黑體與恒星相結(jié)合的短波紅外遙感器在軌輻射定標(biāo)簡析

晉利兵，李曉曼，練敏隆，高慧婷，周吉

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

短波紅外成像（1.0～3.0 μm）既可用于氣象水文、資源勘探、農(nóng)業(yè)調(diào)查等民用領(lǐng)域，也可用于天文觀測科學(xué)應(yīng)用，應(yīng)用范圍廣泛，目前科學(xué)研究對空間短波遙感器定量反演的精度要求越來越高。

空間短波紅外遙感器由于受探測器芯片基底材料的非均勻性、探測器摻雜水平、探測器偏置電壓、讀出電路噪聲水平、多路并行輸出通道間不一致等一系列因素影響，焦平面陣列響應(yīng)存在非均勻性，此外，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的像面照度均勻性、光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射、光學(xué)系統(tǒng)工作溫度變化等都會(huì)影響輸出的穩(wěn)定性[1]。在發(fā)射前要嚴(yán)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室真空輻射定標(biāo)，完成地面逐像元定標(biāo)，獲得像元間參數(shù)差異，以確定遙感器最初的光譜輻射響應(yīng)特性。遙感器在軌飛行期間，空間粒子輻射、污染、元器件老化等都會(huì)引起遙感器性能的退化，從而改變光譜輻射響應(yīng)特性，為此，需要定期對遙感器進(jìn)行星上輻射定標(biāo)，滿足用戶對遙感數(shù)據(jù)長期定量化應(yīng)用的要求。一般可選擇外部場景定標(biāo)源（如地面大面積沙漠、太陽、月球及冷黑背景等）或內(nèi)置定標(biāo)裝置（如燈、硅碳棒、黑體等）以降低定標(biāo)不確定度[2]。

星載面源黑體輻射定標(biāo)方法是被廣泛認(rèn)可的高精度在軌輻射絕對定標(biāo)方法。利用精確的黑體輻射模型和高度穩(wěn)定的黑體發(fā)射性能，可以通過最少的傳遞環(huán)節(jié)來降低輻射定標(biāo)不確定度，國外在軌應(yīng)用普遍控制在5%以內(nèi)，國際上空間遙感儀器輻射定標(biāo)不確定度最優(yōu)達(dá)到2%～3%的水平，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)全口徑、全光路、全視場的絕對輻射定標(biāo)，如 MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）、AATSR（advanced along track scanning radiometer）等都采用了黑體進(jìn)行在軌定標(biāo)方式[3-4]；但由于黑體發(fā)射率在軌長期衰變無法監(jiān)測，需要借助其它標(biāo)定手段進(jìn)行修正。日本紅外天文衛(wèi)星Akari（ASTRO-F）在軌期間可以觀測恒星，其利用遠(yuǎn)紅外探測器的靈敏性和點(diǎn)源的亮度開展了恒星絕對輻射定標(biāo)[5]；中段試驗(yàn)衛(wèi)星MSX 上搭載的SPIRIT III（spatial infrared imaging telescope）在軌也利用恒星開展了絕對輻射定標(biāo)[6]。

本文針對空間短波紅外遙感器在軌各種因素引起的非均勻性變化情況，對于一種面源黑體定標(biāo)結(jié)合恒星定標(biāo)的在軌絕對輻射定標(biāo)設(shè)計(jì)方案細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，提出了黑體的溫度均勻性、穩(wěn)定性控制措施，并對恒星提取算法及恒星定標(biāo)與黑體定標(biāo)的數(shù)據(jù)修正方法進(jìn)行了分析；結(jié)合某遙感器研制過程的具體實(shí)際，基于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果對算法進(jìn)行了驗(yàn)證，并對在軌絕對輻射定標(biāo)不確定度進(jìn)行預(yù)估。

1 輻射定標(biāo)方案設(shè)計(jì)

輻射定標(biāo)方案設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，包括工作譜段、定標(biāo)精度、壽命、可靠性以及來自航天器和航天光學(xué)遙感器的約束條件等。

典型的星上輻射定標(biāo)：利用高低溫面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)源引入相機(jī)，進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)。面源黑體的穩(wěn)定性會(huì)影響定標(biāo)精度，由于恒星的輻射比較穩(wěn)定，輻射穩(wěn)定的恒星的特點(diǎn)，以觀測恒星的方法對黑體的標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行修正。對于工作在短波紅外譜段的航天光學(xué)遙感器來說是一種比較好的星上定標(biāo)方式。

