海洋一號C/D衛星在軌交叉定標設計

張可立 張永超 馬越

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

星載光學遙感器在軌長期運行過程中,由于受到空間環境影響以及自身探測器、光學系統膜層衰退影響,輻射特性會發生變化。為獲取高輻射質量的遙感產品,需要定期對在軌光學載荷進行在軌輻射定標,及時更新定標系數。海洋一號(HY-1)C/D衛星是HY-1B衛星的后續星,其主要功能是針對全球大洋、近海近岸水體進行高精度、大范圍探測,其搭載的水色水溫掃描儀、紫外成像儀幅寬均達到了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,其反射率水平達到10%左右[1]。因此要獲取準確、穩定的水色輻亮度信息,進而提升海洋水色遙感產品精度,必須保證載荷的輻射準確度。

目前通用的在軌定標方法主要包括載荷自主定標、地面定標場定標,以及多星交叉定標等方式[2-4]。針對海洋遙感衛星大幅寬、長期連續工作的特點,多星交叉定標方法無疑是首先要考慮的在軌定標方法。多星交叉定標方法是利用在軌多顆星長期觀測結果,采用輻射定標精度較高的載荷為定標精度較低的載荷進行定標系數修正的方法[5-6]。國際和國內均采用過多星之間交叉定標方法,例如采用“土衛星”(TERRA)的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)為“陸地衛星”(LANDSAT)的增強型專題制圖儀(ETM＋)和風云一號(FY-1)D衛星的載荷可見近紅外輻射計(VIRR)進行交叉定標等[7-10]。然而,由于定標與被定標載荷軌道特性不同、分辨率不同、成像時間不同等因素,導致定標誤差鏈較長,定標誤差較大,只能作為載荷修正定標系數的參考。

為解決多星之間交叉定標方法的不足,為了保證星上海洋水色遙感儀器的在軌定標精度,首次提出HY-1 C/D衛星在同一衛星平臺上配置一臺星上定標光譜儀的設計方法,并將其作為整星其它載荷的輻射定標基準源,然后對同平臺的水色水溫掃描儀、紫外成像儀進行交叉定標。本文從工程實踐角度進行了分析,結果表明HY-1 C/D衛星在軌同平臺交叉定標設計可有效提升同平臺不同光學遙感器之間的交叉定標精度,對后續同類型光學遙感衛星在軌定標具有重要參考意義。

1 交叉定標基本原理

交叉定標是利用定標精度較高的光學遙感器作為參考,對被定標光學遙感器進行定標。在交叉定標過程中主要考慮對參考光學遙感器與被定標光學遙感器進行光譜函數的匹配以及光照條件的匹配[2-4]。

衛星光學遙感器第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通道的光譜響應函數,通道響應范圍設為λ1和λ2,在這個范圍之外的響應等于0。

與輻亮度一樣,衛星高度的等效太陽輻照度可定義為

式中:ES(λ)是垂直于太陽入射光線平面上的大氣外太陽輻照度,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通道的等效太陽輻照度;d為真實的日地距離和日地平均距離的比值;θA為遙感器A過頂時的太陽天頂角;ρAi為遙感器A過頂時刻太陽天頂角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)。

假設參考遙感器為B的TOA輻亮度及反射率的定標系數是已知的,可以采用遙感器B的輻亮度或表觀反射率來對遙感器A進行定標。遙感器A第i通道TOA輻亮度的交叉定標如下所示。

式中:DAi、DA0,i及aAi分別表示遙感器A第i通道的數字計數值、偏置量及定標系數;DBi、DB0,i及b i分別表示參考遙感器B第i通道的數字計數值、偏置量及定標系數為衛星過頂時太陽輻照度得是兩個遙感器對應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,包括了兩個遙感器對地物、大氣的不同響應以及不同觀測幾何大氣路徑的匹配。

傳統的交叉定標,往往采用不同軌道設置的衛星,在它們近同時觀測區域進行交叉定標。這一過程往往會由于成像條件的不匹配,兩不同衛星載荷譜段響應特性的差異、幾何觀測角度的不一致、大氣路徑的不同帶來交叉的差異。為減少不同軌道、不同過境時間、不同幾何觀測條件帶來的誤差,HY-1 C/D衛星通過在星上配置具有絕對輻射定標能力的星上定標光譜儀來與被定標光學遙感器(水色水溫掃描儀、紫外成像儀)進行交叉定標。的匹配因子,即光照條件的匹配,可以通過計算獲

2 同平臺交叉定標設計

HY-1 C/D衛星同平臺交叉定標設計本質上是采用輻亮度基法。輻亮度基法要求定標器與目標遙感器在同時刻、同觀測幾何條件下對同一靶場進行成像,根據大氣輻射傳輸特性,兩遙感器可獲得相同的入瞳光譜輻亮度。同時,該設計要求定標器與目標遙感器在中心波長位置、光譜響應函數等參數上盡可能接近,以減小兩臺遙感器輻亮度傳遞過程中的誤差。

