大視場(chǎng)偏振多光譜相機(jī)的在軌輻射定標(biāo)研究進(jìn)展

陳興峰， 劉 李， 葛曙樂(lè)， 李 新， 張凱南， 楊本永

1. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101 2. Finnish Meteorological Institute, Helsinki 00101, Finland 3. 中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心， 北京 100094 4. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所， 中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230031

引 言

行星大氣橫亙?cè)诤教爝b感器和行星表面之間， 尤其是地球大氣， 是對(duì)地光學(xué)定量遙感的重要研究問(wèn)題。 大氣中的氣溶膠自身對(duì)環(huán)境和全球變化有著重大影響， 同時(shí)通過(guò)與云的相互作用對(duì)氣候產(chǎn)生影響。 氣溶膠是國(guó)內(nèi)外大氣遙感的一種重要研究目標(biāo)。 偏振是電磁波作為橫波的一種特性。 太陽(yáng)發(fā)出的光是非偏光， 在輻射傳輸過(guò)程中， 大氣起偏能力較強(qiáng)， 而大部分地表起偏能力相對(duì)較弱。 偏振探測(cè)有利于增強(qiáng)大氣的信息而相對(duì)抑制地表信息。 為了更準(zhǔn)確獲取更多氣溶膠特征， 多角度、 多光譜探測(cè)會(huì)增加求解未知數(shù)的更多輸入信息。 1996年， 由法國(guó)國(guó)家空間研究中心Centre national d’études spatiales (CNES) 支持， LILLE大學(xué)大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制開(kāi)發(fā)的POLDER (Polarization and Directionality of the Earth’s Reflectances) 傳感器， 搭載在日本的Advanced Earth Observing Satellite 1 (ADEOS-1)衛(wèi)星發(fā)射上天。 POLDER觀測(cè)地氣系統(tǒng)反射的多角度偏振太陽(yáng)輻射， 可以反演大氣氣溶膠和云的相關(guān)產(chǎn)品， 服務(wù)于氣候和全球變化研究。 POLDER傳感器共三次被發(fā)射上天， 因?yàn)锳DEOS-1和ADEOS-2衛(wèi)星故障， 前兩次在軌運(yùn)行的時(shí)間都只有幾個(gè)月， 但是獲取了大量有意義的對(duì)地觀測(cè)多角度、 多光譜、 偏振遙感數(shù)據(jù)[1]， 2004年12月8日第三次搭載法國(guó)和美國(guó)合作的“衛(wèi)星列車(A-Train)”計(jì)劃中的Polarization & Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar (PARASOL)， 最終成功地長(zhǎng)期在軌運(yùn)行， 肯定了POLDER傳感器多光譜多角度偏振觀測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]， 形成了多角度偏振觀測(cè)的理論和方法體系； 2013年P(guān)ARASOL結(jié)束任務(wù)， 之后尚無(wú)長(zhǎng)期運(yùn)行的大視場(chǎng)航天偏振遙感器[3]。 中科院遙感所和安光所開(kāi)展了偏振遙感相機(jī)Directional Polarized Camera (DPC)的航空預(yù)研工作， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)[4]、 研制[5]、 定標(biāo)[3, 6]、 數(shù)據(jù)處理與反演、 真實(shí)性檢驗(yàn)等工作， 全面論證DPC升級(jí)為航天版發(fā)射上天的可行性， 通過(guò)航空遙感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練大氣[7]、 地表[8-9]、 海洋等相關(guān)算法。

我國(guó)高分五號(hào)衛(wèi)星(2018年5月9日發(fā)射成功)搭載的DPC， 技術(shù)指標(biāo)如表1所示， 是與POLDER同類型的遙感器。 通過(guò)濾光片和偏振片組合轉(zhuǎn)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)多光譜偏振觀測(cè)， 通過(guò)大視場(chǎng)沿軌重復(fù)拍攝可以在不同觀測(cè)角度下多次拍到同一地面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多角度觀測(cè)。 DPC的結(jié)構(gòu)和多角度拍攝模式如圖1所示。

表1 高分五號(hào)衛(wèi)星多角度偏振相機(jī)技術(shù)指標(biāo)