以某天文探測紅外遙感器設(shè)計(jì)為例，遙感器主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，其在軌輻射定標(biāo)不確定度要求控制在5%以內(nèi)。

表1 某紅外遙感器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of the remote sensing system to be tested

由于觀測星體到達(dá)遙感器入瞳處的能量弱，為了保證定標(biāo)裝置模擬的輻射強(qiáng)度與觀測星體輻射強(qiáng)度相當(dāng)，若采用太陽漫反射板定標(biāo)的方式，則需要采用摻雜灰體反射、大角度入射或者配置衰減網(wǎng)的方式進(jìn)行能量衰減，存在非均勻性增加、雜散光影響大的問題。而采用黑體定標(biāo)的方式，則可通過黑體溫度來調(diào)整到達(dá)相機(jī)入瞳處的能量，但需對黑體在軌衰變進(jìn)行監(jiān)測。

在相機(jī)進(jìn)入定標(biāo)模式時(shí)，將黑體安裝在相機(jī)熱門防護(hù)門的內(nèi)側(cè)，通過將熱門防護(hù)門關(guān)閉，將黑體輻射引入相機(jī)入瞳處，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的在軌黑體定標(biāo)。

1.1 黑體全口徑全光路定標(biāo)

黑體采用電加熱的方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)溫度點(diǎn)的精確控溫。黑體為面源黑體，黑體表面采用一定夾角的V 型開槽設(shè)計(jì)并進(jìn)行表面陽極化發(fā)黑處理，能夠保證黑體具有較好的輻射均勻性和較高的輻射發(fā)射率。黑體靠近輻射表面的位置安裝有高精度熱敏電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，在黑體底面安裝有薄膜加熱片實(shí)現(xiàn)加熱控制。

星上黑體設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：

黑體溫度：235～270 K 多點(diǎn)可調(diào)；

黑體有效尺寸：270 mm×270 mm×20 mm（覆蓋相機(jī)入瞳）；

法向發(fā)射率：≥0.97；

溫度均勻性：≤0.2 K；

黑體表面控溫精度：±0.1 K；

測溫精度：≤0.1 K。

黑體的高精度控溫措施優(yōu)化：

1）黑體組件外布置外罩，通過外罩輻射控溫，滿足溫度要求，外罩外表面布置主動(dòng)控溫加熱回路；外罩內(nèi)表面發(fā)黑，以加強(qiáng)外罩與黑體組件之間的輻射換熱，外罩外表面包覆多層隔熱材料，以減小輻射漏熱，多層最外側(cè)為黑色聚酰亞胺滲碳膜；

2）黑體兩端為夾層結(jié)構(gòu)，中間層為0.5 mm 厚的石墨膜，以提高光路內(nèi)區(qū)域溫度均勻性。黑體背面包覆多層隔熱材料，以減小切入光路后的漏熱；

3）黑體與支撐結(jié)構(gòu)之間隔熱安裝，以減小溫度互相影響；

4）黑體支撐結(jié)構(gòu)布置主動(dòng)控溫加熱回路，支撐結(jié)構(gòu)與相機(jī)主體框架之間隔熱安裝。

高溫黑體組件主要由黑體、加熱片、隔熱墊圈及隔熱墊片組成。選用導(dǎo)熱性能好、重量輕、硬度高的鋁合金2A12 加工成高溫黑體，隔熱墊圈由聚酰亞胺加工而成。選用導(dǎo)熱性能差的鈦合金螺釘連接高溫黑體和掃描基座。低溫黑體組件主要由黑體、半導(dǎo)體制冷器、固定塊（用于固定半導(dǎo)體制冷器和熱管）、熱管、隔熱墊圈及隔熱墊片組成。低溫黑體選用導(dǎo)熱性能好、重量輕、硬度高的鋁合金2A12 加工而成，低溫黑體和掃描基座、固定塊之間的連接選用導(dǎo)熱性能差的鈦合金螺釘。

高溫黑體和低溫黑體的控溫措施組成模型及研制的產(chǎn)品實(shí)物如圖1 所示。通過對高、低溫黑體的熱設(shè)計(jì)和熱分析計(jì)算，高、低溫黑體影響輻射定標(biāo)精度的發(fā)黑一側(cè)的溫度穩(wěn)定性、均勻性如表2 所示。

表2 高、低溫黑體計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of high temperature blackbody and cryogenic blackbody

