漫反射板全光路全視場(chǎng)全口徑在軌輻射定標(biāo)技術(shù)

趙艷華 董建婷 張秀茜 王斌

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

漫反射板全光路全視場(chǎng)全口徑在軌輻射定標(biāo)技術(shù)

趙艷華 董建婷 張秀茜 王斌

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

空間光學(xué)遙感器輻射定標(biāo)包括發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)和在軌輻射定標(biāo)。中國(guó)空間光學(xué)遙感器壽命由最初2～3年已延長(zhǎng)到8～10年，需要建立在軌輻射定標(biāo)系統(tǒng)。文章在總結(jié)美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)同類相機(jī)在軌輻射定標(biāo)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)漫反射板研制基礎(chǔ)及工程實(shí)現(xiàn)能力，以某項(xiàng)目需求為背景，提出了大視場(chǎng)可見(jiàn)–近紅外空間相機(jī)全光路全視場(chǎng)全口徑在軌輻射定標(biāo)方法。星上定標(biāo)系統(tǒng)由漫反射板、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)比輻射計(jì)組成。漫反射板置于入光口前，定標(biāo)時(shí)刻漫反射板展開(kāi)后，太陽(yáng)照亮漫反射板形成已知光譜輻亮度的近似朗伯面光源，直接實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)遙感相機(jī)全孔徑、全光路和全視場(chǎng)的星上輻射定標(biāo)；穩(wěn)定性監(jiān)視比輻射計(jì)用于漫反射板星上穩(wěn)定性監(jiān)視及其雙向反射分布函數(shù)（BRDF）修正，確保長(zhǎng)期在軌運(yùn)行過(guò)程中空間光學(xué)遙感相機(jī)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度。經(jīng)過(guò)分析，該方法下相機(jī)絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%。

大視場(chǎng) 全光路 全視場(chǎng) 全口徑 在軌輻射定標(biāo) 空間光學(xué)遙感器

Key wordslarge field; all-optical path; full field; full bore; in-orbit radiometric calibration; space optical remote sensor

0 引言

由于可見(jiàn)–近紅外探測(cè)器性能較穩(wěn)定、響應(yīng)一致性較好，因此國(guó)內(nèi)該類空間光學(xué)遙感相機(jī)一般在發(fā)射前會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)[1]，很少設(shè)置星上輻射定標(biāo)裝置；在軌后有的會(huì)利用地面定標(biāo)場(chǎng)作場(chǎng)地定標(biāo)[2]，也有的會(huì)利用在軌標(biāo)定較好的相機(jī)進(jìn)行交叉定標(biāo)[3]。隨著衛(wèi)星壽命由2～3年延長(zhǎng)到8～10年以及定量化應(yīng)用的需求，僅靠發(fā)射前輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)，無(wú)法真實(shí)反映可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)在軌狀態(tài)，因此需設(shè)置星上輻射定標(biāo)裝置，定期進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)。

國(guó)外可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)開(kāi)展在軌輻射定標(biāo)已較成熟[4]，本文在總結(jié)國(guó)外大視場(chǎng)可見(jiàn)-近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)輻射定標(biāo)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)研制的現(xiàn)狀，以某項(xiàng)目輻射定標(biāo)精度高的需求為背景，進(jìn)行了大視場(chǎng)可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)全光路全視場(chǎng)全口徑在軌輻射定標(biāo)方法研究，并給出了定標(biāo)精度估算結(jié)果及在軌定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法。本方法在一些型號(hào)上已采用，對(duì)在軌可見(jiàn)–近紅外、短波紅外譜段絕對(duì)輻射定標(biāo)精度的提高起到良好的推動(dòng)作用。

1 國(guó)外同類產(chǎn)品情況

國(guó)外同類產(chǎn)品指標(biāo)見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看出：

1）對(duì)于可見(jiàn)-近紅外通道，POLDER未設(shè)置在軌定標(biāo)裝置，依靠場(chǎng)地定標(biāo)；VGT采用燈定標(biāo)；MISR、MODIS、AATSR、SPECTRA采用漫反射板定標(biāo)。

2）漫反射板定標(biāo)適用于可見(jiàn)、近紅外、短波紅外（0.4 ～2.35μm）譜段的在軌輻射定標(biāo)。

表1 國(guó)外同類相機(jī)主要指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of main specifications between similar foreign cameras