后續(xù)， 中國(guó)[10]、 歐洲[11]、 美國(guó)[12]都有多個(gè)同類型航天遙感器發(fā)射計(jì)劃， 多角度、 偏振、 多光譜類型載荷的每個(gè)產(chǎn)品反演精度都強(qiáng)烈依賴于定標(biāo)精度， 發(fā)射后的持續(xù)在軌定標(biāo)是必需的定量化保障， 也是整個(gè)地面處理和應(yīng)用系統(tǒng)定量化處理的第一步。 我國(guó)陸地衛(wèi)星定標(biāo)缺乏此類傳感器相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1 載荷輻射傳遞模型和定標(biāo)系數(shù)

遙感傳感器的定標(biāo)是遙感反演定量化的基礎(chǔ)和首要工作[13]。 首先明確研究定標(biāo)內(nèi)容的含義： 建立儀器測(cè)量值與已知標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的關(guān)系。 按照定標(biāo)的內(nèi)容可以分為光譜、 輻射、 幾何三部分[14]。 光譜定標(biāo)的內(nèi)容是波段寬度、 中心波長(zhǎng)、 光譜響應(yīng)函數(shù)等[15]； 幾何定標(biāo)的內(nèi)容是主距、 像主點(diǎn)偏移量等內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)等[16]； 而輻射定標(biāo)則包含了輻射強(qiáng)度和偏振兩部分。

POLDER和DPC作為輻射定量化程度很高的載荷， 持續(xù)的在軌定標(biāo)尤為重要[17]， 這類載荷的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖2所示的組成。

圖1 我國(guó)多角度偏振相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)示意(a) 和多角度成像模式(b)

Fig.1 The Optical machine structure (a) and multi-angle imaging mode (b) of the Chinese Directional Polarized Camera

圖2 多角度偏振相機(jī)單個(gè)通道的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

光學(xué)傳遞過(guò)程經(jīng)歷4部分： 鏡頭(lens)、 濾光片(spectral filter)、 偏振片(polarizer)、 電耦合器件(CCD)共同影響入瞳光， 最終在CCD上輸出數(shù)碼值(digital number, DN)。 光的偏振態(tài)通常使用Stokes矢量(I,Q,U,V)來(lái)表示， 其中I表示總輻射強(qiáng)度(遙感中可等同于輻亮度)，Q表示平行或垂直于參考平面的線偏振的強(qiáng)度，U表示與參考平面成45°角上的線偏振的強(qiáng)度，V表示圓偏振強(qiáng)度。 對(duì)地遙感中一般認(rèn)為V=0[18]。 多角度偏振相機(jī)的實(shí)際輻射傳遞模型[19]可以表達(dá)為式(1)。

NDa=AλTλ，apg(p1(θ)+p2(θ)Q+p3(θ)U)+C

(1)

其中

(2)

式(1)和式(2)中包含的參數(shù)描述了多角度偏振相機(jī)的特性， 構(gòu)成了待定標(biāo)系數(shù)的體系，DNa是某波段第a通道探測(cè)得到的DN值，C是暗電流探測(cè)值(相機(jī)直接拍攝獲取)，αa偏振片檢偏角度(是固定的數(shù)值)：

Aλ， 絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)， 該參數(shù)取決于相機(jī)的光學(xué)傳遞所有過(guò)程， 每個(gè)波段的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)值；

p， 空間響應(yīng)低頻分量， 描述光學(xué)鏡頭在不同視場(chǎng)角θ下透過(guò)率不同而導(dǎo)致的圖像中間像元較亮， 邊緣較暗的低頻透過(guò)特性；

g， 空間響應(yīng)高頻分量， 描述某波段第a通道的電耦合器件為主造成的單個(gè)探元(i,j)之間響應(yīng)差異；

Ta， 相對(duì)第2檢偏通道的透過(guò)率， 該參數(shù)描述了同一波段不同檢偏通道的偏振片-濾光片組合透過(guò)特性差異， 其中a=1, 2, 3， 且T2=1；

ε(θ)， 光學(xué)鏡頭起偏度， 描述光學(xué)鏡頭在不同視場(chǎng)角θ下對(duì)光線的起偏量， 這是偏振相機(jī)作為一個(gè)光學(xué)儀器對(duì)待測(cè)量光線引入的偏振偏差；