圖1 高溫黑體組件、低溫黑體組件設(shè)計(jì)及實(shí)物Fig.1 Design drawing and physical drawing of high temperature blackbody component and cryogenic blackbody component

1.2 紅外恒星定標(biāo)

恒星星表顯示大量的恒星輻射非常穩(wěn)定，精度達(dá)到1%左右，是極好的輻射標(biāo)準(zhǔn)源。利用恒星進(jìn)行輻射定標(biāo)的方法目前主要在天文衛(wèi)星和天文觀測上使用，恒星定標(biāo)過程需要考慮以下因素：

1）一般遙感衛(wèi)星是對地定向的，在恒星定標(biāo)時(shí)需將相機(jī)視場對準(zhǔn)深冷空間，與對地時(shí)外熱流的不同，帶來相機(jī)的狀態(tài)變化；

2）大多數(shù)恒星的亮度測量都在天文研究關(guān)注的波段上進(jìn)行，這些波段與遙感衛(wèi)星對地觀測波段一般不重合；想要利用恒星進(jìn)行遙感儀器輻射定標(biāo)，必須獲得恒星的全波段精細(xì)光譜；

3）恒星是典型的點(diǎn)源目標(biāo)，其立體角一般比相機(jī)像元分辨率小得多，衛(wèi)星姿態(tài)抖動(dòng)或者顫振帶來的恒星位置偏差、相機(jī)對恒星觀測時(shí)形成的點(diǎn)目標(biāo)彌散斑中像點(diǎn)提取算法誤差等都帶來點(diǎn)目標(biāo)輻射系數(shù)與面目標(biāo)輻射定標(biāo)系數(shù)換算修正誤差；

4）測量過程中相機(jī)時(shí)間噪聲的影響也是定標(biāo)誤差的一部分，需要盡可能降低相機(jī)的時(shí)間噪聲。

恒星定標(biāo)時(shí)相機(jī)響應(yīng)可由下式計(jì)算得到。

式中：V為相機(jī)響應(yīng)；k為輻射定標(biāo)系數(shù)；R(λ)為相機(jī)光譜響應(yīng)；E(λ)為恒星輻照度；η為像元內(nèi)能量集中度；ω為成像時(shí)光學(xué)離軸角；Ω為相機(jī)瞬時(shí)視場角。

點(diǎn)目標(biāo)接收面源輻照度的計(jì)算公式為：

式中：Φ為輻射通量；A為輻射面積；Iθ為發(fā)射面元在面元連線方向上的輻射強(qiáng)度；θ為接收面元法線與視線的夾角。

1.3 數(shù)據(jù)修正方法

紅外恒星定標(biāo)和星上黑體定標(biāo)都可以獲得較高精度的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，但考慮到長期工作下星上黑體發(fā)射率隨時(shí)間的衰變，根據(jù)工作溫度計(jì)算得到的星上黑體等效光譜輻亮度并不能真正代表相機(jī)入瞳的等效輻亮度。因此，將星上黑體獲得的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)定義為校正前定標(biāo)系數(shù)，通過恒星絕對輻射定標(biāo)系數(shù)修正后應(yīng)用于絕對輻射校正[7-8]。

當(dāng)像元的黑體輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)和恒星輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)DN 值相同時(shí)，根據(jù)式：

式中：DN 為像元灰度值；為星上定標(biāo)黑體等效光譜輻亮度；K′、C′分別為星上絕對定標(biāo)系數(shù)的增益和截距：

式中：DNh為星上黑體定標(biāo)高溫點(diǎn)圖像灰度均值；DNl為星上黑體定標(biāo)低溫點(diǎn)圖像灰度均值；Leh為星上黑體定標(biāo)高溫點(diǎn)等效光譜輻亮度；Lel為星上黑體定標(biāo)低溫點(diǎn)等效光譜輻亮度。

對恒星定標(biāo)時(shí)，通過星庫選取2 顆恒星，利用其已知的譜段輻亮度數(shù)據(jù)，分析得到：

式中：Le為入瞳等效光譜輻亮度；K、C為絕對輻射定標(biāo)系數(shù)的增益和截距。

通過下式對星上黑體輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行修正：

即可得到修正系數(shù)Rk和Rc：

針對每次新的定標(biāo)數(shù)據(jù)，可依據(jù)新的星上黑體定標(biāo)得到的定標(biāo)系數(shù)和修正系數(shù)Rk和Rc，就可得到新的定標(biāo)系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證輻射定標(biāo)方案數(shù)據(jù)修正方法，在地面將相機(jī)產(chǎn)品放置在真空低溫罐內(nèi)，利用點(diǎn)目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)以及面源黑體輻射定標(biāo)相結(jié)合的方式，對在軌定標(biāo)情況進(jìn)行模擬，為相機(jī)在軌圖像數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