2.1 交叉定標設計特點

HY-1 C/D衛星同平臺交叉定標設計具有以下特點。

(1)定標時效性:基于同一衛星平臺,定標光譜儀在陽照區可以與水色儀、紫外成像儀同步成像,可以對每軌的數據都進行實時定標和校正,能夠保證數據處理的連續性和穩定性;

(2)數據獲取自主性:基于同一衛星平臺,在軌定標不受其它平臺遙感器限制,能夠保證數據獲取的自主性,從而保證業務化運行工作穩定開展;

(3)數據源豐富:基于同一衛星平臺,可以獲取不同地域、不同時相的成像數據,從而增加有效定標點數量,提高定標精度;

(4)幾何觀測誤差消除:基于同一衛星平臺,在保證載荷安裝配準精度的條件下,可以有效消除由于兩臺遙感器的觀測時間、觀測區域、觀測幾何條件不同造成的誤差,提高定標精度。

2.2 交叉定標設計過程

HY-1 C/D衛星同平臺交叉定標設計過程如圖1所示,具體過程描述如下。

(1)對于星上定標光譜儀,作為參考光學遙感器需要具備高精度的光譜定標及輻射定標能力。因此,星上定標光譜儀需要通過星上波長定標與太陽輻射定標分別獲得光譜響應函數和定標系數;然后通過定標區圖像及定標系數獲得星上定標光譜儀的入瞳等效輻亮度序列;最后通過光譜響應函數和入瞳等效輻亮度序列獲得星上定標光譜儀入瞳光譜輻亮度序列。

(2)對于水色水溫掃描儀,作為被定標光學遙感器,需要星上定標光譜儀通過反卷積法提供連續入瞳光譜輻亮度。反卷積過程是利用光譜儀入瞳等效輻亮度和光譜儀光譜響應函數重構未知入瞳輻亮度,采用三次樣條插值并累次迭代逐步逼近的方法進行計算[11]。具體計算過程如下,設

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L0經過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,這里將光譜間隔為1 nm的輻亮度看作是準連續光譜的輻亮度。

第k次光譜響應插值結果為

式中:L ki為第k次光譜輻亮度插值結果;S i,0(λ)為參考遙感器第i通道的光譜響應函數;L k＋1(λ)為L k＋1經過三次樣條差值后得到的光譜間隔為1 nm的輻亮度;系數a為常數,其取值范圍為0.5～10,一般情況下將系數a設為1。利用與迭代處置的差值逐次減小誤差,最終經過插值后得到1 nm光譜間隔的入瞳光譜輻亮度,作為連續光譜輻亮度。

圖1 同平臺交叉定標設計過程示意圖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函數的情況下,可計算得到水色水溫掃描儀的入瞳等效輻亮度和絕對輻射定標系數。在同平臺、同視角、同時刻觀測條件下,定標光譜儀和水色水溫掃描儀的入瞳光譜輻亮度是相同的。在利用定標光譜儀得到連續光譜輻亮度后,將其與水色水溫掃描儀歸一化光譜響應函數按照式(1)進行計算,得到水色水溫掃描儀相應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 項目提供了多種語言版本的客戶端，包括Java、Python、.NET 和Groovy，提供了友好的二次開發平臺。

(4)通過多次觀測得到大量的交叉定標數據,利用這些輻亮度值與水色水溫掃描儀相對應的響應值進行函數擬合,從而得到水色水溫掃描儀絕對輻射定標系數,完成在軌同平臺交叉定標。

3 星上定標光譜儀設計保證

由本文第2節同一衛星平臺交叉定標設計可知,星上定標光譜儀作為參考光學遙感器,需要具備高光譜分辨率、星上太陽輻射定標與光譜定標,以及對地觀測功能,星上定標光譜儀主體結構如圖2所示。為實現HY-1 C/D衛星基于同一衛星平臺交叉定標需求,星上定標光譜儀在載荷自身設計上需要保證滿足以下條件。

圖2 星上定標光譜儀結構示意圖Fig.2 Outline diagram of the calibration spectrometer

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

(2)具備太陽定標功能。采用輻射定標漫反射板＋波長定標板＋參考漫反射板＋暗電流板的在軌定標方式,實現在軌全口徑、全視場、全光路太陽定標。并通過暗電流板對成像過程中采集的數據進行暗電流校正;通過參考板對定標板的衰減進行在軌校正;通過波長板對光譜儀的波長漂移進行校正。

(3)具備對地觀測功能。為與水色儀、紫外成像儀等載荷3000 km幅寬相匹配,采用一維指向機構實現對地±30°范圍內特定區域的選擇觀測,提高與被定標載荷交叉定標的靈活性。

