27144985_环境减灾二号A

航天器工程第卷第期

３ Vol．３１ No．３１ ３

９２ SPACECRAFTENGINEERING２０２２６

年月

/

环境减灾二号卫星大气校正仪设计与验证

AB

(),

中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所合肥

２３００３１

的方式同步获取与偏振信息通过数据融合反演气溶胶光学厚相机相同观测区域内的光谱

１６m

,、

度水汽柱浓度等大气参数进而实现相机图像的高精度大气校正文章介绍了大气校正仪

、,.

１６m

探测原理及系统构成性能测试及定标结果并展示了在轨应用结果测试结果表明环境减灾二

、,.:

经大气校正后的

１４􀆰３７％６m

满足仪器设计指标要求相机图像质量提升明显

.,

,

/

关键词

AB

环境减灾二号大气校正仪气溶胶偏振测量辐射定标卫星

;;;;

/,

号卫星大气校正仪信噪比分别优于和和

A４B５７􀆰２dB５７􀆰５dB􀆰３２％

辐射定标不确定分别优于

:

/

中图分类号文献标志码

::

V４２３􀆰４３ A DOI１０􀆰３９６９􀆰issn􀆰１６７３Ｇ８７４８􀆰２０２２􀆰０３􀆰０１３

j

/

摘要

AB

大气校正仪搭载于环境减灾二号采用同时偏振探测技术通过穿轨扫描卫星

,,

邹鹏宋茂新刘振海凌明椿孙真洪津

DesinandVerificationofPolarizedScannintmoshericA

ggp

/

CorrectoronHJＧ２ABSatellites

ZOUPen SONGMaoxin LIUZhenhai LINGMinchun SUNZhen HONGJin

gg

(,,

HAnhuiInstituteofOticsandFineMechanicsefeiInstituteofPhsicalScience

py

,),

HChineseAcademfSciencesefei２３００３１Chinao

y

:)/(

wThePSAColarizedscannintmoshericcorrectorhichiscarriedonHJＧ２ABa

Abstract

pgp

,

satellitesadotsthesimultaneousolarizationdetectiontechnolondworksincrossＧtracka

ppgy

trievalsuchasaerosoloticalthicknessandwatervaorcolumnconcentrationthrouhdatafuＧ

ppg

,

sionandcorrectsradiationerroroftheremotesensinmaecausedbtmoshereaccuratel．ia

ggypy

)/,

tonoiseratioofPSAConHJＧ２ABsatellitesisbetterthan５７􀆰２dBand５７􀆰５dBandtheuncerＧ

taintfradiometriccalibrationisbetterthan４􀆰３２％and４􀆰３７％resectivel．Theimaeualito

,

qypygy

,

wof１６mcameraafteratmoshericcorrectionisimrovedsinificantlhichmeetsthereuireＧ

ppgyq

mentsofPSACforsecifications．

p

:/;;;;

HJＧ２ABsatellitesPSACaerosololarizationmeasurementradiometriccalibration

Keordsw

p

y

,,,

Thedetectionrincilesstemcomositionerformancetestcalibrationresultsareintroduced

ppypp

andtheonＧorbitalicationresultsarefinallhown．ThetestresultsshowthattheSNRsinals

(

ppyg

scanninode．Itscansthrouhtheorbittoobtainthesectrumandolarizationinformationm

pggp

,

overtheimaineionofthe１６mcamerasnchronicallcomleteatmoshericarametersreＧr

pgggyypp

/

AB

环境减灾一号卫星是我国环境与灾害监国环境保护灾害监测及其他行业提供了大量的遥

测预报专用卫星星座自年月入轨以来为我感数据信息卫星是环境减

,

２００８９AB

收稿日期

:

２０２２Ｇ０５Ｇ０９２０２２Ｇ０５Ｇ２６

;:

修回日期

基金项目国家民用空间基础设施中长期发展规划

:

、

１Ｇ４

][

./

环境减灾二号

:.

作者简介邹鹏男副研究员研究方向为光电探测与信号处理

:,,,.

Emailzou＠aiofm．ac．cn

p

:.

