基于溫度修正的GF-5全譜段光譜成像儀熱紅外譜段輻射定標(biāo)

王 浩，晉利兵，李 巖，趙艷華

〈測(cè)量技術(shù)〉

基于溫度修正的GF-5全譜段光譜成像儀熱紅外譜段輻射定標(biāo)

王 浩1,2，晉利兵1,2，李 巖1，趙艷華1

（1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院 天基空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

針對(duì)GF-5全譜段光譜成像儀熱紅外譜段存在響應(yīng)異常、輻射定標(biāo)精度難以保障的問題，開展了地面輻射定標(biāo)補(bǔ)充試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱紅外譜段響應(yīng)對(duì)儀器內(nèi)部溫度、焦面溫度變化敏感是導(dǎo)致異常現(xiàn)象的主要原因。進(jìn)一步對(duì)相機(jī)輸出信號(hào)值隨儀器內(nèi)部溫度、焦面溫度變化規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了基于儀器溫度、焦面溫度修正的絕對(duì)輻射定標(biāo)算法，成功應(yīng)用于全譜段光譜成像儀熱紅外譜段的實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)，結(jié)果表明定標(biāo)不確定性為1.36%。

高分五號(hào)；絕對(duì)輻射定標(biāo)；熱紅外遙感；HgCdTe探測(cè)器；溫度修正

0 引言

高光譜觀測(cè)衛(wèi)星（GF-5）用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)高分專項(xiàng)“形成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測(cè)的時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”目標(biāo)的重要組成部分。全譜段光譜成像儀（下文簡稱全譜段相機(jī)）是GF-5衛(wèi)星的主要載荷之一，它是我國第二代從可見光到熱紅外光譜范圍的星載多光譜成像儀，具有12個(gè)譜段，波長覆蓋可見光到熱紅外（0.45～12.5mm）。其中熱紅外分為B11（10.3～11.3mm）、B12（11.5～12.5mm）兩個(gè)譜段，空間分辨率達(dá)40m，為目前國際最高；這種分裂窗譜段探測(cè)，能夠提高地面溫度反演精度[1]。

對(duì)于熱紅外相機(jī)，探測(cè)的是目標(biāo)的紅外輻射信息，而儀器自身產(chǎn)生的熱輻射會(huì)疊加在目標(biāo)信號(hào)上，儀器內(nèi)部溫度波動(dòng)會(huì)引起輸出DN（digital number，下文簡稱DN值）值的波動(dòng)；另外由于焦面溫度波動(dòng)會(huì)造成HgCdTe探測(cè)器禁帶寬帶、電阻率改變等原因，導(dǎo)致探測(cè)器響應(yīng)改變[2-3]，影響相機(jī)絕對(duì)定標(biāo)精度。國外高精度定量化紅外相機(jī)均對(duì)儀器內(nèi)部、焦面進(jìn)行了嚴(yán)格控溫。MODIS儀器內(nèi)部溫度267K，掃描鏡溫度273K，每年波動(dòng)小于1K；中長波焦面溫度83K，短期溫度穩(wěn)定性優(yōu)于35mK[4]。VIIRS儀器內(nèi)部溫度265K，季節(jié)性波動(dòng)小于1K；紅外焦面溫度80K，一年中波動(dòng)小于20mK[5-6]。TIRS儀器內(nèi)部溫度186.5K，溫度穩(wěn)定性0.1K，焦面溫度43K，35s內(nèi)溫度波動(dòng)性優(yōu)于10mK[7-8]。

