海洋一號(hào)C/D衛(wèi)星在軌交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)

張可立 張永超 馬越

(1航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

星載光學(xué)遙感器在軌長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,由于受到空間環(huán)境影響以及自身探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)膜層衰退影響,輻射特性會(huì)發(fā)生變化。為獲取高輻射質(zhì)量的遙感產(chǎn)品,需要定期對(duì)在軌光學(xué)載荷進(jìn)行在軌輻射定標(biāo),及時(shí)更新定標(biāo)系數(shù)。海洋一號(hào)(HY-1)C/D衛(wèi)星是HY-1B衛(wèi)星的后續(xù)星,其主要功能是針對(duì)全球大洋、近海近岸水體進(jìn)行高精度、大范圍探測(cè),其搭載的水色水溫掃描儀、紫外成像儀幅寬均達(dá)到了3000 km。在自然界中,水體表面反射率水平較低,以最大反射率波段綠光波段為例,一類水體反射率大都小于5%,而二類水體由于泥沙等懸浮物的影響,其反射率水平達(dá)到10%左右[1]。因此要獲取準(zhǔn)確、穩(wěn)定的水色輻亮度信息,進(jìn)而提升海洋水色遙感產(chǎn)品精度,必須保證載荷的輻射準(zhǔn)確度。

目前通用的在軌定標(biāo)方法主要包括載荷自主定標(biāo)、地面定標(biāo)場(chǎng)定標(biāo),以及多星交叉定標(biāo)等方式[2-4]。針對(duì)海洋遙感衛(wèi)星大幅寬、長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn),多星交叉定標(biāo)方法無(wú)疑是首先要考慮的在軌定標(biāo)方法。多星交叉定標(biāo)方法是利用在軌多顆星長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果,采用輻射定標(biāo)精度較高的載荷為定標(biāo)精度較低的載荷進(jìn)行定標(biāo)系數(shù)修正的方法[5-6]。國(guó)際和國(guó)內(nèi)均采用過(guò)多星之間交叉定標(biāo)方法,例如采用“土衛(wèi)星”(TERRA)的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)為“陸地衛(wèi)星”(LANDSAT)的增強(qiáng)型專題制圖儀(ETM＋)和風(fēng)云一號(hào)(FY-1)D衛(wèi)星的載荷可見(jiàn)近紅外輻射計(jì)(VIRR)進(jìn)行交叉定標(biāo)等[7-10]。然而,由于定標(biāo)與被定標(biāo)載荷軌道特性不同、分辨率不同、成像時(shí)間不同等因素,導(dǎo)致定標(biāo)誤差鏈較長(zhǎng),定標(biāo)誤差較大,只能作為載荷修正定標(biāo)系數(shù)的參考。

為解決多星之間交叉定標(biāo)方法的不足,為了保證星上海洋水色遙感儀器的在軌定標(biāo)精度,首次提出HY-1 C/D衛(wèi)星在同一衛(wèi)星平臺(tái)上配置一臺(tái)星上定標(biāo)光譜儀的設(shè)計(jì)方法,并將其作為整星其它載荷的輻射定標(biāo)基準(zhǔn)源,然后對(duì)同平臺(tái)的水色水溫掃描儀、紫外成像儀進(jìn)行交叉定標(biāo)。本文從工程實(shí)踐角度進(jìn)行了分析,結(jié)果表明HY-1 C/D衛(wèi)星在軌同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)可有效提升同平臺(tái)不同光學(xué)遙感器之間的交叉定標(biāo)精度,對(duì)后續(xù)同類型光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌定標(biāo)具有重要參考意義。

1 交叉定標(biāo)基本原理

交叉定標(biāo)是利用定標(biāo)精度較高的光學(xué)遙感器作為參考,對(duì)被定標(biāo)光學(xué)遙感器進(jìn)行定標(biāo)。在交叉定標(biāo)過(guò)程中主要考慮對(duì)參考光學(xué)遙感器與被定標(biāo)光學(xué)遙感器進(jìn)行光譜函數(shù)的匹配以及光照條件的匹配[2-4]。

衛(wèi)星光學(xué)遙感器第i通道(i＝1,2,…,n)的等效輻射度為

式中:L(λ)是光學(xué)遙感器入瞳處的光譜輻亮度,單位為 W/(m2·sr·μm);S i(λ)為遙感器第i通道的光譜響應(yīng)函數(shù),通道響應(yīng)范圍設(shè)為λ1和λ2,在這個(gè)范圍之外的響應(yīng)等于0。