η， “偏振片的檢偏程度”， 這是本文給出的名稱。 該參數(shù)的描述在諸多文獻(xiàn)中名稱不一[19-21]。 但從公式中的作用來(lái)說(shuō)， 等于非偏光透過(guò)線偏振片后的偏振度數(shù)值。

上述6個(gè)待定標(biāo)參數(shù)中， 前3個(gè)可以歸類為輻射強(qiáng)度類定標(biāo)系數(shù)， 后3個(gè)可以歸類為偏振類定標(biāo)系數(shù)。 而在軌之后， 僅利用自然目標(biāo)進(jìn)行替代定標(biāo)， 很難提供高于傳感器偏振測(cè)量能力的參考基準(zhǔn)， 因此偏振類定標(biāo)系數(shù)在軌替代定標(biāo)并非全部具有很高精度。

2 在軌替代定標(biāo)方法發(fā)展

目前認(rèn)為利用搭載人工參考源的星上定標(biāo)精度最高， 而不具備星上定標(biāo)條件的傳感器普遍使用場(chǎng)地替代定標(biāo)。 但大視場(chǎng)的偏振光學(xué)遙感器在軌輻射定標(biāo)卻面臨挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一： 載荷沒(méi)有星上定標(biāo)器。 一般來(lái)說(shuō)旋轉(zhuǎn)掃描型的遙感器在不必要成像的某些掃描范圍(超出對(duì)地觀測(cè)視場(chǎng)的部分)可以對(duì)準(zhǔn)星上定標(biāo)器工作， 如Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)[22]。 偏振類型的掃描型傳感器也可以使用星上定標(biāo)， 例如美國(guó)多次發(fā)射失敗的Aerosol Polarimetry Sensor (APS)[23]和我國(guó)在研的偏振掃描儀[24]， 而寬視場(chǎng)多角度的相機(jī)很難在星上配備星載定標(biāo)參考源。 所以衛(wèi)星上天后只能采用自然的替代參考源進(jìn)行定標(biāo)[21]。

挑戰(zhàn)二： 難以使用場(chǎng)地定標(biāo)。 POLDER和DPC定量化要求高， 需要快速、 省力的定標(biāo)方法來(lái)保障高定標(biāo)頻次， 場(chǎng)地定標(biāo)較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 在人工測(cè)量的情況下定標(biāo)頻次不足。 法國(guó)發(fā)展“La Crau”定標(biāo)場(chǎng)也很早[25]， 這類載荷具有很大的視場(chǎng)和刈幅， 分光器件(濾光片)和檢偏器件(濾光片)也會(huì)使到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器的光被削弱[26]， 且空間分辨率低， 為7 km×6 km。 法國(guó)La Crau定標(biāo)場(chǎng)只有15 km×10 km[25]， 不具備使用場(chǎng)地定標(biāo)條件。 我國(guó)用于氣象、 資源[27]、 高分[28]、 環(huán)境[29]等系列衛(wèi)星的敦煌定標(biāo)場(chǎng)(如圖3)， 均一戈壁灘不足20 km×20 km， 邊長(zhǎng)僅對(duì)應(yīng)3個(gè)POLDER像元， 即使我國(guó)DPC分辨率提升(約為3.5 km)， 也難以完成星地?cái)?shù)據(jù)匹配。

圖3 敦煌遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)(40.08°N, 94.4°E)

挑戰(zhàn)三： 單一場(chǎng)地(場(chǎng)景)不適用于所有參數(shù)。 輻射強(qiáng)度和偏振的多個(gè)定標(biāo)系數(shù)， 無(wú)法使用單一場(chǎng)地來(lái)完成定標(biāo)， 需要各種具有在特定條件下提供高精度輻射參考的多種自然場(chǎng)景來(lái)完成。

受限于以上原因， 星上定標(biāo)法和場(chǎng)地定標(biāo)法難用于多角度偏振相機(jī)在軌定標(biāo)。 利用其他面積更大的、 均一的自然景物作為替代參考光源的方法成為其主要在軌定標(biāo)方法。

