的定標(biāo)。目前、我國對自動化定標(biāo)方法的研究還在起步階段、場地定標(biāo)主要采用人工操作、很難支持未來全國乃至全球衛(wèi)星定標(biāo)的應(yīng)用需求。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所針對場地自動化定標(biāo)的需求、已經(jīng)逐步完成了超光譜比值輻射儀、自動化觀測輻射計[11]等自動化設(shè)備的研制、并開展了自動化定標(biāo)方法研究。同時、中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心開展了敦煌輻射校正場自動化觀測試驗、于2015年建設(shè)了自動化觀測基地并投入了使用、為自動化定標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

光學(xué)載荷場地定標(biāo)技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展、形成了以反射率基法、輻照度基法為核心的基本定標(biāo)方法。針對光學(xué)遙感衛(wèi)星自動化場地定標(biāo)的新技術(shù)需求、安徽光機所研制了一套自動化地面定標(biāo)系統(tǒng)-超光譜比值輻射儀、實現(xiàn)大氣-地表輻射特性的自動觀測、定標(biāo)數(shù)據(jù)實時預(yù)處理、智能自主控制、遠(yuǎn)程傳送等功能集成、為實現(xiàn)衛(wèi)星遙感器的自動化定標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。針對場地定標(biāo)中對大氣光學(xué)參數(shù)、地表反射率的需求、超光譜比值輻射儀利用積分球測量光譜總照度[12]、并通過遮擋的方式實現(xiàn)了光譜漫照度的測量、同時、利用光學(xué)鏡頭的方式實現(xiàn)了地面輻亮度的測量、為衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持。超光譜比值輻射儀在2015年8月參加了國家衛(wèi)星氣象中心組織的敦煌輻射校正場衛(wèi)星定標(biāo)試驗、得到了理想的應(yīng)用效果并測量到正確的數(shù)據(jù)。針對測量的數(shù)據(jù)、利用輻照度基法對Aqua MODIS光學(xué)遙感器進行了場地定標(biāo)[13]、對比驗證結(jié)果滿足儀器滿足設(shè)計要求、初步實現(xiàn)了衛(wèi)星傳感器自動化定標(biāo)的功能需求。

1 超光譜比值輻射儀介紹

針對衛(wèi)星遙感器場地定標(biāo)的地表參數(shù)的需求、超光譜比值輻射儀可以實現(xiàn)地面光譜反射率觀測、天空光漫射照度/總照度比(漫總比)測量； 為了保證儀器運行過程中的實時校正、輻射儀開發(fā)了輻射/光譜自校準(zhǔn)功能； 為了實現(xiàn)輻射儀無人值守的自動化運行目標(biāo)、結(jié)合敦煌輻射校正場位置偏僻、信號弱的功能、儀器開發(fā)了基于北斗無線通信的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸與控制功能、并為輻射儀配備了太陽能供電、實現(xiàn)儀器的單機自動化運行。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 超光譜輻射儀系統(tǒng)圖

超光譜比值輻射儀的入射光勻光積分球設(shè)計有兩個入光孔和一個出光口、其中上入光孔用于觀測天空入射光、下入光孔與反射觀測鏡頭相連接用于觀測地面反射、采用切換方式分時切入兩路入射光、通過出光口處的光纖束導(dǎo)入分光探測模塊。儀器設(shè)計的特點是天空輻照度觀測和地面反射輻亮度觀測共用一套積分球和分光探測系統(tǒng)、一套觀測設(shè)備可以實現(xiàn)天空光漫射輻照度/總輻照度比值及地面反射率的全自動測量、避免了光譜匹配誤差和傳統(tǒng)測量方式的儀器間系統(tǒng)誤差、可以提高現(xiàn)場的觀測精度和輻射傳輸計算及定標(biāo)應(yīng)用的精度。

超光譜比值輻射儀的工作模式主要采用如下兩種：

(1)大氣特性觀測模式：包括天空總照度、漫射照度、天空光漫總比和大氣光學(xué)厚度觀測、該觀測模式全面的反映了場地大氣光學(xué)特性、準(zhǔn)確表征場地的大氣類型、有效提高輻射傳輸計算的精度。