通讯作者洪津男研究员研究方向为偏振遥感技术航空航天遥感器工程技术

:,,,、/.

Emailhonin＠aiofm．ac．cn

gj

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/

环境减灾二号第期邹鹏等卫星大气校正仪设计与验证

A ３ B

:

９３

/

灾一号由颗技术状态完全卫星的继任卫星引入起偏和相位延迟器件调制光强以求得斯托克

A２B

,,

一致的卫星组成于一箭双年月日以斯参量其优点在于容易使用同一探测系统完成探

,“.

２０２０９２７

星的形式发射升空每颗卫星上均装载了相测主要适用于状态稳定或变化缓慢的辐射光同

”.,.

１６m

机高光谱成像仪红外相机及大气校正仪共个有时测量采用波前分割或振幅分割的方法将待测光

、、,

４

效载荷具备较强的多光谱高光谱及高分辨率的对分为若干分立小光源多道探测同时完成对某一瞬

,、,

/

地遥感成像能力环境减灾二号卫星可对灾时的各斯托克斯参量其优点在于针对变化目标可

..

AB

害生态破坏及环境污染等进行大范围全天候的动获得较高的偏振探测精度根据应用目标特点环

、、.,

态监测有效提升灾害和环境信息获取能力满足我境减灾二号卫星所装载的大气校正仪采用同

,,

国防灾减灾环境保护等重大应用需求时偏振测量方案通过穿轨扫描的工作方式同步获

、.,,

随着空间遥感技术的发展高空间分辨率高时取搭载于同卫星平台的相机成像区域上空的

,、

间分辨率高光谱分辨率及大幅宽的高性能光学遥大气参数完成相机图像数据产品的大气校正有效

、,,

感器不断涌现为获取高质量的遥感图像数据奠定提升图像质量本文介绍了大气校正仪探测原理及

,.

了基础但是由于遥感器在对地观测中受到大气系统构成性能测试及定标结果并展示了在轨应用

.,、,

分子气溶胶和云等大气成分吸收和散射的影响遥结果

、,.

感图像的可利用性偏低以高精度的大气气溶胶光

.

学参数为基础进行精确大气校正可有效提升遥感

,

图像质量尤其是基于同平台或者同星座的大气参

,

数同步探测对提升卫星对地遥感定量化精度具有

,

][

５Ｇ６

.

国内外均开展了大气同步校正技术

重要意义大气校正仪利用分孔径与分振幅结合的同时偏

/

AB

１６m

１

大气校正仪工作原理及系统构成

１􀆰１

工作原理及技术指标

振测量方法其偏振测量原理如图所示目标信的研究工作例如搭载于日本温室气体观测卫星

,.,:

１

号经反射镜被望远系统准直入射到渥拉斯顿棱镜气溶胶传感器

后分解为束振动方向垂直的线偏振光经聚焦透于温室气体观测传感器

,,(

２TANSOＧFTS

镜聚焦于个像点大气校正仪采用路完全相同的探测和校正

２２Ｇ１EOＧ１

.

,,)(

的光路渥拉斯顿棱镜方位互成个不同星的大气校正仪

,(

４４５°LACＧ７LandsatＧ

获得用于陆地卫星

振动方向的线偏振光通过测量束线偏振光的光

,

４７

强根据矢量测量的公式即可解校正仪利用辐射传输模型进行卫星遥感数据的高

,,

StokesPickerin

g

][][

１０９

..

析目标的偏振信息精度大气校正

(),)

的云用

(

GOSATＧTANSOＧCAI

)

气溶胶参数

][

７

;()

搭载于美国地球观测卫

８

][

);

水汽影响的校正我国研制的双角度偏振大气

按照测量原理偏振探测技术可分为时序测量大气校正仪主要技术参数如表所示

,.

技术和同时测量技术时序测量通过在待测光路中

.