續(xù)表

2 漫反射板在軌輻射定標(biāo)方案

在軌輻射定標(biāo)中，星載漫反射板太陽(yáng)輻射定標(biāo)方法是被廣泛認(rèn)可的高精度絕對(duì)定標(biāo)方法[5]。利用精確的太陽(yáng)輻射模型和高度穩(wěn)定的漫反射板反射性能，可以通過(guò)最少的傳遞環(huán)節(jié)來(lái)獲得很高的輻射定標(biāo)精度[6]，國(guó)外在軌應(yīng)用普遍控制在5%以內(nèi)[7]，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)全口徑、全光路、全視場(chǎng)的絕對(duì)輻射定標(biāo)，如MISR、MODIS、AATSR、SPECTRA等都采用了漫反射板進(jìn)行在軌定標(biāo)的方式[8-10]。

某項(xiàng)目要求近紅外譜段輻射定標(biāo)精度為5%，按國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平（7%）實(shí)現(xiàn)難度很大。通過(guò)分析國(guó)外同類載荷的定標(biāo)方式，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)情況，確定某項(xiàng)目近紅外相機(jī)采用漫反射板進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)的定標(biāo)方式。通過(guò)對(duì)各環(huán)節(jié)誤差進(jìn)行分析，需選取全口徑、全光路定標(biāo)方式，即在近紅外譜段采用漫反射板太陽(yáng)定標(biāo)裝置對(duì)近紅外相機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)定標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定標(biāo)和相對(duì)定標(biāo)；并利用星上絕對(duì)輻亮度監(jiān)測(cè)裝置在定標(biāo)過(guò)程中對(duì)漫反射板的輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行定期實(shí)時(shí)測(cè)量[11]，監(jiān)測(cè)并記錄變化情況，并對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以減小性能不穩(wěn)定對(duì)定標(biāo)精度的影響。

（1）漫反射板組件的設(shè)計(jì)

漫反射板選用高溫融合聚四氟乙烯漫反射板，其具備優(yōu)越的光學(xué)參照特性和一定的空間適應(yīng)能力，可近似為理想朗伯體，并有略微的后向散射[12]；其BRDF測(cè)量精度2%，測(cè)量重復(fù)性1.0%～1.5%；在–44℃～61℃間，熱穩(wěn)定性良好，無(wú)熱應(yīng)力損傷；在500mm×500mm面積上，面均勻性可控制在1%以內(nèi)。

漫反射面板定標(biāo)狀態(tài)下應(yīng)能充滿相機(jī)視場(chǎng)并有一定余量，同時(shí)考慮輕量化及固定要求，漫反射板工作面根據(jù)視場(chǎng)要求設(shè)計(jì)成條狀，與基板連接部分為臺(tái)階結(jié)構(gòu)；考慮可見(jiàn)至短波紅外光譜區(qū)的反射光譜平坦性，漫反射板厚度設(shè)計(jì)為10mm，保證漫反射板在整個(gè)太陽(yáng)反射波段反射率均高于0.9。

聚四氟乙烯漫反射板安裝于基板內(nèi)。考慮聚四氟乙烯材料與鋁材線脹系數(shù)分別為 10–4/℃、2.38×10–5/℃[13]，假設(shè)軌道環(huán)境溫度在–50℃～+55℃變化時(shí)，漫反射面板沿邊長(zhǎng)方向伸縮約 3mm（在500mm×500mm面積上）；因此，在 0°低溫裝配時(shí)，基板四邊與漫反射板保留一定間隙，梯型塊與漫反射板面保持接觸又不易過(guò)緊并保證漫反射板牢固安裝在基板內(nèi)隨溫度變化時(shí)有一定的脹縮間隙。在設(shè)計(jì)時(shí)，梯型塊、漫反射板臺(tái)階與基板選擇合理的公差，以滿足使用要求。

基板為漫反射板組件的結(jié)構(gòu)件，采用鋁合金材料制作，梯型塊是漫反射面板與基板的轉(zhuǎn)接件，漫反射面板通過(guò)梯型塊固定在基板上，材料為鋁合金，漫反射板組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 漫反射板組件三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure of diffuse reflection plate

（2）漫反射板組件防護(hù)設(shè)計(jì)