大氣光學(xué)特性觀測要求儀器處于水平狀態(tài)、在天空光切入、不遮擋情況下實現(xiàn)入射總照度Et(λ)的測量、如圖2(a)所示； 在遮擋積分球入光孔直射情況下、實現(xiàn)測量天空漫射光照度Edif(λ)的測量、如圖2(b)所示； 漫射照度與總照度測量值之比即為漫總比R(λ)、見式(1)。全照度、漫射照度、直射照度及漫總比的現(xiàn)場測量直接反映了場地的氣溶膠類型、輻射傳輸計算時不需要假定氣溶膠模式參數(shù)、減小了輻射傳輸計算的不確定度。

(1)

圖2 大氣特性觀測模式

總照度測量與漫射照度值之差為太陽光透過大氣層到達地面的直射照度、見式(2)、太陽光照度的衰減符合郎伯-比爾定律、如式(3)所示。

E(λ)=Et(λ)-Edif(λ)

(2)

E(λ)/cos(θs)=E0(λ)(d0/d)2exp[-mτ(λ)]

(3)

式中、E(λ)為地面測量的太陽直射輻照度、E0(λ)為大氣上界的太陽直射輻照度、d0/d為日地平均距離修正因子、m為大氣質(zhì)量、τ(λ)為大氣光學(xué)厚度、θs為測量時刻的太陽天頂角。式(3)中、儀器經(jīng)過定標(biāo)后僅τ(λ)為未知量、根據(jù)地面測量值即可得到現(xiàn)場的大氣光學(xué)厚度、計算方法如式(4)所示。

τ(λ)=(1/m)×[lnE0(λ)-ln(E(λ)/cosθs)+2ln(d0/d)]

(4)

(2)地表反射率觀測模式：該模式測量地面輻亮度、根據(jù)天空總照度的測量結(jié)果、計算得到地表反射率數(shù)據(jù)、為場地定標(biāo)提供必要的輸入?yún)?shù)。

地面反射率觀測需要儀器水平放置并保證地面反射光切入、測量獲得地面反射亮度L(λ)、如圖3所示。反射測量值與模式(1)總照度測量值之比即為地表反射率、見式(5)。由觀測原理可知、對地反射率測量與天空光測量在進入光纖束之后的光路完全一致、測量過程通過一個儀器完成地表反射率的測量、可以避免測量引起其他的儀器或設(shè)備誤差對測量結(jié)果造成影響、且儀器自主運行過程中實現(xiàn)地表反射率的單機測量、實現(xiàn)了自動化測量功能、為輻射儀的一個創(chuàng)新點。

(5)

圖3 地表反射率觀測模式

2 自動化定標(biāo)數(shù)據(jù)分析

2.1 輻照度基法簡介[14]

衛(wèi)星遙感器絕對輻射定標(biāo)的最基本方法為反射率基法、這種方法以測量的地表反射率和大氣參數(shù)計算得到表觀輻亮度、不過引入了氣溶膠散射的一些近似。近年來、隨著敦煌輻射校正場周圍的開發(fā)、場地定標(biāo)期間氣溶膠的變化較大、我們在衛(wèi)星定標(biāo)中多采用輻照度基法進行計算、這種方法在測量需要的地面反射率、大氣特性參數(shù)外、還需要漫總比的測量、下面對輻照度基法的定標(biāo)原理做簡單說明、為后續(xù)數(shù)據(jù)說明應(yīng)用原理。

衛(wèi)星傳感器在空間測量波長λ處的輻亮度Lλ(θv,θs,φv-φs)、可以表示為表觀反射率、如式(6)所示，

(6)

其中E0λ是大氣外界的太陽輻照度、θv,θs,φv和φs分別代表觀測的和太陽的天頂角和方位角、μs=cosθs。

對于反射率為ρ的均勻朗伯地表、衛(wèi)星傳感器的表觀反射率為式(7)，

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg(μs，μv)×

(7)

其中τ是總的大氣散射透過率、ρA是大氣內(nèi)反射率、S是大氣的球面反照率、Tg是氣體吸收透過率。

根據(jù)輻射傳輸方程和地面接收輻照度的分解、太陽-目標(biāo)的透過率、衛(wèi)星-目標(biāo)的透過率可以表示為式(8)和式(9)，

(8)

(9)