１

Fi􀆰１ PrincileofolarizationmeasurementofPSAC

pgp

图大气校正仪偏振测量原理

１

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９４

３１

航天器工程卷

表大气校正仪主要技术参数

１

Table１ MaintechnicalarametersofPSAC

p

参数指标

谱段范围

/

nm

中心波长

/

nm

光谱带宽及允差

/

nm B１~B４２０±３B５４０±５B６２０±３B７４０±５B８６０±１０B９８０±１５

星下点分辨率轨道高度

/)

km ５􀆰７５~６􀆰００６４５km

(/

)

总扫描视场

° ６５􀆰０±０􀆰５

信噪比

/

dB

实验室辐射定标精度

/

％ ≤７

实验室偏振测量精度

B１４００~４２０B２４３３~４５３B３５４５~５６５B４６６０~６８０B５８４５~８８５B６９００~９２０B７１３６０~１４００B８

:;:;:;:;:;:;:;:

１５８０~１６４０B９２２１０~２２９０

;:

２２５０±１５

B１４１０±３B２４４３±３B３５５５±３B４６７０±３B５８６５±３B６９１０±３B７１３８０±５B８１６１０±１０B９

:;:;:;:;:;:;:;:;:

:;:;:;:;:;:

(

(),,

太阳高度角

７０B１~B５B８~B９０°􀆰６５

和表观反照率

()

偏振度为

０ ≤０􀆰００５􀆰２

();(;,,)

太阳高度角太阳高度角

３０７０ ≥２５B１~B９０°􀆰０３≥４１B６~B７０°􀆰６５≥４５

和表观反照率和表观反照率

１􀆰２

系统构成及工作模式

大气校正仪系统构成如图所示共有个单

２３CCSDS

,

机分别为主体信息处理箱和驱动控制箱单机实控制箱包含热控单元探测器温控单元及电机驱动

,、,、

物如图和图所示主体用于信息获取光电转单元分别用于大气校正仪主体各部件热控红外探

３４

.、,、

换及数据同步采集量化信息处理箱与星务进行通测器的精密温控及扫描电机的驱动控制

..

信完成大气校正仪在轨工作流程控制接收主体发

,、

().

标准打包上传至卫星数传分系统驱动

送的科学数据并按照空间数据系统咨询委员会

注为低电压差分信号

:.

LVDS

Fi􀆰２ SstemcomositionofPSAC

gyp

图大气校正仪系统构成

２

分别为观大气校正仪在轨共有种工作模式穿轨扫描可进行范围内的低空间分辨

３６５􀆰０°±０􀆰５°

,,

测模式定标模式及待机模式观测模式用于对地率多光谱偏振观测定标模式用于大气校正仪在轨

、..

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/

环境减灾二号第期邹鹏等卫星大气校正仪设计与验证

A ３ B

:

９５

辐射定标监测并修正大气校正仪探测系统在轨绝长为的谱段第次信号响应值为测量次数

,;.

对辐射响应系数的变化当执行辐射定标动作时

.,

卫星平台偏航至特定角度保证太阳光有效入射至

,

漫反射板为节省整星能源大气校正仪阴影区进

.,

入待机模式仅信息处理箱热控单元处于工作状

,、

态保证各组件处于目标温度范围内其余单元模块

,,

处于关机状态

.

λiN

Δ２

Y

()()

λ

＝

i

＝

１

􀭺

()())(

YλλY

－

∑

i

２

N

式中

:

Δ

Y

().

λ

为噪声

N

－

１

()

３

􀭺

()

Yλ

Δ

Y

()

λ

式中为测量信噪比

:.

S

S

＝

由于测试用积分球光源不能覆盖大气校正仪所

有通道的指标辐亮度部分通道指标辐亮度条件下

,

的等效信噪比为

Fi􀆰３ PrincialartofPSAC

pgp

图大气校正仪主体

３

L

r

()

４

L

t

式中为指标辐亮度条件下的信噪比为测试

:;

SS

rt

辐亮度条件下的信噪比为指标要求条件下的辐

;

L

r

S

rt

＝

S

亮度为测试条件下的辐亮度

;.

L

t

Fi􀆰４ ElectroniccontrolboxofPSAC

g

图大气校正仪电子学控制单机

４

２

性能测试及定标

大气校正仪信噪比辐射定标精度及偏振测量

、

精度是影响在轨信息获取及大气参数反演精度的重

要指标在其发射前在实验室内进行了充分的测试

,.