漫反射板作為高反射率光學(xué)參照體，受到有機(jī)污染，會(huì)直接影響其光學(xué)參照特性及其在空間環(huán)境下的穩(wěn)定性[14]。因此在漫反射板制作、儲(chǔ)存、檢測(cè)、運(yùn)輸過(guò)程中需進(jìn)行可靠防護(hù)：第一層防護(hù)為光學(xué)防護(hù)，漫反射板置于保護(hù)板下，保護(hù)板由與漫反射板同材料、同潔凈度的聚四氟乙烯制作，保護(hù)板既對(duì)漫反射板有防護(hù)作用，同時(shí)又能夠防止其自身對(duì)漫反射板造成污染；第二層防護(hù)為物理防護(hù)，將裝有保護(hù)板的組件安裝在不銹鋼氮?dú)庀鋬?nèi)，再將密封圈和蓋板用螺釘緊固，既可以防塵及有害有機(jī)氣體對(duì)漫反射組件的污染，又能有效的防止其它物體對(duì)漫反射板的損傷。

（3）漫反射板定標(biāo)裝置工作原理

漫反射板定標(biāo)裝置由安裝板、漫反射板組件、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)構(gòu)支座、兩組減速齒輪副、三對(duì)角接觸球軸承、一個(gè)深溝球軸承、電磁鐵組件等組成。

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)比為16︰1的二級(jí)減速齒輪組件帶動(dòng)齒輪軸旋轉(zhuǎn)，齒輪軸由角接觸球軸承支撐，齒輪軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)漫反射板組件轉(zhuǎn)動(dòng)，漫反射板繞著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 137°（需根據(jù)軌道、探測(cè)器參數(shù)計(jì)算），零位位置如圖2所示，定標(biāo)位置如圖3所示，使漫反射板法線與太陽(yáng)光入射光線成37°，將太陽(yáng)光引入光路進(jìn)行近紅外譜段的定標(biāo)。

圖2 漫反射板處于零位位置Fig.2 Diffuse reflection plate at zero position

圖3 漫反射板處于定標(biāo)位置Fig.3 Diffuse reflection plate at calibration position

在振動(dòng)試驗(yàn)和衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中，采用電磁鐵加電吸合鎖定的方式，將漫反射板鎖定在零點(diǎn)位置，從而加強(qiáng)對(duì)漫反射板組件的支承剛度，保證組件安全。振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束或衛(wèi)星入軌后解鎖，釋放電磁鐵，使漫反射板處于自由狀態(tài)。

（4）漫反射板性能監(jiān)測(cè)

在漫反射板保護(hù)罩下面、產(chǎn)品旁邊安裝了隨爐試片，一旦保護(hù)罩取下，則隨爐試片與漫反射板暴露在同樣的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，在發(fā)射前取下隨爐試片，實(shí)測(cè)性能與漫反射板交付時(shí)的差異，獲得發(fā)射前樣品監(jiān)測(cè)的漫反射板BRDF修正因子。

空間環(huán)境下漫反射板主要受真空紫外輻照、原子氧剝蝕、質(zhì)子轟擊和太空污染等因素影響[15]。國(guó)外研究資料表明，在3倍于大氣外太陽(yáng)直射環(huán)境下（模擬環(huán)境），采用聚四氟乙烯材料制成的漫反射板，其在短波方向的反射率衰減要大于長(zhǎng)波方向，且隨著輻照時(shí)間的加長(zhǎng)，退化速率減緩[16]。為了提高相機(jī)整個(gè)壽命周期內(nèi)的定標(biāo)精度，對(duì)漫反射板在空間環(huán)境下的性能衰減進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由漫反射板穩(wěn)定性監(jiān)視輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)此功能。

漫反射板穩(wěn)定性監(jiān)視輻射計(jì)（簡(jiǎn)稱比輻射計(jì)）以穩(wěn)定已知的太陽(yáng)為參照，通過(guò)太陽(yáng)輻照度/漫反射板反射輻亮度比值及其歷史數(shù)據(jù)比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)漫反射板雙向反射分布函數(shù)（BRDF，它描述了入射光線經(jīng)過(guò)某個(gè)表面反射后如何在各個(gè)出射方向上的分布）變化監(jiān)測(cè)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析對(duì)漫反射板反射輻亮度進(jìn)行修正。