其中δ為大氣光學(xué)厚度、αs和αv分別為太陽方向和觀測方向的漫總比。

將式(8)和式(9)代入式(7)中、可以得到式(10)、輻照度基法就是將測量的地表反射率、大氣參數(shù)、漫總比代入式(10)中、Tg、ρA和S利用6S模式進行計算、最終根據(jù)表觀反射率數(shù)據(jù)得到衛(wèi)星傳感器入瞳處的表觀輻亮度、完成衛(wèi)星傳感器的定標(biāo)過程。

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg×

(10)

2.2 地表反射率自動化測量

衛(wèi)星傳感器的場地定標(biāo)是基于地表反射率的實測值、利用輻射傳輸模式推算到傳感器入瞳處得到表觀反射率、根據(jù)傳感器測量的DN值完成輻射定標(biāo)。我國在場地定標(biāo)開始至今、地表反射率的測量多采用ASD[15]、SVC[16]等手動測量儀器、這種儀器是國內(nèi)外定標(biāo)中常用的儀器、在歷年來的場地定標(biāo)中也得到了驗證、不過儀器的操作一直采用人工控制的測量方式、測量原理是基于地表輻亮度和漫反射板的輻亮度結(jié)果進行比值得到。超光譜比值輻射儀的研發(fā)首要就是解決地表反射率的自動化測量問題、根據(jù)漫反射板輻亮度和總照度的理論關(guān)系、設(shè)計了一個儀器、兩個入光孔的設(shè)計思路、分別測量地表輻亮度和入射總照度的結(jié)果、最終推算出地表反射率的測量值、實現(xiàn)自動化測量的目的。

在2015年敦煌輻射校正場的試驗中、選取了8月19日的數(shù)據(jù)進行了對比分析 、如圖4所示。圖中給出了超光譜輻射儀、SVC和自動化觀測輻射計[11]相同時間的地表反射率的測量結(jié)果、其中在400～1 000nm波段超光譜輻射儀與SVC的偏差小于0.5%、在1 000～1 600nm之間兩者的偏差小于1.5%、近紅外波段的偏差較大是由于測量地面的差異對紅外波段影響較大引起。從數(shù)據(jù)比對結(jié)果可以得出、超光譜比值輻射儀自動化測量的地表反射率基本可以代替SVC人工測量的數(shù)據(jù)進行應(yīng)用、在利用輻射儀的地表反射率對Aqua MODIS進行定標(biāo)時、測量值需與Aqua的光譜響應(yīng)函數(shù)進行卷積、得到不同通道的地表反射率、計算得到的Aqua MODIS的通道1～5的地表反射率如表1所示。

圖4 地表反射率測量數(shù)據(jù)

表1 Aqua MODIS通道1～5的等效地表反射率

2.3 大氣特性測量

大氣特性可以完全反應(yīng)衛(wèi)星傳感器定標(biāo)過程中的天氣狀況、為了對比值輻射儀的輻照度結(jié)果做出評價、選定無云、氣溶膠較小的天氣條件下、通過實驗與光譜輻照度儀的光譜測量結(jié)果、MODTRAN模擬結(jié)果作了對比。超光譜比值輻射儀、光譜輻照度儀都經(jīng)過了實驗室輻射定標(biāo)、可以推算出不同波長下的地面太陽光譜輻照度。利用MODTRAN進行總照度模擬時、選用了與6S計算相同的550 nm的氣溶膠光學(xué)厚度(0.170)作為輸入?yún)?shù)。

圖5中給出了400～2 400 nm波段的對比輻照度值、由圖中可以看出、三者得到的地面光譜輻照度結(jié)果太陽輻照度趨勢一致、在水汽吸收峰和氧氣吸收峰上測量輻照度值明顯減小、吸收峰的波長值相同、證明了儀器在設(shè)計原理和波長定標(biāo)中的正確性。不過兩個儀器的測量絕對值存在5%的偏差、考慮到兩者測量的時間、地點一致、判斷為輻射定標(biāo)引起的偏差。與MODTRAN的模擬結(jié)果偏差考慮是由輻射傳輸模式計算引起、計算是大氣類型、臭氧、水汽的絕對量的偏差都會造成最終結(jié)果的偏差。