相機(jī)點(diǎn)目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)及全口徑全光路真空輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)框圖如圖2（上）所示。被測相機(jī)、點(diǎn)源模擬器、平行光管、面源黑體放在真空罐內(nèi)，地面測試設(shè)備和圖像采集設(shè)備放在真空罐外，通過穿罐電纜進(jìn)行信號傳輸。

測試布局如圖2 所示，將紅外遙感器與平行光管光路對準(zhǔn)，平行光管將紅外目標(biāo)背景模擬器輻射信號準(zhǔn)直，紅外遙感器接收目標(biāo)及背景輻射并成像，利用遙感器配套的處理設(shè)備實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，輸出數(shù)字圖像序列，并對數(shù)字圖像進(jìn)行處理，計(jì)算圖像信噪比。

圖2 測試布局原理（上）及測試過程實(shí)物（下）Fig.2 Testing schematic diagram(upper) &layout(down)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)模擬器中黑體的溫度、發(fā)射率，計(jì)算得到仿真恒星輻射定標(biāo)系數(shù)。

圖3 相機(jī)點(diǎn)目標(biāo)信噪比測試目標(biāo)點(diǎn)周圍9×9 輸出圖像Fig.3 Point target SNR ratio test around target point 9×9 output image

面源黑體（仿恒星源）定標(biāo)系數(shù)如表3 所示。通過衰減方式使得星上黑體發(fā)射率相比實(shí)驗(yàn)室黑體衰減3%，每間隔一小時(shí)測一次，連續(xù)測試3次，實(shí)測定標(biāo)系數(shù)如表3 所示?？梢姼鞔沃貜?fù)性好，由此通過地面仿真驗(yàn)證了恒星定標(biāo)結(jié)合黑體定標(biāo)的修正算法的正確性。

表3 黑體定標(biāo)結(jié)果、仿恒星定標(biāo)結(jié)果及修正系數(shù)Table 3 Blackbody calibration results,stellar simulation calibration results and correction coefficients

2.3 輻射定標(biāo)不確定度分析

航天光學(xué)遙感器的星上定標(biāo)不確定度主要取決于星上定標(biāo)輻射源本身的穩(wěn)定性、測量精度、定標(biāo)方式以及航天光學(xué)遙感器的穩(wěn)定性。從真空輻射定標(biāo)能量傳輸環(huán)節(jié)上看，影響紅外遙感器工作時(shí)的真空輻射定標(biāo)精度的因素主要有如下幾個(gè)方面：

1）星上黑體溫度不確定性

黑體輻射源為相機(jī)真空輻射定標(biāo)的基準(zhǔn)源，黑體測溫誤差均會(huì)對定標(biāo)精度產(chǎn)生影響。根據(jù)目標(biāo)輻射特性，折算入瞳處等效黑體溫度，并經(jīng)過計(jì)量院標(biāo)定，在基準(zhǔn)溫度處，星上定標(biāo)黑體溫度不確定度為±0.15 K，對應(yīng)不確定性誤差為2.1%。

2）星上黑體發(fā)射率誤差

通過發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)傳遞，黑體標(biāo)準(zhǔn)可以溯源至國家計(jì)量科學(xué)研究院，其發(fā)射率測量的不確定度主要來源于引用標(biāo)準(zhǔn)的不確定度和儀器測量誤差。其中，標(biāo)準(zhǔn)溯源誤差是主要貢獻(xiàn)。測試發(fā)射率需要保證測試距離和角度與定標(biāo)時(shí)盡可能一致，定標(biāo)黑體的發(fā)射率通過輻射計(jì)傳遞并與標(biāo)準(zhǔn)黑體比對，實(shí)測結(jié)果為0.98±0.01，所以法向發(fā)射率測試誤差為(0.01/0.98)×100%，取值約為1.0%。

3）星上黑體溫度均勻性

黑體輻射源的均勻性包括面均勻性和角均勻性，是相機(jī)相對輻射定標(biāo)精度的主要影響因素，出口溫度非均勻性峰谷值為±0.3 K，以輻亮度差與基準(zhǔn)黑體輻亮度相比，計(jì)算出黑體輻射源的溫度非均勻性的影響。同時(shí)需考慮在視場角范圍內(nèi)角非均勻性為0.1%。所以黑體的綜合非均勻性誤差0.74%。