２􀆰１

信噪比

大气校正仪信噪比采用积分球光源测试完成

,

通过积分球内置氙灯和卤素灯的组合近似模拟太阳

光谱通过可变光阑实现积分球辐射亮度连续调节

,,

从而覆盖大气校正仪光谱谱段及动态范围测试示

,

意如图所示测试过程中正对积分球光源连续

５

.,

采样通过各通道连续采样的标准偏差和均值之比

,

计算大气校正仪的信噪比

.

计算信号平均值噪声值及信噪比如下

、.

Fi􀆰５ Schematicdiaramofsinaltonoiseratiotest

ggg

图信噪比测试示意

５

阳高度角和表观反照率环境减灾二条件下

３００°􀆰０３

,

;

和和表观反照率条

３７０２􀆰２dB０°􀆰６５

在太阳高度角

均满足研制指标要求

.

图给出了大气校正仪信噪比测试结果在太

６

.

/

号卫星的大气校正仪信噪比分别优于

AB３３􀆰０dB

,

件下大气校正仪信噪比分别优于和

,

５７􀆰２dB５７􀆰５dB

􀭺

();()

式中

:

YλYλ

为信号平均值为大气校正仪波

i

􀭺

(/)()()

YλYλN

i

＝

∑

i

＝

１

N

１

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９６

３１

航天器工程卷

大气校正仪绝对定标精度为

２２２

)())))((((

NλλλλNNN

７

＝＋＋

cls

式中为定标源的不确定度

:.

N

c

/

示环境减灾二号卫星大气校正仪的辐射定

.

AB

标合成不确定分别优于和

４７％􀆰３２％４􀆰３７％

满足

,

的绝对辐射定标精度指标要求

.

大气校正仪实验室绝对辐射定标结果如图所

７

Fi􀆰６ SinaltonoiseratiotestresultsforPSAC

gg

图大气校正仪信噪比测试结果

６

２􀆰２

辐射定标精度

遥感器绝对辐射定标不确定度误差来源主要包

括辐射标准溯源误差辐射标准传递误差和遥感器自

、

身测量误差大气校正仪采取标准积分球进行绝对

.

可见光近红外

(

谱段不确定度优于短波

３％VNIR

,)

红外

(

谱段不确定度优于通过对大气

５％SWIR

.)

校正仪响应线性度稳定性的测量综合评定绝对辐

、,

射定标的联合不确定度

.

大气校正仪绝对辐射定标响应非线性测量同

、

时进行调节积分球输出不同能级辐亮度大气校

.,

正仪和参考探测器同步多次采样并取平均值大气

,

).

校正仪响应线性值计算见式

(

５

,)

辐射定标其量值可溯源至美国国家标准局

,(

NIST

图大气校正仪辐射定标合成不确定度

７

snthesisforPSAC

y

Fi􀆰７ Uncertaintfradiometriccalibrationo

gy

２􀆰３

偏振测量精度

大气校正仪偏振测量精度的评估方法为使用

:

可调偏振度光源产生已知偏振度的偏振光将偏振

,

探测仪测试获得的偏振度与入射光的偏振度参考值

进行比较以获取偏振探测精度偏振精度测试示

,.

意见图自由

８３

,、

由积分球光源与扰偏器玻片堆和

度精密转动驱动机构组成三者光轴重合积分球

,.

光源和扰偏器提供均匀的非偏光通过调节玻片堆

,

的玻片角度得到不同已知偏振度的出射偏振光

.

Rλλ

()

为大气校正仪波长为

的谱段的响应值与辐

亮度等级参数线性拟合的残差标准差

;

Yλ

()

为遥感

式中的谱段的响应非线性系数

:;

为波长为

λNλ

l

()

Rλ

()

Nλ

l

()()

００％１

＝×

()

Yλ

５

器波长为的谱段的响应平均值

λ

.

/

调节积分球输出至大气校正仪动态范围

１２

,

大气校正仪连续进行采样通过该采样序列的相对

,

).

