黑體與恒星相結合的短波紅外遙感器在軌輻射定標簡析

晉利兵，李曉曼，練敏隆，高慧婷，周吉

（1.北京空間機電研究所，北京 100094；2.先進光學遙感技術北京市重點實驗室，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、農業調查等民用領域，也可用于天文觀測科學應用，應用范圍廣泛，目前科學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，焦平面陣列響應存在非均勻性，此外，光學系統設計的像面照度均勻性、光學系統雜散輻射、光學系統工作溫度變化等都會影響輸出的穩定性[1]。在發射前要嚴格進行實驗室真空輻射定標，完成地面逐像元定標，獲得像元間參數差異，以確定遙感器最初的光譜輻射響應特性。遙感器在軌飛行期間，空間粒子輻射、污染、元器件老化等都會引起遙感器性能的退化，從而改變光譜輻射響應特性，為此，需要定期對遙感器進行星上輻射定標，滿足用戶對遙感數據長期定量化應用的要求。一般可選擇外部場景定標源（如地面大面積沙漠、太陽、月球及冷黑背景等）或內置定標裝置（如燈、硅碳棒、黑體等）以降低定標不確定度[2]。

星載面源黑體輻射定標方法是被廣泛認可的高精度在軌輻射絕對定標方法。利用精確的黑體輻射模型和高度穩定的黑體發射性能，可以通過最少的傳遞環節來降低輻射定標不確定度，國外在軌應用普遍控制在5%以內，國際上空間遙感儀器輻射定標不確定度最優達到2%～3%的水平，同時容易實現全口徑、全光路、全視場的絕對輻射定標，如 MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）、AATSR（advanced along track scanning radiometer）等都采用了黑體進行在軌定標方式[3-4]；但由于黑體發射率在軌長期衰變無法監測，需要借助其它標定手段進行修正。日本紅外天文衛星Akari（ASTRO-F）在軌期間可以觀測恒星，其利用遠紅外探測器的靈敏性和點源的亮度開展了恒星絕對輻射定標[5]；中段試驗衛星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[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結合恒星定標的在軌絕對輻射定標設計方案細節進行優化，提出了黑體的溫度均勻性、穩定性控制措施，并對恒星提取算法及恒星定標與黑體定標的數據修正方法進行了分析；結合某遙感器研制過程的具體實際，基于實驗室測試結果對算法進行了驗證，并對在軌絕對輻射定標不確定度進行預估。

1 輻射定標方案設計

輻射定標方案設計需要考慮的因素很多，包括工作譜段、定標精度、壽命、可靠性以及來自航天器和航天光學遙感器的約束條件等。

典型的星上輻射定標：利用高低溫面源黑體作為標準源引入相機，進行絕對輻射定標。面源黑體的穩定性會影響定標精度，由于恒星的輻射比較穩定，輻射穩定的恒星的特點，以觀測恒星的方法對黑體的標定的結果進行修正。對于工作在短波紅外譜段的航天光學遙感器來說是一種比較好的星上定標方式。

以某天文探測紅外遙感器設計為例，遙感器主要技術參數如表1 所示，其在軌輻射定標不確定度要求控制在5%以內。

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

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

在相機進入定標模式時，將黑體安裝在相機熱門防護門的內側，通過將熱門防護門關閉，將黑體輻射引入相機入瞳處，實現相機的在軌黑體定標。

1.1 黑體全口徑全光路定標

黑體采用電加熱的方式實現各個溫度點的精確控溫。黑體為面源黑體，黑體表面采用一定夾角的V 型開槽設計并進行表面陽極化發黑處理，能夠保證黑體具有較好的輻射均勻性和較高的輻射發射率。黑體靠近輻射表面的位置安裝有高精度熱敏電阻進行實時溫度監測，在黑體底面安裝有薄膜加熱片實現加熱控制。

星上黑體設計參數如下所示：

黑體溫度：235～270 K 多點可調；

黑體有效尺寸：270 mm×270 mm×20 mm（覆蓋相機入瞳）；

法向發射率：≥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控溫加熱回路；外罩內表面發黑，以加強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，多層最外側為黑色聚酰亞胺滲碳膜；