與輻亮度一樣,衛(wèi)星高度的等效太陽(yáng)輻照度可定義為

式中:ES(λ)是垂直于太陽(yáng)入射光線平面上的大氣外太陽(yáng)輻照度,它通常是日地平均距離處的值。

遙感器A第i通道大氣層頂(TOA)輻亮度及表觀反射率關(guān)系可表示為

式中:EAS,i為日地平均距離處的遙感器A第i通道的等效太陽(yáng)輻照度;d為真實(shí)的日地距離和日地平均距離的比值;θA為遙感器A過(guò)頂時(shí)的太陽(yáng)天頂角;ρAi為遙感器A過(guò)頂時(shí)刻太陽(yáng)天頂角θA下第i通道的表觀反射率;LAi為遙感器A第i通道的表觀光譜輻亮度,單位為W/(m2·sr·μm)。

假設(shè)參考遙感器為B的TOA輻亮度及反射率的定標(biāo)系數(shù)是已知的,可以采用遙感器B的輻亮度或表觀反射率來(lái)對(duì)遙感器A進(jìn)行定標(biāo)。遙感器A第i通道TOA輻亮度的交叉定標(biāo)如下所示。

式中:DAi、DA0,i及aAi分別表示遙感器A第i通道的數(shù)字計(jì)數(shù)值、偏置量及定標(biāo)系數(shù);DBi、DB0,i及b i分別表示參考遙感器B第i通道的數(shù)字計(jì)數(shù)值、偏置量及定標(biāo)系數(shù)為衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)太陽(yáng)輻照度得是兩個(gè)遙感器對(duì)應(yīng)通道的光譜匹配因子,它是遙感器A、B歸一化的表觀反射率的比值,包括了兩個(gè)遙感器對(duì)地物、大氣的不同響應(yīng)以及不同觀測(cè)幾何大氣路徑的匹配。

傳統(tǒng)的交叉定標(biāo),往往采用不同軌道設(shè)置的衛(wèi)星,在它們近同時(shí)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行交叉定標(biāo)。這一過(guò)程往往會(huì)由于成像條件的不匹配,兩不同衛(wèi)星載荷譜段響應(yīng)特性的差異、幾何觀測(cè)角度的不一致、大氣路徑的不同帶來(lái)交叉的差異。為減少不同軌道、不同過(guò)境時(shí)間、不同幾何觀測(cè)條件帶來(lái)的誤差,HY-1 C/D衛(wèi)星通過(guò)在星上配置具有絕對(duì)輻射定標(biāo)能力的星上定標(biāo)光譜儀來(lái)與被定標(biāo)光學(xué)遙感器(水色水溫掃描儀、紫外成像儀)進(jìn)行交叉定標(biāo)。的匹配因子,即光照條件的匹配,可以通過(guò)計(jì)算獲

2 同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)

HY-1 C/D衛(wèi)星同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是采用輻亮度基法。輻亮度基法要求定標(biāo)器與目標(biāo)遙感器在同時(shí)刻、同觀測(cè)幾何條件下對(duì)同一靶場(chǎng)進(jìn)行成像,根據(jù)大氣輻射傳輸特性,兩遙感器可獲得相同的入瞳光譜輻亮度。同時(shí),該設(shè)計(jì)要求定標(biāo)器與目標(biāo)遙感器在中心波長(zhǎng)位置、光譜響應(yīng)函數(shù)等參數(shù)上盡可能接近,以減小兩臺(tái)遙感器輻亮度傳遞過(guò)程中的誤差。

2.1 交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

HY-1 C/D衛(wèi)星同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

(1)定標(biāo)時(shí)效性:基于同一衛(wèi)星平臺(tái),定標(biāo)光譜儀在陽(yáng)照區(qū)可以與水色儀、紫外成像儀同步成像,可以對(duì)每軌的數(shù)據(jù)都進(jìn)行實(shí)時(shí)定標(biāo)和校正,能夠保證數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性和穩(wěn)定性;

(2)數(shù)據(jù)獲取自主性:基于同一衛(wèi)星平臺(tái),在軌定標(biāo)不受其它平臺(tái)遙感器限制,能夠保證數(shù)據(jù)獲取的自主性,從而保證業(yè)務(wù)化運(yùn)行工作穩(wěn)定開展;

(3)數(shù)據(jù)源豐富:基于同一衛(wèi)星平臺(tái),可以獲取不同地域、不同時(shí)相的成像數(shù)據(jù),從而增加有效定標(biāo)點(diǎn)數(shù)量,提高定標(biāo)精度;