GF-5全譜段光譜成像儀儀器內(nèi)部、探測(cè)器焦面采用開環(huán)控溫技術(shù)，相機(jī)熱紅外譜段輸出數(shù)字信號(hào)隨儀器溫度波動(dòng)大，對(duì)相機(jī)的絕對(duì)輻射定標(biāo)以及定量化應(yīng)用影響較大。為減小儀器溫度波動(dòng)對(duì)絕對(duì)輻射定標(biāo)精度的影響，提高相機(jī)定量化應(yīng)用水平，提出了基于儀器內(nèi)部溫度、焦面溫度修正的熱紅外譜段輻射定標(biāo)方法，該方法首先通過遙測(cè)的部組件溫度對(duì)同時(shí)刻相機(jī)輸出的原始DN值進(jìn)行校正，得到參考/標(biāo)準(zhǔn)溫度下的DN值，然后結(jié)合等效入瞳輻射亮度完成絕對(duì)輻射定標(biāo)，結(jié)果表明采用該方法后相機(jī)絕對(duì)定標(biāo)精度明顯提高。

1 GF-5全譜段相機(jī)紅外譜段輻射定標(biāo)

1.1 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

全譜段相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)為離軸三反系統(tǒng)，可見光與紅外譜段共用主、次鏡，結(jié)合視場(chǎng)分光、分色片、濾光片等技術(shù)實(shí)現(xiàn)可見光到長波紅外12個(gè)譜段的分光。紅外發(fā)射譜段輻射定標(biāo)在空間環(huán)境模擬真空罐中進(jìn)行，儀器內(nèi)部溫度設(shè)為289K、291K和293K，焦面溫度設(shè)為58K。采用全口徑全光路的輻射定標(biāo)方法，用均勻穩(wěn)定的500mm×500mm黑體作為定標(biāo)源，將黑體置于相機(jī)入口，確保覆蓋相機(jī)入瞳，如圖1所示。絕對(duì)輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)在低溫真空罐內(nèi)進(jìn)行，真空罐熱沉溫度為100K，遠(yuǎn)低于儀器內(nèi)部溫度，對(duì)定標(biāo)的影響可以忽略。

通過改變外黑體溫度來改變?nèi)V段接收到的入射能量，同時(shí)采集全譜段相機(jī)的輸出數(shù)字信號(hào)、儀器內(nèi)部主要熱輻射源的溫度和焦平面溫度。經(jīng)過儀器內(nèi)部溫度修正、焦面溫度修正等數(shù)據(jù)處理，建立等效入瞳輻亮度與輸出DN值的關(guān)系，完成GF-5全譜段相機(jī)的輻射定標(biāo)。

1.2 基于溫度校正的定標(biāo)算法

溫度為的黑體在相機(jī)入瞳處的等效入瞳輻亮度e：

式中：為黑體發(fā)射率；1為波長下限；2為波長上限；()為光譜響應(yīng)函數(shù)；(,)為光譜輻射亮度，可由普朗克黑體輻射定標(biāo)求得。

熱紅外B11、B12譜段，第個(gè)像元的有效DN值可表示為：

DN()＝DN()＋DDNesh()＋DDNd() (2)

式中：DN()為相機(jī)實(shí)際輸出DN值；DDNesh()為相機(jī)輸出隨儀器內(nèi)部溫度變化修正量；DDNd()為相機(jī)輸出隨焦面溫度變化的修正量。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑體溫度一定時(shí)，相機(jī)輸出DN值隨儀器內(nèi)部溫度、焦面溫度成線性關(guān)系，分別以儀器內(nèi)部溫度291K，焦面溫度58K為參考基準(zhǔn)，則：

式中：1為儀器內(nèi)部變溫修正系數(shù)；2為焦面溫度變化修正系數(shù)；INT為實(shí)際儀器內(nèi)部溫度；d為實(shí)際焦面溫度。

根據(jù)等效入瞳光譜輻亮度e與DN()之間的關(guān)系建立絕對(duì)輻射定標(biāo)方程，多組輸入輸出數(shù)據(jù)最小二乘擬合確定定標(biāo)系數(shù)，：

DN()＝e＋(4)

圖1 定標(biāo)光路圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 儀器內(nèi)部變溫修正系數(shù)