圖5 太陽光譜總照度的對比

2.4 漫照度/總照度測量

在利用輻照度基法進行衛(wèi)星傳感器的場地定標(biāo)時、通過漫總比數(shù)據(jù)來描述下行和上行路徑上的大氣透過率、即太陽方向漫總比和衛(wèi)星觀測方向漫總比。太陽方向漫總比利用輻射儀直接觀測的數(shù)據(jù)、與衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)進行卷積得到。設(shè)定衛(wèi)星過頂時刻的太陽天頂角和衛(wèi)星觀測天頂角分別為θs和θv、在大氣條件穩(wěn)定時衛(wèi)星觀測方向漫總比等同于太陽天頂角θs=θv時刻的漫總比、根據(jù)漫總比與大氣質(zhì)量數(shù)的線性關(guān)系、需要經(jīng)過外推或內(nèi)插得到衛(wèi)星觀測方向漫總比。

圖6中給出了衛(wèi)星過頂時刻輻射儀測量的漫總比數(shù)據(jù)、圖6(b)中為輻射儀與太陽輻照度儀的漫總比對比曲線、根據(jù)數(shù)據(jù)比對、400～900 nm波段兩者的絕對偏差不大于0.015%、900～1 300 nm波段的數(shù)據(jù)對比不太理想、這是由于太陽輻照度儀的線性定標(biāo)引起、比值輻射儀數(shù)據(jù)符合漫總比數(shù)據(jù)規(guī)律、最終采用過頂衛(wèi)星與漫總比數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 漫總比測量數(shù)據(jù)

表2 漫總比數(shù)據(jù)

2.5 儀器自動化測量數(shù)據(jù)

如前面多次提到、超光譜比值輻射儀設(shè)計的目的是實現(xiàn)自動化的場地定標(biāo)、這對儀器的可靠性、穩(wěn)定性要求很高、在2015年為期14天的敦煌試驗中、輻射儀經(jīng)受了高溫、高風(fēng)沙的惡劣環(huán)境考驗、測量得到了場地定標(biāo)需要的有效數(shù)據(jù)。前面已經(jīng)給出了關(guān)于場地定標(biāo)需要參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)果、并進行了對比、圖7給出了定標(biāo)測量時間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)、在圖7(a)中給出了不同時刻的總照度的結(jié)果、可以看出儀器在12點15分到19點13分的時間內(nèi)工作穩(wěn)定、并且從圖7(a)的幾個波長隨時間的變化可以看出、光譜總照度隨時間呈余弦特性、并且測量數(shù)據(jù)平滑、其中在18點30分天氣有云時、儀器也有相應(yīng)的變化。

圖7 自動化測量數(shù)據(jù)

3 衛(wèi)星場地定標(biāo)應(yīng)用

為了驗證超光譜比值輻射儀在衛(wèi)星自動化場地定標(biāo)中的應(yīng)用效果、利用8月19號的測量數(shù)據(jù)對Aqua MODIS進行了定標(biāo)。根據(jù)衛(wèi)星過頂時刻的大氣參數(shù)、如表3所示、結(jié)合計算的表1中的MODIS的等效地表反射率、表2中的太陽和衛(wèi)星角度的漫總比數(shù)據(jù)、利用6S輻射傳輸模型、基于輻照度基法進行了計算、得到了各波段的表觀輻亮度、如表4中所示。

利用GPS數(shù)據(jù)進行星地測區(qū)幾何校準(zhǔn)、提取測區(qū)的2×2像元并取平均值、結(jié)合星上定標(biāo)系數(shù)可獲得MODIS觀測到的表觀輻亮度、同時利用人工測量的數(shù)據(jù)進行了Aqua MODIS的場地定標(biāo)、同樣得到了傳感器入瞳處的表觀輻亮度、如表4中所示。根據(jù)超光譜比值輻射儀自動化測量數(shù)據(jù)的定標(biāo)結(jié)果、人工測量的定標(biāo)結(jié)果以及計算得到的相對偏差可以看出、通道1～4的相對偏差在1%以內(nèi)、定標(biāo)結(jié)果的一致性很好、通道5波段的偏差較大、誤差主要來源于測量過程中地表反射率的差異對近紅外波段的影響。

表3 衛(wèi)星過頂時刻的大氣參數(shù)

表4 定標(biāo)計算的與Aqua測量的表觀輻亮度

Table 4 Top-of-atmosphere spectral radiance between Aqua MODIS and calibration results