(4)幾何觀測(cè)誤差消除:基于同一衛(wèi)星平臺(tái),在保證載荷安裝配準(zhǔn)精度的條件下,可以有效消除由于兩臺(tái)遙感器的觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)區(qū)域、觀測(cè)幾何條件不同造成的誤差,提高定標(biāo)精度。

2.2 交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程

HY-1 C/D衛(wèi)星同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示,具體過(guò)程描述如下。

(1)對(duì)于星上定標(biāo)光譜儀,作為參考光學(xué)遙感器需要具備高精度的光譜定標(biāo)及輻射定標(biāo)能力。因此,星上定標(biāo)光譜儀需要通過(guò)星上波長(zhǎng)定標(biāo)與太陽(yáng)輻射定標(biāo)分別獲得光譜響應(yīng)函數(shù)和定標(biāo)系數(shù);然后通過(guò)定標(biāo)區(qū)圖像及定標(biāo)系數(shù)獲得星上定標(biāo)光譜儀的入瞳等效輻亮度序列;最后通過(guò)光譜響應(yīng)函數(shù)和入瞳等效輻亮度序列獲得星上定標(biāo)光譜儀入瞳光譜輻亮度序列。

(2)對(duì)于水色水溫掃描儀,作為被定標(biāo)光學(xué)遙感器,需要星上定標(biāo)光譜儀通過(guò)反卷積法提供連續(xù)入瞳光譜輻亮度。反卷積過(guò)程是利用光譜儀入瞳等效輻亮度和光譜儀光譜響應(yīng)函數(shù)重構(gòu)未知入瞳輻亮度,采用三次樣條插值并累次迭代逐步逼近的方法進(jìn)行計(jì)算[11]。具體計(jì)算過(guò)程如下,設(shè)

式中:L i,0為參考遙感器第i通道的入瞳光譜輻亮度;L0為參考遙感器的入瞳光譜輻亮度;L0(λ)為L(zhǎng)0經(jīng)過(guò)三次樣條差值后得到的光譜間隔為1 nm的輻亮度,spline_interp()為三次樣條插值函數(shù),這里將光譜間隔為1 nm的輻亮度看作是準(zhǔn)連續(xù)光譜的輻亮度。

第k次光譜響應(yīng)插值結(jié)果為

式中:L ki為第k次光譜輻亮度插值結(jié)果;S i,0(λ)為參考遙感器第i通道的光譜響應(yīng)函數(shù);L k＋1(λ)為L(zhǎng) k＋1經(jīng)過(guò)三次樣條差值后得到的光譜間隔為1 nm的輻亮度;系數(shù)a為常數(shù),其取值范圍為0.5～10,一般情況下將系數(shù)a設(shè)為1。利用與迭代處置的差值逐次減小誤差,最終經(jīng)過(guò)插值后得到1 nm光譜間隔的入瞳光譜輻亮度,作為連續(xù)光譜輻亮度。

圖1 同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖Fig.1 Design process for cross-calibration based on same platform

(3)在已知水色水溫掃描儀光譜響應(yīng)函數(shù)的情況下,可計(jì)算得到水色水溫掃描儀的入瞳等效輻亮度和絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。在同平臺(tái)、同視角、同時(shí)刻觀測(cè)條件下,定標(biāo)光譜儀和水色水溫掃描儀的入瞳光譜輻亮度是相同的。在利用定標(biāo)光譜儀得到連續(xù)光譜輻亮度后,將其與水色水溫掃描儀歸一化光譜響應(yīng)函數(shù)按照式(1)進(jìn)行計(jì)算,得到水色水溫掃描儀相應(yīng)譜段的入瞳等效輻亮度值。

（3）ES 提供了RESTful API，使用JSON 格式，提供了非常優(yōu)秀的外部交互能力，使得搜索引擎能夠支持多種文件類型的搜索。ES 項(xiàng)目提供了多種語(yǔ)言版本的客戶端，包括Java、Python、.NET 和Groovy，提供了友好的二次開發(fā)平臺(tái)。

(4)通過(guò)多次觀測(cè)得到大量的交叉定標(biāo)數(shù)據(jù),利用這些輻亮度值與水色水溫掃描儀相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值進(jìn)行函數(shù)擬合,從而得到水色水溫掃描儀絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù),完成在軌同平臺(tái)交叉定標(biāo)。

3 星上定標(biāo)光譜儀設(shè)計(jì)保證

由本文第2節(jié)同一衛(wèi)星平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)可知,星上定標(biāo)光譜儀作為參考光學(xué)遙感器,需要具備高光譜分辨率、星上太陽(yáng)輻射定標(biāo)與光譜定標(biāo),以及對(duì)地觀測(cè)功能,星上定標(biāo)光譜儀主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)HY-1 C/D衛(wèi)星基于同一衛(wèi)星平臺(tái)交叉定標(biāo)需求,星上定標(biāo)光譜儀在載荷自身設(shè)計(jì)上需要保證滿足以下條件。