全譜段相機(jī)紅外譜段采用出瞳與冷光闌匹配設(shè)計(jì)，能夠較好地抑制儀器內(nèi)部非成像光路的熱輻射。通過Tracepro內(nèi)輻射雜光分析知，主鏡、次鏡和分色片為儀器內(nèi)部主要的熱輻射源。儀器內(nèi)部溫度INT可由兩種方法獲得，一種是從儀器艙內(nèi)的溫度傳感器直接獲得，一種是通過主鏡、次鏡、分色片的溫度測(cè)量值擬合求得。在軌運(yùn)行時(shí)兩種方法互為補(bǔ)充，避免溫度突變帶來的影響，其中擬合法通過地面試驗(yàn)獲取擬合系數(shù)。圖2給出了地面試驗(yàn)相機(jī)工作時(shí)不同儀器內(nèi)部溫度與3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的關(guān)系。

圖2 儀器內(nèi)部溫度與各基準(zhǔn)點(diǎn)溫度關(guān)系

由圖2可知，隨著儀器內(nèi)部溫度升高，3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度也升高，可采用加權(quán)線性擬合的方法得出儀器內(nèi)部溫度INT與主鏡、次鏡與分色片溫度的關(guān)系：

INT＝1×1＋2×2＋3×3＋0(5)

式中：1為分色片溫度；2為主鏡溫度；3為次鏡溫度；0、1、2和3為溫度擬合系數(shù)，如表1所示。

表1 儀器內(nèi)部溫度擬合系數(shù)

將實(shí)際儀器內(nèi)部溫度INT與參考溫度（291K）之差和對(duì)應(yīng)相機(jī)輸出DN值差進(jìn)行最小二乘法擬合，得到儀器內(nèi)部溫度變化對(duì)各個(gè)像元輸出DN值的影響關(guān)系，即得到儀器內(nèi)部變溫修正系數(shù)。表2給出了Z4，Z5兩成像指令（不同積分時(shí)間與增益）下的儀器內(nèi)部溫度修正系數(shù)。

表2 儀器內(nèi)部溫度修正系數(shù)

2.2 焦面變溫修正系數(shù)

B11，B12譜段的成像動(dòng)態(tài)范圍是270～340K，焦面變溫修正根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍分段修正。目標(biāo)溫度低于277K的焦面溫度修正系數(shù)由采集黑體277K數(shù)據(jù)獲得，目標(biāo)溫度277～300K時(shí)的修正系數(shù)由采集黑體300K數(shù)據(jù)獲得，目標(biāo)溫度300～340K時(shí)的修正系數(shù)由采集黑體320K數(shù)據(jù)獲得。

焦面溫度修正需要高精度、高時(shí)間分辨率的焦面溫度數(shù)據(jù)，利用焦面3個(gè)測(cè)溫二極管輸出數(shù)據(jù)作濾波處理，然后取均值，最后對(duì)均值后的曲線做6次多項(xiàng)式擬合，如圖3(a)、(b)所示。

圖3 焦面溫度測(cè)試、濾波、擬合結(jié)果

2.3 定標(biāo)結(jié)果

通過儀器內(nèi)部溫度修正系數(shù)，焦面溫度修正系數(shù)如圖4所示，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得B11、B12譜段在Z4、Z5成像指令下的定標(biāo)曲線圖5、圖6所示，可見定標(biāo)方程2均大于0.98，說明修正效果較好。