在進行星上太陽定標時機選擇時,主要考慮定標光譜儀太陽入射角度的變化情況,同時還要滿足對日定標時星下點在陰影區內,保證地面雜散光對太陽定標影響降至最低。結合國外MODIS等衛星載荷定標設計和HY-1 C/D衛星軌道,確定將衛星過南北極極區且地面處于陰影區的飛行弧段作為在軌對日定標弧段,如圖3所示。

圖3 在軌太陽定標區域示意圖Fig.3 On orbit calibration area for solar calibration

4 同平臺交叉定標精度分析

根據交叉定標基本原理,針對HY-1C/D衛星在軌同平臺交叉定標設計,影響交叉定標精度的因素主要包括:參考遙感器絕對定標誤差、觀測匹配誤差、目標遙感器相對定標誤差和其他因素引起的誤差,如圖4所示。

圖4 HY-1 C/D衛星交叉定標誤差影響因素Fig.4 Influencing factors of cross-calibration for HY-1 C/D satellite

1)參考遙感器絕對定標精度

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

2)軌道匹配、空間匹配、時間匹配、觀測幾何匹配誤差

對于定標光譜儀與水色儀和紫外成像儀安裝在同一平臺上,星下點幾何地面分辨率一致,成像時間能夠精確計算,通過控制各相機的光軸安裝指向精度在一定范圍內,且這些誤差部分為系統誤差,可以通過測量和地面處理進行校正,而一些測量誤差和隨機誤差將會難以消除。系統校正前后,各載荷間星下點像元中心距離如表2所示。

在進行交叉定標時,通常選擇水質條件均一的大洋水體進行,在2個像元內,目標輻射條件幾乎一樣。通過上述分析可以看出,按照目前星上載荷安裝幾何位置關系和可能存在的誤差,可以近似認為各交叉定標載荷間是在同一時刻(對某目標最大成像時間間隔相差0.6 s)、以相同觀測角度對同一地區進行成像,觀測幾何即大氣路徑和大氣參數可以認為完全一樣,同時地表光譜特性也一樣,則到達大氣層頂相機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境影響條件,同平臺交叉定標設計可以將傳統交叉定標時的時間不同步、幾何條件不同步、地物匹配不同步帶來的誤差忽略。

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

3)光譜響應誤差

指由于譜段差異和光譜響應函數差異引起的光譜響應誤差。考慮到兩臺儀器的光譜響應函數的中心波長、帶寬無法完全一致,獲取的定標因子誤差最大可達到2%左右。因此,本文采用了光譜復原方法[11],首先獲取[400,900]nm范圍內5 nm連續光譜輻亮度,進一步通過反卷積方法獲得連續光譜輻亮度,最終與已知被定標遙感器定標響應函數運算后得到入瞳輻亮度的算法。采用光譜復原方法,與同譜段定標方法相比,平均/最大誤差可降低一個數量級,通道9(B9)誤差最大,但不超過0.6%[12]。

4)待定標載荷相對定標誤差

待定標載荷相對定標誤差表征水色儀或紫外成像儀圖像經過相對輻射校正后的非均勻特性,由于同平臺遙感器定標只針對局部小區域進行絕對定標,如果以局部輻射定標結果代替全視場定標結果,絕對輻射定標精度將受被定標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于1%,紫外成像儀非均勻性校正精度優于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遙感器的雜散光引入的誤差、偏振靈敏度引入的誤差、響應非線性引入的誤差、響應穩定性引入的誤差、量化誤差以及定標算法的引入誤差等。

綜上所述,參考地面絕對定標精度誤差傳遞過程,采用星上定標光譜儀進行同平臺星上交叉定標的精度在可見近紅外譜段為4.17%,紫外譜段為6.43%,如表3所示,相比于當前多星之間7%～9%的交叉定標精度水平有較大提升。

表3 同平臺交叉定標精度分析Table 3 Accuracy analysis for cross-calibration based on same platform

5 結束語

本文提出了HY-1 C/D衛星同平臺交叉定標設計,即采用在星上配置具有星上絕對輻射定標能力的定標光譜儀,針對同平臺待定標載荷進行交叉定標。HY-1 C/D衛星同平臺交叉定標設計不僅有效消除了傳統的多星之間交叉定標方法由于不同軌道、不同時相下光譜匹配、幾何觀測等誤差影響,而且有效保證了定標數據獲取的自主性和時效性。后續海洋水色遙感衛星在進行同平臺交叉定標時,需要注意的主要方面有:①在定標場地的選取上,盡量選擇大面積均勻目標區域作為靶區,確保場地的均勻性;②定標區域最好位于星下點周圍區域,盡量不要在圖像邊緣,而且要避開太陽耀斑的影響;③為提高定標穩定度也應增加定標點,因此需要獲取多個靶區或者同一靶區多時段觀測圖像數據,即定標數據滿足多時相性。