（5）在軌輻射定標(biāo)方案

漫反射板定標(biāo)裝置位于鏡頭前，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制下，定標(biāo)時(shí)漫反射板運(yùn)動(dòng)至工作位置，將太陽(yáng)光漫反射至光路；不定標(biāo)時(shí)將漫反射板收回，不遮擋成像光路，保護(hù)在收納裝置中以防受紫外線輻照和高能粒子轟擊以及衛(wèi)星所釋放氣體的污染。

根據(jù)軌道特點(diǎn)，設(shè)置漫反射板法線位于軌道面內(nèi)，為盡可能減少來(lái)自地景輻射對(duì)太陽(yáng)定標(biāo)的影響，定標(biāo)時(shí)機(jī)選擇在衛(wèi)星剛剛飛出地球陰影區(qū)，星下點(diǎn)的大氣和地景仍處在地球的陰影中，而太陽(yáng)光恰可照到近紅外探測(cè)通道的漫反射板上時(shí)進(jìn)行。定標(biāo)時(shí)，漫反射板定標(biāo)裝置驅(qū)動(dòng)漫反射板到預(yù)定位置，將太陽(yáng)光漫反射進(jìn)光路，從而獲得近紅外譜段的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。

漫反射板的出射亮度與太陽(yáng)入射角度余弦值成正比。出射亮度制定標(biāo)準(zhǔn)：高于相機(jī)成像能量的平均水平，小于相機(jī)入射能量動(dòng)態(tài)范圍的上限。依據(jù)相機(jī)實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算出：漫反射板法線和相機(jī)對(duì)地觀測(cè)光軸的夾角，太陽(yáng)光與漫反射板法線夾角。

3 在軌輻射定標(biāo)精度預(yù)估

大視場(chǎng)近紅外光學(xué)遙感相機(jī)在軌定標(biāo)，通過(guò)漫反射板定標(biāo)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)漫反射板到預(yù)定位置，將太陽(yáng)光漫反射進(jìn)光路，從而獲得近紅外譜段的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)影響輻射定標(biāo)精度的主要因素的相對(duì)影響量（見(jiàn)表2），近紅外通道實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)的總誤差（取均方根）約為4.73%，滿足5%的指標(biāo)要求。

表2 在軌輻射定標(biāo)精度分析Tab.2 Analysis of in-orbit radiometric calibration precision

表2中，太陽(yáng)輻照度不確定度是根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)獲得的常用數(shù)據(jù)；漫反射板BRDF地面標(biāo)定精度、漫射板面均勻性、比輻射計(jì)監(jiān)測(cè)不確定度由產(chǎn)品研制能力確定，經(jīng)實(shí)測(cè)滿足上述分解的指標(biāo)；漫反射板定位精度、漫反射板重復(fù)定位精度是考慮了最大誤差等效到入瞳輻亮度變化的影響得出的影響量；衛(wèi)星姿態(tài)指向精度、衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量精度是根據(jù)擬搭載的衛(wèi)星指標(biāo)計(jì)算的影響量；光學(xué)系統(tǒng)雜散光是根據(jù)雜散光分析結(jié)果確定的影響量；輻射校正非均勻性殘差是根據(jù)非均勻性校正結(jié)果計(jì)算得到的殘差數(shù)據(jù)；量化誤差是根據(jù)量化位數(shù)計(jì)算的影響量。

4 在軌輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理

星上絕對(duì)輻射定標(biāo)的總體方案如圖4所示。地面測(cè)量獲得漫反射板組件的BRDF數(shù)據(jù)，按在軌定標(biāo)時(shí)太陽(yáng)入射角建立不同入射角和輻射出射方向的漫反射板輻射模型[17]。在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)時(shí)，采用漫反射板引入太陽(yáng)光獲得太陽(yáng)定標(biāo)數(shù)據(jù)，并結(jié)合在軌實(shí)際太陽(yáng)光入射角度、漫反射板輻射模型以及波長(zhǎng)定標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得星上定標(biāo)因子[18]。利用星上定標(biāo)因子對(duì)地面定標(biāo)因子進(jìn)行修正，對(duì)觀測(cè)模式下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 星上絕對(duì)輻射定標(biāo)原理框圖Fig.4 Principle block diagram of absolute radiometric calibration on satellite

定標(biāo)時(shí)刻，光學(xué)遙感相機(jī)觀測(cè)漫反射板，其計(jì)數(shù)值與輻亮度關(guān)系為

式中 DN是光學(xué)遙感相機(jī)觀測(cè)漫反射板的數(shù)字計(jì)數(shù)值；A是遙感器發(fā)射前定標(biāo)系數(shù)；F是定標(biāo)系數(shù)的修正因子；k是部分孔徑因子；L是漫反射板反射輻亮度；DN0是光學(xué)遙感相機(jī)暗電流計(jì)數(shù)值。