2.4 定標(biāo)精度分析

根據(jù)誤差傳遞理論，忽略影響很小的高階項(xiàng)，則合成定標(biāo)不確定性表示為：

式中：dbb-T為黑體溫度不確定度；dbb-e為黑體發(fā)射率的不確定度；dINT為儀器內(nèi)部溫度修正不確定度；dFPA為焦面溫度修正不確定度；dDN為相機(jī)輸出DN的不確定度。定標(biāo)黑體通過計(jì)量院標(biāo)定，溫度不確定度為0.5K，發(fā)射率為e＝0.99±0.005，溫度不確定度帶來的入瞳等效亮度的不確定度為dbb-T＝[Le(300.5K)－Le(300K)]/Le(300K)＝0.68%，發(fā)射率不確定度帶來的入瞳等效輻射亮度的不確定為dbb-e＝0.005/0.99＝0.51%；儀器內(nèi)部溫度修正不確定度主要受儀器內(nèi)部測(cè)溫精度的影響，儀器內(nèi)溫度測(cè)量精度為30mK，乘以儀器內(nèi)部溫度修正系數(shù)可獲得DN值修正誤差約為1個(gè)DN值，與采集的300K黑體圖像減低后DN值均值作比獲得儀器內(nèi)部溫度修正不確定度dINT＝0.2%；焦面溫度修正不確定度主要受焦面測(cè)溫精度的影響，焦面溫度測(cè)量精度為17mK，乘以焦面修正系數(shù)可獲得DN值修正誤差約為5個(gè)DN值，與采集的300K黑體圖像減低后DN值均值作比獲得焦面溫度修正不確定度dFPA＝1%；相機(jī)輸出DN值的不確定度主要受相機(jī)自身噪聲的影響，通過采集300K黑體長時(shí)間多幀圖像數(shù)據(jù)，求取像元時(shí)間序列減底后的均方根值與均值，二者相比作為輸出信號(hào)不穩(wěn)定度，經(jīng)測(cè)試dDN最大為0.44%。影響絕對(duì)輻射定標(biāo)精度的因素及不確定度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖5 B11譜段定標(biāo)結(jié)果

圖6 B12譜段定標(biāo)結(jié)果

表3 定標(biāo)因素的不確定度

3 結(jié)束語

在GF-5全譜段光譜成像儀研制完成進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)過程中，發(fā)現(xiàn)熱紅外譜段對(duì)溫度特性極為敏感，尤其是HgCdTe探測(cè)器對(duì)焦面溫度變化的響應(yīng)尤為顯著，不進(jìn)行溫度修正相機(jī)輸出數(shù)據(jù)不具備參考性。通過地面試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：入瞳輻射能量一定時(shí)，相機(jī)輸出信號(hào)值隨儀器內(nèi)部溫度、焦面溫度呈較好的線性。為此提出了基于儀器溫度、焦面溫度修正的絕對(duì)輻射定標(biāo)算法，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器溫度、焦面溫度修正處理，定標(biāo)方程呈現(xiàn)較好的線性，黑體溫度300K時(shí)定標(biāo)不確定性為1.36%，對(duì)應(yīng)的溫度不確定性為0.9K@300K。

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Radiation Calibration of Thermal Infrared Bands of GF-5 VIMI Based on Temperature Correction

WANG Hao1,2，JIN Libing1,2，LI Yan1，ZHAO Yanhua1

(1.,100094,; 2.,100094,)

Owing to the abnormal response of the thermal infrared bands of the visible infrared multi-spectral imager (VIMI) aboard GF-5 satellite it is challenging to guarantee the radiometric calibration accuracy; considering this fact, we conducted a supplementary test of ground radiometric calibration. We obtained that the response sensitivity of the thermal infrared bands to the change of instrument cavity temperature and the focal plane temperature was the main reason for this abnormal phenomenon. Furthermore, we analyzed and summarized the law of output signal changing with instrument cavity temperature and focal plane temperature. An absolute radiation calibration algorithm based on instrument temperature and focal plane temperature revise was proposed. It was successfully applied to laboratory absolute radiation calibration of thermal infrared bands of VIMI. The results show that the uncertainty of calibration is 1.36%.

GF-5, absolute radiation calibration, thermal infrared remote sensing, HgCdTe detector, temperature revise

V443.5

A

1001-8891(2020)06-0547-05

2019-04-03；

2019-07-13.

王浩（1988-）男，工程師，碩士。研究方向是空間光學(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)。E-mail：wanghao9490@163.com。

國家重大科技專項(xiàng)工程。