圖2 星上定標(biāo)光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Outline diagram of the calibration spectrometer

(1)具備高光譜分辨率。采用光柵＋面陣CCD設(shè)計(jì),在400～900 nm范圍內(nèi)可獲取光譜分辨率為5 nm的連續(xù)光譜圖像信息。

(2)具備太陽(yáng)定標(biāo)功能。采用輻射定標(biāo)漫反射板＋波長(zhǎng)定標(biāo)板＋參考漫反射板＋暗電流板的在軌定標(biāo)方式,實(shí)現(xiàn)在軌全口徑、全視場(chǎng)、全光路太陽(yáng)定標(biāo)。并通過(guò)暗電流板對(duì)成像過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行暗電流校正;通過(guò)參考板對(duì)定標(biāo)板的衰減進(jìn)行在軌校正;通過(guò)波長(zhǎng)板對(duì)光譜儀的波長(zhǎng)漂移進(jìn)行校正。

(3)具備對(duì)地觀測(cè)功能。為與水色儀、紫外成像儀等載荷3000 km幅寬相匹配,采用一維指向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)地±30°范圍內(nèi)特定區(qū)域的選擇觀測(cè),提高與被定標(biāo)載荷交叉定標(biāo)的靈活性。

在進(jìn)行星上太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)機(jī)選擇時(shí),主要考慮定標(biāo)光譜儀太陽(yáng)入射角度的變化情況,同時(shí)還要滿足對(duì)日定標(biāo)時(shí)星下點(diǎn)在陰影區(qū)內(nèi),保證地面雜散光對(duì)太陽(yáng)定標(biāo)影響降至最低。結(jié)合國(guó)外MODIS等衛(wèi)星載荷定標(biāo)設(shè)計(jì)和HY-1 C/D衛(wèi)星軌道,確定將衛(wèi)星過(guò)南北極極區(qū)且地面處于陰影區(qū)的飛行弧段作為在軌對(duì)日定標(biāo)弧段,如圖3所示。

圖3 在軌太陽(yáng)定標(biāo)區(qū)域示意圖Fig.3 On orbit calibration area for solar calibration

4 同平臺(tái)交叉定標(biāo)精度分析

根據(jù)交叉定標(biāo)基本原理,針對(duì)HY-1C/D衛(wèi)星在軌同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì),影響交叉定標(biāo)精度的因素主要包括:參考遙感器絕對(duì)定標(biāo)誤差、觀測(cè)匹配誤差、目標(biāo)遙感器相對(duì)定標(biāo)誤差和其他因素引起的誤差,如圖4所示。

圖4 HY-1 C/D衛(wèi)星交叉定標(biāo)誤差影響因素Fig.4 Influencing factors of cross-calibration for HY-1 C/D satellite

1)參考遙感器絕對(duì)定標(biāo)精度

表1 星上定標(biāo)光譜儀在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分析Table 1 Accuracy analysis of on-orbit absolute radiometric calibration for spectrometer

2)軌道匹配、空間匹配、時(shí)間匹配、觀測(cè)幾何匹配誤差

對(duì)于定標(biāo)光譜儀與水色儀和紫外成像儀安裝在同一平臺(tái)上,星下點(diǎn)幾何地面分辨率一致,成像時(shí)間能夠精確計(jì)算,通過(guò)控制各相機(jī)的光軸安裝指向精度在一定范圍內(nèi),且這些誤差部分為系統(tǒng)誤差,可以通過(guò)測(cè)量和地面處理進(jìn)行校正,而一些測(cè)量誤差和隨機(jī)誤差將會(huì)難以消除。系統(tǒng)校正前后,各載荷間星下點(diǎn)像元中心距離如表2所示。

在進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí),通常選擇水質(zhì)條件均一的大洋水體進(jìn)行,在2個(gè)像元內(nèi),目標(biāo)輻射條件幾乎一樣。通過(guò)上述分析可以看出,按照目前星上載荷安裝幾何位置關(guān)系和可能存在的誤差,可以近似認(rèn)為各交叉定標(biāo)載荷間是在同一時(shí)刻(對(duì)某目標(biāo)最大成像時(shí)間間隔相差0.6 s)、以相同觀測(cè)角度對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行成像,觀測(cè)幾何即大氣路徑和大氣參數(shù)可以認(rèn)為完全一樣,同時(shí)地表光譜特性也一樣,則到達(dá)大氣層頂相機(jī)入瞳處的能量也近似相同。因此,按照目前的整星總裝能力、載荷光軸精度以及空間環(huán)境影響條件,同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)可以將傳統(tǒng)交叉定標(biāo)時(shí)的時(shí)間不同步、幾何條件不同步、地物匹配不同步帶來(lái)的誤差忽略。