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

3）黑體與支撐結構之間隔熱安裝，以減小溫度互相影響；

4）黑體支撐結構布置主動控溫加熱回路，支撐結構與相機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、半導體制冷器、固定塊（用于固定半導體制冷器和熱管）、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品實物如圖1 所示。通過對高、低溫黑體的熱設計和熱分析計算，高、低溫黑體影響輻射定標精度的發黑一側的溫度穩定性、均勻性如表2 所示。

表2 高、低溫黑體計算結果Table 2 Calculation results of high temperature blackbody and cryogenic blackbody

圖1 高溫黑體組件、低溫黑體組件設計及實物Fig.1 Design drawing and physical drawing of high temperature blackbody component and cryogenic blackbody component

1.2 紅外恒星定標

恒星星表顯示大量的恒星輻射非常穩定，精度達到1%左右，是極好的輻射標準源。利用恒星進行輻射定標的方法目前主要在天文衛星和天文觀測上使用，恒星定標過程需要考慮以下因素：

1）一般遙感衛星是對地定向的，在恒星定標時需將相機視場對準深冷空間，與對地時外熱流的不同，帶來相機的狀態變化；

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

3）恒星是典型的點源目標，其立體角一般比相機像元分辨率小得多，衛星姿態抖動或者顫振帶來的恒星位置偏差、相機對恒星觀測時形成的點目標彌散斑中像點提取算法誤差等都帶來點目標輻射系數與面目標輻射定標系數換算修正誤差；

4）測量過程中相機時間噪聲的影響也是定標誤差的一部分，需要盡可能降低相機的時間噪聲。

恒星定標時相機響應可由下式計算得到。

式中：V為相機響應；k為輻射定標系數；R(λ)為相機光譜響應；E(λ)為恒星輻照度；η為像元內能量集中度；ω為成像時光學離軸角；Ω為相機瞬時視場角。

點目標接收面源輻照度的計算公式為：

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

1.3 數據修正方法

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

當像元的黑體輻射定標數據和恒星輻射定標數據DN 值相同時，根據式：

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

式中：DNh為星上黑體定標高溫點圖像灰度均值；DNl為星上黑體定標低溫點圖像灰度均值；Leh為星上黑體定標高溫點等效光譜輻亮度；Lel為星上黑體定標低溫點等效光譜輻亮度。

對恒星定標時，通過星庫選取2 顆恒星，利用其已知的譜段輻亮度數據，分析得到：

式中：Le為入瞳等效光譜輻亮度；K、C為絕對輻射定標系數的增益和截距。

通過下式對星上黑體輻射定標系數進行修正：

即可得到修正系數Rk和Rc：

針對每次新的定標數據，可依據新的星上黑體定標得到的定標系數和修正系數Rk和Rc，就可得到新的定標系數。

2 實驗室輻射定標驗證

2.1 實驗方法

為了驗證輻射定標方案數據修正方法，在地面將相機產品放置在真空低溫罐內，利用點目標成像實驗以及面源黑體輻射定標相結合的方式，對在軌定標情況進行模擬，為相機在軌圖像數據的定量化應用提供基礎。

相機點目標成像實驗及全口徑全光路真空輻射定標實驗測試系統框圖如圖2（上）所示。被測相機、點源模擬器、平行光管、面源黑體放在真空罐內，地面測試設備和圖像采集設備放在真空罐外，通過穿罐電纜進行信號傳輸。

測試布局如圖2 所示，將紅外遙感器與平行光管光路對準，平行光管將紅外目標背景模擬器輻射信號準直，紅外遙感器接收目標及背景輻射并成像，利用遙感器配套的處理設備實時采集圖像數據，輸出數字圖像序列，并對數字圖像進行處理，計算圖像信噪比。

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

2.2 實驗結果

對點目標成像結果如圖3 所示。根據模擬器中黑體的溫度、發射率，計算得到仿真恒星輻射定標系數。

圖3 相機點目標信噪比測試目標點周圍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）定標系數如表3 所示。通過衰減方式使得星上黑體發射率相比實驗室黑體衰減3%，每間隔一小時測一次，連續測試3次，實測定標系數如表3 所示。可見各次重復性好，由此通過地面仿真驗證了恒星定標結合黑體定標的修正算法的正確性。

表3 黑體定標結果、仿恒星定標結果及修正系數Table 3 Blackbody calibration results,stellar simulation calibration results and correction coefficients