2.1 絕對(duì)輻射強(qiáng)度

絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)A是整個(gè)光學(xué)相機(jī)在軌定標(biāo)最重要的定標(biāo)系數(shù)。 鑒于POLDER的成功， 后續(xù)同類型遙感器的發(fā)射計(jì)劃較多， 且沿用其定標(biāo)策略。 POLDER引入了利用海洋場(chǎng)景定標(biāo)的瑞利散射定標(biāo)[30]加太陽(yáng)耀光傳遞定標(biāo)[31]方法等。 “海洋瑞利散射”是相對(duì)較暗的目標(biāo)， 而太陽(yáng)耀光是較亮的目標(biāo)， 這屬于一個(gè)是低端響應(yīng)而另一個(gè)是高端響應(yīng)。 事實(shí)上當(dāng)前光電轉(zhuǎn)換器件的線性度很好， 例如我國(guó)DPC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的各波段線性擬合系數(shù)r-square均在0.997以上[6]。 所以瑞利散射定標(biāo)加太陽(yáng)耀光傳遞定標(biāo)方案被認(rèn)為是適用于多角度偏振相機(jī)的， 成為了POLDER業(yè)務(wù)化定標(biāo)方法， 同時(shí)通過(guò)時(shí)間序列定標(biāo)監(jiān)控遙感器在軌衰變規(guī)律[32]。 但在我國(guó)高分等系列衛(wèi)星的地面處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)化定標(biāo)中， 目前大都使用場(chǎng)地定標(biāo)， 瑞利散射、 太陽(yáng)耀光、 云等自然景物定標(biāo)方法在業(yè)務(wù)化中的實(shí)用， 處于嘗試階段。

2.1.1 海洋場(chǎng)景瑞利散射

瑞利散射定標(biāo)的基本原理是在一類潔凈大洋水體上空， 水體反射率極低， 大氣中氣溶膠含量極少時(shí)， 例如以550 nm處氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth, AOD)小于0.1為條件， 遙感器入瞳信號(hào)中瑞利散射的貢獻(xiàn)最高可達(dá)90%以上[33]。 瑞利散射定標(biāo)是一種使用海洋場(chǎng)景進(jìn)行的輻射定標(biāo)方法， 最早由Fraser和Kaufman提出[34]， 用于Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES5和GOES6) Visible Infrared Spin-Scan Radiometers (VISSR)絕對(duì)輻射定標(biāo)， 精度達(dá)到2%。 Vermote等[35]將瑞利散射方法應(yīng)用于Satellite Pour l’Observation de la Terre (SPOT)中心波長(zhǎng)450和550 nm通道在軌定標(biāo)， 精度分別達(dá)到3%和5%。 Hagolle等[32]將此應(yīng)用于POLDER絕對(duì)輻射定標(biāo)， Bruniquel等[36]用于Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor (SeaWiFS)， Fougnie等[37]用于MODIS， 海洋水色傳感器定標(biāo)精度約為3%～4%。 Chen等[38]專門安排陸地衛(wèi)星GF-1/WFV拍攝海洋圖像， 將瑞利散射定標(biāo)方法引入到高分辨率陸地衛(wèi)星上面， 并針對(duì)22個(gè)樣本初步分析了太陽(yáng)天頂角等引入誤差的大小， 最終定標(biāo)精度優(yōu)于5%。 瑞利散射定標(biāo)的地表是采用水體的Bidirectional Reflectance Distribution Function (BSDF)模型， 具有適合多角度大視場(chǎng)相機(jī)定標(biāo)的優(yōu)勢(shì)， 但是需要輸入大量的海洋大氣參數(shù)， 這些參數(shù)來(lái)自于其他衛(wèi)星觀測(cè)或者再分析資料[39]， 需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制才能保障精度。 顧名思義， 瑞利散射定標(biāo)在強(qiáng)瑞利散射情況下適用， 所以定標(biāo)的光譜范圍為短波長(zhǎng)波段(中心波長(zhǎng)670 nm以下波段)。 單點(diǎn)瑞利散射定標(biāo)精度難以保障， 多點(diǎn)定標(biāo)和定標(biāo)樣本的嚴(yán)格篩選是必要的。

至于更長(zhǎng)波長(zhǎng)的近紅外波段， 采用太陽(yáng)耀光波段間傳遞定標(biāo)的方法， 將短波長(zhǎng)波段定標(biāo)結(jié)果傳遞至910 nm等波段。