星上定標(biāo)實(shí)質(zhì)上就是確定F因子，以校正相機(jī)的定標(biāo)系數(shù)。

式中 Lcal=(DN-DN0)/(AK)，是根據(jù)發(fā)射前定標(biāo)系數(shù)及部分孔徑因子計(jì)算的漫反射板反射輻亮度；L=EsuncosθsunBRDFt(θsun，φsun，θdet，φdet)，是由漫反射板 BRDF及觀測(cè)幾何確定的漫反射板實(shí)際反射輻亮度；BRDFt(θsun，φsun，θdet，φdet)是由地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)量及星上比輻射計(jì)觀測(cè)共同確定的定標(biāo)時(shí)刻漫反射板 BRDF；Esun為大氣外太陽(yáng)常數(shù)；θsun是太陽(yáng)在漫反射板坐標(biāo)系下的天頂角；φsun是太陽(yáng)在漫反射板坐標(biāo)系下的方位角；θdet是比輻射計(jì)在漫反射板坐標(biāo)系下的天頂角；φdet是比輻射計(jì)在漫反射板坐標(biāo)系下的方位角。

確定了定標(biāo)時(shí)刻的漫反射板 BRDF，則可求得漫反射板反射輻亮度，進(jìn)而確定光學(xué)遙感相機(jī)定標(biāo)系數(shù)修正因子F，實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感相機(jī)的定標(biāo)和校正。

5 結(jié)束語(yǔ)

可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)在軌采用漫反射板進(jìn)行全光路定標(biāo)是合理、可行的方式，重點(diǎn)解決活動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性、漫反射板表面防污染、漫反射板性能監(jiān)測(cè)等問(wèn)題；對(duì)于大視場(chǎng)可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)，漫反射板尺寸較大，還應(yīng)重點(diǎn)考慮漫反射板的支撐剛度，在滿足剛度要求的前提下應(yīng)盡量減少質(zhì)量。

通過(guò)分析，大視場(chǎng)可見(jiàn)–近紅外空間光學(xué)遙感相機(jī)在軌采用漫反射板全光路全視場(chǎng)全口徑輻射定標(biāo)方式，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度能達(dá)到4.73%，滿足5%的指標(biāo)要求。

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In-orbit Radiometric Calibration Technology Based on Diffuse Reflection Plate in Full Bore, Full FOV and Full Optical Path

ZHAO Yanhua DONG Jianting ZHANG Xiuqian WANG Bin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Space optical remote sensor radiometric calibration includes pre-launch in-laboratory radiometric calibration and in-orbit radiometric calibration. The lifetimes of Chinese space optical remote sensors have increased from initial 2～3 years to 8～10 years. It is required to establish an in-orbit radiometric calibration system. On the basis of summarizing radiometric calibration methods for similar cameras in the United States, France and Britain, in combination with the development foundation and engineering capability for diffuse reflection plate in China and by talking a certain project’s needs as background, this paper proposes an in-orbit radiometric calibration method in the form of all bore, full FOV and full optical path for near infrared space camera with large FOV. The onboard radiometric calibration system consists of a diffuse reflection plate and a stability monitoring ratio radiometer. The diffuse reflection plate is placed in front of entrance. When the plate deploys during calibration, the sun illuminates the plate, and then an approximate Lambertian surface light source with known spectral radiance is formed, so as to direct carry out the radiometric calibration in the form of all bore, full VOF and full optical path. The stability monitoring ratio radiometer is used to monitor the stability of the diffuse reflection plate and make its BRDF correction onboard, to ensure absolute accuracy of data products of space optical camera in long-term in-orbit operation. Through analysis, the absolute radiometric calibration accuracy of this method is better than 5.0%.

V474.2

: A

: 1009-8518(2016)02-0092-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.012

趙艷華，女，1977年生，2010年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院研究生部飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位，研究方向?yàn)楹教旃鈱W(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)、輻射定標(biāo)技術(shù)。Email：zhaoyh304@sina.com。

（編輯：王麗霞）

2015-12-01

科工局“十二·五”民用航天預(yù)研項(xiàng)目（D030101）