2.3 輻射定標不確定度分析

航天光學遙感器的星上定標不確定度主要取決于星上定標輻射源本身的穩定性、測量精度、定標方式以及航天光學遙感器的穩定性。從真空輻射定標能量傳輸環節上看，影響紅外遙感器工作時的真空輻射定標精度的因素主要有如下幾個方面：

1）星上黑體溫度不確定性

黑體輻射源為相機真空輻射定標的基準源，黑體測溫誤差均會對定標精度產生影響。根據目標輻射特性，折算入瞳處等效黑體溫度，并經過計量院標定，在基準溫度處，星上定標黑體溫度不確定度為±0.15 K，對應不確定性誤差為2.1%。

2）星上黑體發射率誤差

通過發射率的標準傳遞，黑體標準可以溯源至國家計量科學研究院，其發射率測量的不確定度主要來源于引用標準的不確定度和儀器測量誤差。其中，標準溯源誤差是主要貢獻。測試發射率需要保證測試距離和角度與定標時盡可能一致，定標黑體的發射率通過輻射計傳遞并與標準黑體比對，實測結果為0.98±0.01，所以法向發射率測試誤差為(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，是相機相對輻射定標精度的主要影響因素，出口溫度非均勻性峰谷值為±0.3 K，以輻亮度差與基準黑體輻亮度相比，計算出黑體輻射源的溫度非均勻性的影響。同時需考慮在視場角范圍內角非均勻性為0.1%。所以黑體的綜合非均勻性誤差0.74%。

4）星上黑體溫度穩定性

黑體輻射源為相機真空輻射定標的基準源，黑體的發射率不確定度、溫度穩定性、溫度均勻性、測溫誤差均會對定標精度產生影響。星上黑體輻射源的溫度穩定度峰谷值為±0.1 K，以輻亮度差與基準黑體輻亮度相比，計算出黑體輻射源的溫度穩定性的影響為1.17%。

5）相機光機輻射波動影響

相機自身光機發射的輻射能量會與目標/大氣背景一起到達相機探測器處，光機輻射主要包含光學鏡片自身的輻射以及光機結構的輻射兩部分，可依據光機溫度遙測值變化情況，利用普朗克定律計算光機輻射波動量[9]。相機定標時段內，由于在軌外熱流環境變化會引起光機輻射波動±0.1 K。光學系統及光機結構的溫度變化為(300±0.1) K，其在短波輻射穩定性波動為1.17%[10]。

6）相機時間噪聲

相機的時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，時間噪聲反映了相機的探測靈敏度，相機噪聲的影響表現為輸出信號的隨機波動[11]。按照在基準溫度下相機信噪比進行估算，則噪聲引入的不確定度為1.70%。

7）相機響應非線性

根據實驗室輻射定標過程的工程經驗，響應動態范圍（DN 值）5%～95%內的值計算相應非線性，優于1.0%。

8）雜散輻射

太空環境，包括太陽、月亮、恒星以及地氣雜光會對星上定標帶來影響，產生雜散輻射，而且黑體本身長期工作積累的熱量也會影響系統定標精度[12]，按照雜散輻射分析取值為1.0%。

將各個因素的影響量綜合為實驗室輻射定標的總誤差，其計算方法是計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精度分析結果見表4。

經計算，真空輻射定標不確定度為3.68%，通過恒星定標方式能夠修正黑體輻射源隨時間的影響，從而保證星上絕對輻射定標精度優于5%的指標要求。

3 結論

短波紅外空間光學遙感相機在軌采用黑體＋紅外恒星的方式進行全光路定標是合理、可行的方式，重點解決黑體工作溫度均勻性、穩定性、絕對輻射性能監測等問題。通過對短波紅外遙感器定標不確定度影響因素的分析，從改進星上定標方案、提供星上定標黑體控溫精度的方式，結合紅外恒星定標方式，能有效提高輻射定標精度。通過地面實驗室測試的方式進行了算法的驗證。

全口徑、全光路定標的優點是絕對輻射定標不確定度低。然而，對于大口徑航天光學遙感器，用于實現全口徑、全光路定標的星上定標器的尺寸和重量比較大，而且需要活動部件來驅動定標器切入/切出光路，這限制了其應用。因此，需要根據航天光學遙感器的具體情況選擇星上定標方案。后續將在軌開展相關實驗驗證工作，持續改進紅外遙感器性能以進一步降低輻射定標不確定度。