2.1.2 海洋場(chǎng)景太陽(yáng)耀光

太陽(yáng)耀光是遙感圖像中的一種現(xiàn)象， 不是固定海表目標(biāo)， 必須要滿足鏡面反射的幾何條件， 但在MODIS這種寬視場(chǎng)遙感器的數(shù)據(jù)中， 就很容易觀測(cè)到[40]， 而在POLDER、 DPC這種寬視場(chǎng)、 面陣探測(cè)器加圓形視場(chǎng)、 多角度高幀頻重復(fù)拍攝的情況下， 拍攝到太陽(yáng)耀光是一種必然。 太陽(yáng)耀光在海洋表面的反射率光譜波段關(guān)系穩(wěn)定， 因此提供了波段之間傳遞定標(biāo)的可能和便利。 太陽(yáng)耀光的反射率可以超過(guò)1， 甚至超過(guò)10[41]， 而云這種亮目標(biāo)在非鏡面反射情況下反射率最高為0.7左右， 所以足夠強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀光可以使遙感像元飽和， 在耀光強(qiáng)度不致飽和的情況下， 太陽(yáng)耀光在表觀信號(hào)中的貢獻(xiàn)最大可以達(dá)到90%以上[33]。 和瑞利散射定標(biāo)一樣， 選擇空氣潔凈的大洋水體， 利用大尺度符合鏡面反射的耀光像元， 可以實(shí)現(xiàn)波段間傳遞定標(biāo)。 太陽(yáng)耀光在海洋表面的BRDF模型是通過(guò)Cox & Munk[42-43]模型來(lái)描述的， 矢量輻射傳輸計(jì)算時(shí)用到的大氣參數(shù)也是來(lái)自于其他衛(wèi)星觀測(cè)。 該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用到了MERIS[33], MODIS[40]和 POLDER[37]等多個(gè)傳感器定標(biāo)。 實(shí)際的海洋表面光譜并不完全符合理想平靜純水的菲涅爾定律， 定標(biāo)時(shí)必須選擇光譜相近的波段進(jìn)行傳遞， 減小波段間反射率關(guān)系偏差的影響。 同時(shí)， 耀光區(qū)域的云污染很難被直接發(fā)現(xiàn)， 多角度數(shù)據(jù)的云判識(shí)可以剔除有云耀光像元。

2.1.3 云

同太陽(yáng)耀光一樣， 云的反射光譜曲線也是很穩(wěn)定的， Lafrance等[44]以POLDER傳感器的670 nm波段為參考， 傳遞標(biāo)定了443和490 nm， 但是， 云的選擇對(duì)定標(biāo)結(jié)果會(huì)帶入很大的不確定性， 使用高層云和低層云分別測(cè)試了， 證明了低層云定標(biāo)不太穩(wěn)定。 所以通常選擇在對(duì)流層頂?shù)纳顚?duì)流云作為定標(biāo)參考目標(biāo)[45]。

2.1.4 特殊波段的定標(biāo)

從表1可以看出， 多角度偏振相機(jī)為了統(tǒng)籌探測(cè)云高、 水汽柱含量等重要的大氣參數(shù)， 含有氧氣和水汽吸收通道， 這些通道仍然可以通過(guò)太陽(yáng)耀光或者云來(lái)進(jìn)行定標(biāo)， 但需額外校正。 涉及氧氣吸收的765和763 nm波段， 通過(guò)再分析資料獲得海表氣壓推算氧氣透過(guò)率予以校正[32]， 910 nm定標(biāo)兼顧水汽柱含量和垂直分布造成的吸收校正[46]。

2.2 相對(duì)輻射強(qiáng)度

空間響應(yīng)低頻分量P和空間響應(yīng)高頻分量g代表了相機(jī)內(nèi)部不同像元(視場(chǎng))之間的相對(duì)輻射差異。P的定標(biāo)通常使用地表二向反射特性在公里級(jí)分辨率尺度較為穩(wěn)定的沙漠定標(biāo)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[47]，g通過(guò)基于大數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)方法的云目標(biāo)大量觀測(cè)平均來(lái)實(shí)現(xiàn)[21]。