标准偏差评估大气校正仪稳定性见式

,(

６

)(,))((

YλtλY

－

∑

２

T

Nλ

s

()

＝

长次时间测量中谱段

λYλtt

);(,)

的非稳定性为

();

波长的大气校正仪输出信号

λT

为总测量时间

次数

.

式中

:

波为规定时间段内大气校正仪谱段

Nλ

s

()(

１

YλT

()

t

＝

１

－

１

００％１

×

()

６

Fi􀆰８ Schematicdiaramofolarizationaccuracestt

pggy

图偏振精度测试示意

８

(),(,,,,)

对斯托克斯参量的偏振测量

aQU

＝１

２３４

偏振探测仪每个工作谱段都对应个偏振通道

４

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/

环境减灾二号第期邹鹏等卫星大气校正仪设计与验证

A ３ B

:

９７

).

模型如式校正及临近效应校正后获得校正后的图像即地表

(,,

所示

８

()

８

反射率图像选取年月日环境减灾二

.

２０２１１２２１

光谱图像进行大气校正效果验证图展示了大气

,

１０

图像更加清晰有效去除了大气对图像的影响图像

,,

质量明显提升

.

号卫星相机拍摄的咸宁市及周围地区的多

A１６m

校正前后对比经校正后图像目视效果得到改善

.,,

地面标定的大气校正仪消光定标系数为和

;

K

１

０°

９０°

偏振方向测量通道的去本底后的信号之比

;

K

２

为和偏振方向测量通道的去本底后的信号

４５°１３５°

之比为大气校正仪自身残余偏振定标系

;

u

inst

,

inst

q

数通过仪器自身定标器数据解算

,;

SSS

０４９５０

,,,

)

根据式

(

可以得到测量的入射光束的偏振度

８

式中为测得的目标偏振分量信息为

:;

IQUαα

,,,

１２

SK

９０１０

éù

S

－

êú

􀅰

α

１inst

－

q

/

S

KS

QI

ùé

＋

１９００

úê

êú

＝

êú

êú

/

SK

１４５２３５

ëû

UIS

êú

－

􀅰

α

２inst

－

u

úê

S

SK

１４５２３５

ëû

＋

S

１３５

为大气校正仪同一谱段个探测通道经过数据

４

预处理后的响应值

.

测量值为

QU

２２

＋

()

P

M

＝

９

I

偏振度测量值与参考值的绝对偏差为

PP

MC

条件下测试大气校正仪各谱段偏振度与参考

５９􀆰０°

偏振度偏差以最大偏差值作为该通道偏振度测量

,

/

精度评估结果如图所示环境减灾二号卫

.,

９AB

星大气校正仪实验室偏振测量精度均满足优于

Fi􀆰１０ Comarisonofimaesbeforeand

gpg

aftercorrection

图大气校正前后图像对比

１０

()

Δ１０

PPP

＝|－|

MC

,,,,

０􀆰０°２２􀆰３°２８􀆰３°４５􀆰０°

分别在玻片角度为

４

结束语

/

环境减灾二号卫星大气校正仪采用分孔

AB

径分振幅的同时偏振测量技术高精度获取地物目

、,

标的光谱偏振信息并反演气溶胶水汽等大气参

、、

数在此基础上开展对得到相机的图像校正

,,

１６m

更为清晰的地表图像自年月入轨工作以

.

２０２０９

来大气校正仪各项功能性能指标均达到了预期研

,、

制目标并在轨业务化开展了遥感图像数据的大气

,

校正工作后续将根据长期在轨测试及反演结果

.,

综合优化在轨数据处理流程及校正算法进一步提

,

升大气校正精度有效提升图像质量及卫星的综合

,

应用效果为提升我国防灾减灾环境监测业务化能

,、

力起到积极的作用

.

)

参考文献

(

References

().

偏振度为的指标要求

００􀆰００５􀆰２

Fi􀆰９ PSAColarizationaccuracestresultst

pgy

图大气校正仪偏振精度测试结果

９

[],、

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３

在轨测试

,()

品气溶胶光学厚度和水汽柱含量等大气参数以

此为基础依次经历观测区域匹配云识别大气辐射

、、

根据大气校正仪在轨观测数据生成级产

,

L２

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３１

航天器工程卷

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