表2 同平臺(tái)各載荷間星下點(diǎn)像元中心距誤差分析Table 2 Pixel central distance analysis for instruments based on same platform km

3)光譜響應(yīng)誤差

指由于譜段差異和光譜響應(yīng)函數(shù)差異引起的光譜響應(yīng)誤差?？紤]到兩臺(tái)儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)的中心波長(zhǎng)、帶寬無(wú)法完全一致,獲取的定標(biāo)因子誤差最大可達(dá)到2%左右。因此,本文采用了光譜復(fù)原方法[11],首先獲取[400,900]nm范圍內(nèi)5 nm連續(xù)光譜輻亮度,進(jìn)一步通過(guò)反卷積方法獲得連續(xù)光譜輻亮度,最終與已知被定標(biāo)遙感器定標(biāo)響應(yīng)函數(shù)運(yùn)算后得到入瞳輻亮度的算法。采用光譜復(fù)原方法,與同譜段定標(biāo)方法相比,平均/最大誤差可降低一個(gè)數(shù)量級(jí),通道9(B9)誤差最大,但不超過(guò)0.6%[12]。

4)待定標(biāo)載荷相對(duì)定標(biāo)誤差

待定標(biāo)載荷相對(duì)定標(biāo)誤差表征水色儀或紫外成像儀圖像經(jīng)過(guò)相對(duì)輻射校正后的非均勻特性,由于同平臺(tái)遙感器定標(biāo)只針對(duì)局部小區(qū)域進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo),如果以局部輻射定標(biāo)結(jié)果代替全視場(chǎng)定標(biāo)結(jié)果,絕對(duì)輻射定標(biāo)精度將受被定標(biāo)光譜儀非均勻校正精度的影響。水色儀非均勻性校正精度優(yōu)于1%,紫外成像儀非均勻性校正精度優(yōu)于2%。

5)其他因素引起的誤差

其他因素引起的誤差主要包括待定標(biāo)遙感器的雜散光引入的誤差、偏振靈敏度引入的誤差、響應(yīng)非線性引入的誤差、響應(yīng)穩(wěn)定性引入的誤差、量化誤差以及定標(biāo)算法的引入誤差等。

綜上所述,參考地面絕對(duì)定標(biāo)精度誤差傳遞過(guò)程,采用星上定標(biāo)光譜儀進(jìn)行同平臺(tái)星上交叉定標(biāo)的精度在可見(jiàn)近紅外譜段為4.17%,紫外譜段為6.43%,如表3所示,相比于當(dāng)前多星之間7%～9%的交叉定標(biāo)精度水平有較大提升。

表3 同平臺(tái)交叉定標(biāo)精度分析Table 3 Accuracy analysis for cross-calibration based on same platform

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了HY-1 C/D衛(wèi)星同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì),即采用在星上配置具有星上絕對(duì)輻射定標(biāo)能力的定標(biāo)光譜儀,針對(duì)同平臺(tái)待定標(biāo)載荷進(jìn)行交叉定標(biāo)。HY-1 C/D衛(wèi)星同平臺(tái)交叉定標(biāo)設(shè)計(jì)不僅有效消除了傳統(tǒng)的多星之間交叉定標(biāo)方法由于不同軌道、不同時(shí)相下光譜匹配、幾何觀測(cè)等誤差影響,而且有效保證了定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的自主性和時(shí)效性。后續(xù)海洋水色遙感衛(wèi)星在進(jìn)行同平臺(tái)交叉定標(biāo)時(shí),需要注意的主要方面有:①在定標(biāo)場(chǎng)地的選取上,盡量選擇大面積均勻目標(biāo)區(qū)域作為靶區(qū),確保場(chǎng)地的均勻性;②定標(biāo)區(qū)域最好位于星下點(diǎn)周圍區(qū)域,盡量不要在圖像邊緣,而且要避開太陽(yáng)耀斑的影響;③為提高定標(biāo)穩(wěn)定度也應(yīng)增加定標(biāo)點(diǎn),因此需要獲取多個(gè)靶區(qū)或者同一靶區(qū)多時(shí)段觀測(cè)圖像數(shù)據(jù),即定標(biāo)數(shù)據(jù)滿足多時(shí)相性。