通道表觀輻亮度/(W·m-2·sr-1·μm-1)MODIS輻射儀人工測量Relativedeviation/%198.330100.0299.840.18265.10767.1866.630.823108.577108.85108.690.154103.013104.19103.280.87533.81237.9835.237.24

4 結(jié) 論

近年來隨著我國光學(xué)遙感衛(wèi)星的數(shù)量、種類和定標(biāo)精度的提升、采用人工方式進行的業(yè)務(wù)化場地定標(biāo)已不能及時反映衛(wèi)星載荷的衰變。通過調(diào)研國際上開展的自動化定標(biāo)思路、安光所開展了衛(wèi)星傳感器的自動化定標(biāo)試驗、并研制了超光譜比值輻射儀自動化定標(biāo)系統(tǒng)。比值輻射儀實現(xiàn)了大氣-地表輻射特性的自動觀測、儀器的智能控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)淖詣踊δ?。針對場地定?biāo)中對大氣光學(xué)參數(shù)、地表反射率的需求、超光譜比值輻射儀利用光學(xué)鏡頭的方式實現(xiàn)了地面輻亮度的測量、與SVC的測量相對偏差在0.5%～1.5%。利用積分球測量光譜總照度、并通過遮擋的方式實現(xiàn)了光譜漫照度的測量、與光譜輻照度儀的總照度偏差小于5%、漫總比絕對偏差不大于0.015%。

超光譜比值輻射儀在2015年8月參加了敦煌輻射校正場衛(wèi)星定標(biāo)試驗、得到了理想的應(yīng)用效果并測量到正確的數(shù)據(jù)。針對測量的數(shù)據(jù)、利用輻照度基法對Aqua MODIS光學(xué)遙感器的通道1～5進行了場地定標(biāo)、通道1～4的對比相對偏差小于1%、通道5的偏差結(jié)果為7.24%、驗證結(jié)果滿足了衛(wèi)星傳感器自動化定標(biāo)的初步需求。不過輻射儀在1 600～2 500 nm波段的信號還沒有達到完全應(yīng)用的效果、下一步的工作中需要繼續(xù)改進、盡早實現(xiàn)衛(wèi)星傳感器的自動化定標(biāo)業(yè)務(wù)運行。

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Automatic Field Calibration and Analysis of Satellite Based on Hyper-Spectral Ratio Radiometer

LIU En-chao,LI Xin,WEI Wei,ZHAI Wen-chao,ZHANG Yan-na,ZHENG Xiao-bing

Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China

With the demand of calibration technology of high frequency and high precision in terms of the optical remote sensing satellite of China,and the deficiency of the artificial work,the automatic system of hyper-spectral ratio radiometer was developed by investigation the calibration situation of domestic and abroad satellite,then the automatic calibration of satellite sensor was carried out. According to the parameters demand of field calibration and the goal of automation,the ratio radiometer was designed to measure global spectral irradiance by integrating sphere,and the diffuse spectral irradiance was measure by the shelter,so the diffuse-global ratio was calculated by these data. Simultaneity the ground radiation was measured with radiometer optical-lens and the automatic observation of atmospheric and surface radiation characteristics was achieved,In addition,the data pre-processing of real-time and remote transmission were integrated in the system. With the field test on the Dunhuang radiometric calibration sites in 2015,the radiometer worked in an ideal way,and the atmospheric optical parameters and surface reflectance data were acquired,which support the calibration of satellite sensor. The comparison with the traditional measurement was carried,the relative deviation of the surface reflectance is less than 5%,and the absolute deviation of the atmospheric parameters is less than 5% and the diffuse ratio is less than 0.015%. According to the measured data and based on irradiance-based method,the field calibration applied to the band 1～5 of Aqua MODIS,the relative deviation of band 1～4 is less than 1% while the band 57.24%,so the requirement of the automatic calibration of the satellite sensor was satisfied preliminarily.

Remote sensing satellite； Automatic calibration； Hyper-spectral radiometer； Atmospheric optical parameters； Surface reflectance

Nov. 9,2015; accepted Apr. 9,2016)

2015-11-09、

2016-04-09

國家(863計劃)項目(2015AA123702)和安徽省自然科學(xué)基金青年項目(1508085QD80)資助

劉恩超、1985年生、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院助理研究員 e-mail: liuech@aiofm.ac.cn

TP722

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4076-06