從輻射強(qiáng)度定標(biāo)的基本需求來(lái)說(shuō)， 較高精度的光學(xué)參考量獲取的其他方法也可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)輻射強(qiáng)度的定標(biāo)， 例如在絕對(duì)輻射定標(biāo)中使用的瑞利散射定標(biāo)和太陽(yáng)耀光傳遞定標(biāo)方法， 針對(duì)不同視場(chǎng)角的多個(gè)定標(biāo)結(jié)果， 也可以完成P的定標(biāo)。

2.3 偏振參數(shù)

遙感觀測(cè)的偏振度耦合了地表和大氣的聯(lián)合起偏作用， 在軌定標(biāo)需要特殊景物的極端偏振特性來(lái)提供定標(biāo)的光學(xué)參考。 云目標(biāo)在特定角度下具有零偏振的特點(diǎn)[21]， 所以偏振參數(shù)中T可以通過(guò)云目標(biāo)的通道間比值來(lái)完成，ε(θ)也是使用云目標(biāo)來(lái)完成不同視場(chǎng)角下對(duì)應(yīng)的遙感器本身起偏度定標(biāo)。η， 綜合多個(gè)文獻(xiàn)描述， 本文稱之為“偏振片的檢偏程度”， 本身具有很高的精度， 數(shù)值接近1， 且在長(zhǎng)期變化很小[21]， 很難實(shí)現(xiàn)在軌替代方法定標(biāo)。 以上三個(gè)偏振相關(guān)參數(shù)， 會(huì)共同影響遙感測(cè)量的偏振度， 因此使用太陽(yáng)耀光的偏振度可以對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的偏振測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)價(jià)， 實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量的傳感器狀態(tài)監(jiān)控。 根據(jù)仿真模擬， 太陽(yáng)耀光是鏡面反射導(dǎo)致的， 較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度可以減小海上大氣對(duì)表觀偏振度計(jì)算帶來(lái)的誤差影響， 是良好的偏振定標(biāo)參考源。

目前來(lái)看， 在軌替代方法較難實(shí)現(xiàn)入瞳光高精度偏振參考光源的獲取， 一般在地面處理系統(tǒng)中繼續(xù)使用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)， 在有較大的穩(wěn)定出現(xiàn)的定標(biāo)系數(shù)變化量的情況下， 才使用在軌替代定標(biāo)的結(jié)果替換實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果。

3 未來(lái)定標(biāo)新方法初步設(shè)計(jì)

2016年9月， 我國(guó)的天宮二號(hào)空間站發(fā)射上天， 搭載多角度偏振相機(jī)該載荷主要測(cè)試工程系統(tǒng)， 未介紹在軌定標(biāo)[48]。 在未來(lái)幾年里， 我國(guó)在國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中規(guī)劃的多顆衛(wèi)星將搭載多角度偏振相機(jī)上天， 例如“大氣環(huán)境衛(wèi)星”、 “陸地碳衛(wèi)星”等。 而我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大科技專項(xiàng)第五顆衛(wèi)星高分五號(hào)， 現(xiàn)已發(fā)射并進(jìn)行在軌測(cè)試， 是最新的在軌大視場(chǎng)多角度偏振相機(jī)[49]。 歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織 (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT) 也計(jì)劃2021年開(kāi)始發(fā)射歐洲第二代增強(qiáng)型的多角度偏振相機(jī)3MI (Multi-Viewing-Channel-Polarisation Imager)[50]， 計(jì)劃發(fā)射3顆。 根據(jù)EUMETSAT和法國(guó)LILLE大學(xué)計(jì)劃， 3MI將繼續(xù)使用瑞利散射和太陽(yáng)耀光定標(biāo)方法； 美國(guó)計(jì)劃在2021年發(fā)射Multi-Angle Imager for Aerosols (MAIA)多角度偏振相機(jī)[12]用于探測(cè)PM2.5等大氣污染狀況。