4）星上黑體溫度穩(wěn)定性

黑體輻射源為相機(jī)真空輻射定標(biāo)的基準(zhǔn)源，黑體的發(fā)射率不確定度、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性、測溫誤差均會(huì)對定標(biāo)精度產(chǎn)生影響。星上黑體輻射源的溫度穩(wěn)定度峰谷值為±0.1 K，以輻亮度差與基準(zhǔn)黑體輻亮度相比，計(jì)算出黑體輻射源的溫度穩(wěn)定性的影響為1.17%。

5）相機(jī)光機(jī)輻射波動(dòng)影響

相機(jī)自身光機(jī)發(fā)射的輻射能量會(huì)與目標(biāo)/大氣背景一起到達(dá)相機(jī)探測器處，光機(jī)輻射主要包含光學(xué)鏡片自身的輻射以及光機(jī)結(jié)構(gòu)的輻射兩部分，可依據(jù)光機(jī)溫度遙測值變化情況，利用普朗克定律計(jì)算光機(jī)輻射波動(dòng)量[9]。相機(jī)定標(biāo)時(shí)段內(nèi)，由于在軌外熱流環(huán)境變化會(huì)引起光機(jī)輻射波動(dòng)±0.1 K。光學(xué)系統(tǒng)及光機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度變化為(300±0.1) K，其在短波輻射穩(wěn)定性波動(dòng)為1.17%[10]。

6）相機(jī)時(shí)間噪聲

相機(jī)的時(shí)間噪聲主要由光子噪聲、探測器讀出噪聲、暗電流噪聲、電路噪聲組成，時(shí)間噪聲反映了相機(jī)的探測靈敏度，相機(jī)噪聲的影響表現(xiàn)為輸出信號的隨機(jī)波動(dòng)[11]。按照在基準(zhǔn)溫度下相機(jī)信噪比進(jìn)行估算，則噪聲引入的不確定度為1.70%。

7）相機(jī)響應(yīng)非線性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)過程的工程經(jīng)驗(yàn)，響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍（DN 值）5%～95%內(nèi)的值計(jì)算相應(yīng)非線性，優(yōu)于1.0%。

8）雜散輻射

太空環(huán)境，包括太陽、月亮、恒星以及地氣雜光會(huì)對星上定標(biāo)帶來影響，產(chǎn)生雜散輻射，而且黑體本身長期工作積累的熱量也會(huì)影響系統(tǒng)定標(biāo)精度[12]，按照雜散輻射分析取值為1.0%。

將各個(gè)因素的影響量綜合為實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)的總誤差，其計(jì)算方法是計(jì)算各因素影響量的平方根，可以參考下式求解：

紅外遙感器絕對定標(biāo)精度分析結(jié)果見表4。

經(jīng)計(jì)算，真空輻射定標(biāo)不確定度為3.68%，通過恒星定標(biāo)方式能夠修正黑體輻射源隨時(shí)間的影響，從而保證星上絕對輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%的指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

短波紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)在軌采用黑體＋紅外恒星的方式進(jìn)行全光路定標(biāo)是合理、可行的方式，重點(diǎn)解決黑體工作溫度均勻性、穩(wěn)定性、絕對輻射性能監(jiān)測等問題。通過對短波紅外遙感器定標(biāo)不確定度影響因素的分析，從改進(jìn)星上定標(biāo)方案、提供星上定標(biāo)黑體控溫精度的方式，結(jié)合紅外恒星定標(biāo)方式，能有效提高輻射定標(biāo)精度。通過地面實(shí)驗(yàn)室測試的方式進(jìn)行了算法的驗(yàn)證。

全口徑、全光路定標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是絕對輻射定標(biāo)不確定度低。然而，對于大口徑航天光學(xué)遙感器，用于實(shí)現(xiàn)全口徑、全光路定標(biāo)的星上定標(biāo)器的尺寸和重量比較大，而且需要活動(dòng)部件來驅(qū)動(dòng)定標(biāo)器切入/切出光路，這限制了其應(yīng)用。因此，需要根據(jù)航天光學(xué)遙感器的具體情況選擇星上定標(biāo)方案。后續(xù)將在軌開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，持續(xù)改進(jìn)紅外遙感器性能以進(jìn)一步降低輻射定標(biāo)不確定度。