3.1 新型偏振相機(jī)航天計(jì)劃的傳遞定標(biāo)方法

這些衛(wèi)星存在搭載多顆傳感器的情況， 多角度偏振相機(jī)缺乏星上定標(biāo)器， 而同一顆衛(wèi)星上的其他掃描型傳感器具備星上定標(biāo)功能， 在具備這種條件的情況下， 例如我國(guó)大氣環(huán)境星的“偏振交火”載荷方案， 可以發(fā)展同衛(wèi)星平臺(tái)的“星上傳遞定標(biāo)”[10]。 雖然定標(biāo)計(jì)算的大部分過(guò)程類似于不同衛(wèi)星的傳感器之間交叉定標(biāo)， 但因先天具備了同時(shí)、 同觀測(cè)角度、 同太陽(yáng)角度等優(yōu)勢(shì)， 傳遞定標(biāo)的地物可以不局限于太陽(yáng)耀光或者暗目標(biāo)水體等極端條件， 可以在大面積均一的任何自然目標(biāo)開(kāi)展定標(biāo)， “星上傳遞定標(biāo)”無(wú)疑具有更多的機(jī)會(huì)和更高的精度。

3.2 地面人工源方法

基于幾代偏振遙感器研究經(jīng)驗(yàn)和在光學(xué)定標(biāo)方面的積累， 中科院安光所研究人員提出了基于地面人工源的方法開(kāi)展高精度的輻射強(qiáng)度和偏振參數(shù)定標(biāo)， 是一種新的在軌定標(biāo)概念與方法， 其選址、 設(shè)備建造、 輻射傳輸計(jì)算、 星地配合工作模式等都需要進(jìn)行深入的研究， 已形成完善的高精度定標(biāo)方法體系。

3.3 全自動(dòng)海氣參數(shù)觀測(cè)的場(chǎng)地定標(biāo)法

我國(guó)海洋衛(wèi)星定標(biāo)已經(jīng)嘗試了在鉆井平臺(tái)上部署海氣參數(shù)同步測(cè)量?jī)x器的方法[51-52]。 對(duì)于大視場(chǎng)偏振遙感器的在軌替代定標(biāo)可以考慮在中國(guó)南海的水質(zhì)更為干凈的區(qū)域部署專門化的長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)， 為瑞利散射定標(biāo)和太陽(yáng)耀光傳遞定標(biāo)提供更加精準(zhǔn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 在不使用再分析資料的情況下， 每次星地同步觀測(cè)都具備更高的定標(biāo)精度， 形成穩(wěn)定的場(chǎng)地替代定標(biāo)業(yè)務(wù)化方法。 這需要海洋衛(wèi)星和其他衛(wèi)星系列定標(biāo)裝備的聯(lián)合設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)共享來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

多角度偏振相機(jī)在軌期間需要使用自然景物開(kāi)展替代定標(biāo)。 即使擁有星上定標(biāo)器， 替代定標(biāo)作為一種獨(dú)立的方法， 仍具有第三方質(zhì)控監(jiān)督的重要作用。 如此眾多的中外多角度偏振相機(jī)即將服務(wù)于地氣系統(tǒng)的遙感探測(cè)， 其在軌定標(biāo)應(yīng)充分挖掘新衛(wèi)星新載荷的特色， 發(fā)展具有更高精度的方法， 創(chuàng)新定標(biāo)手段。 在軌定標(biāo)還有很多工作可以拓展， 例如在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)比較容易實(shí)現(xiàn)的偏振片裝配角度、 溫度對(duì)各波段的輻射響應(yīng)影響系數(shù)、 面陣CCD數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的幀轉(zhuǎn)移效應(yīng)等， 需要聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)經(jīng)驗(yàn)、 衛(wèi)星平臺(tái)的姿軌參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行在軌定標(biāo)方法研究。

當(dāng)然， 光學(xué)遙感器的在軌替代定標(biāo)發(fā)展經(jīng)歷幾十年， 方法體系相對(duì)成熟， 在這種情況下， 也應(yīng)該針對(duì)現(xiàn)有方法深化研究， 提出提高精度的新方法。 尤其偏振相機(jī)作為新型遙感器列入多個(gè)航天計(jì)劃[53]， 其在軌定標(biāo)理論和方法體系將補(bǔ)充航天光學(xué)遙感定標(biāo)領(lǐng)域短板， 通過(guò)模擬分析厘清誤差規(guī)律， 通過(guò)研究?jī)?yōu)選方法、 高精度過(guò)程質(zhì)控方法和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)分析減小系統(tǒng)性和隨機(jī)性誤差， 使現(xiàn)有方法具有更好的精度和穩(wěn)定性。