基于冷云目標(biāo)的氣象衛(wèi)星太陽反射波段輻射定標(biāo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣象衛(wèi)星輻射定標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于冷云目標(biāo)的氣象衛(wèi)星太陽反射波段輻射定標(biāo)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]精確的福射定標(biāo)是氣象衛(wèi)星應(yīng)用的基礎(chǔ)。福射定標(biāo)以福射標(biāo)準(zhǔn)源或參考?目號為基準(zhǔn)，通過比對實驗，建立遙感儀器輸出信號與觀測目標(biāo)絕對物理量間的換算關(guān)系。目前進(jìn)行輻射定標(biāo)采用的方法有發(fā)射前的實驗室定標(biāo)、用地面的輻射校正場進(jìn)行的在軌場地定標(biāo)、用衛(wèi)星上的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的在軌星上定標(biāo)等。
[0003]但是發(fā)射前定標(biāo)試驗是在遙感器發(fā)射之前對其進(jìn)行的波長位置、輻射精度、空間定位等的定標(biāo)，將儀器的輸出值轉(zhuǎn)換為輻射值。但發(fā)射前定標(biāo)試驗的精度受限于天氣狀況、儀器穩(wěn)定性和精度等情況，往往達(dá)不到精確定量應(yīng)用的客觀需求，因為定標(biāo)時的環(huán)境不同于天上交替地處于日光照射和黑暗的真空之中，衛(wèi)星上的溫度也可能不同于定時時的情況，衛(wèi)星上天以后，濾光片和其它一些鍍有薄膜的光學(xué)元件光譜特性也可能改變，隨著傳感器相應(yīng)的的衰減，其輻射定標(biāo)系數(shù)也會發(fā)生變化，對定量應(yīng)用帶來不利的影響。
[0004]場地替代定標(biāo)是遙感器在軌絕對輻射定標(biāo)與真實性檢驗的重要手段。場地定標(biāo)是遙感器處于正常運(yùn)行條件下，選擇輻射定標(biāo)場地，通過地面同步測量對遙感器的定標(biāo)，場地定標(biāo)可以實現(xiàn)全孔徑、全視場、全動態(tài)范圍的定標(biāo)，并考慮到了大氣傳輸和環(huán)境的影響。該定標(biāo)方法可以實現(xiàn)對遙感器運(yùn)行狀態(tài)下與獲取地面圖像完全相同條件的絕對校正，可以提供遙感器整個壽命期間的定標(biāo)，對遙感器進(jìn)行真實性檢驗和對一些模型進(jìn)行正確性檢驗。但是地面目標(biāo)應(yīng)是典型的均勻穩(wěn)定目標(biāo)，地面定標(biāo)還必須同時測量和計算遙感器過頂時的大氣環(huán)境參量和地物反射率。在遙感器飛越輻射定標(biāo)場地上空時，在定標(biāo)場地選擇偌干個像元區(qū)，測量成像光譜儀對應(yīng)的地物的各波段光譜反射率和大氣光譜等參量，并利用大氣輻射傳輸模型等手段給出成像光譜儀入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與成像光譜儀對應(yīng)輸出的數(shù)字量化值的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并估算定標(biāo)不確定性。例如風(fēng)云二號靜止衛(wèi)星(FY-2)和風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星(FY-3)在軌以來每年均開展一次敦煌場地替代定標(biāo)，目前衛(wèi)星定標(biāo)外場試驗敦煌試驗場主要定標(biāo)方法有反射率基法、輻照度基法和輻亮度基法。反射率法:在衛(wèi)星過頂時同步測量地面目標(biāo)反射率因子和大氣光學(xué)參量(如大氣光學(xué)厚度、大氣柱水汽含量等)然后利用大氣輻射傳輸模型計算出遙感器入瞳處輻射亮度值，具有較高的精度。
[0005]輻亮度法:采用經(jīng)過嚴(yán)格光譜與輻射標(biāo)定的輻射計，通過航空平臺實現(xiàn)與衛(wèi)星遙感器觀測幾何相似的同步測量，把機(jī)載輻射計測量的輻射度作為已知量，去標(biāo)定飛行中遙感器的輻射量，從而實現(xiàn)衛(wèi)星的標(biāo)定，最后輻射校正系數(shù)的誤差以輻射計的定標(biāo)誤差為主，僅僅需要對飛行高度以上的大氣進(jìn)行校正，回避了底層大氣的校正誤差，有利于提高精度。輻照度法:又稱改進(jìn)的反射率法，利用地面測量的向下漫射與總輻射度值來確定衛(wèi)星遙感器高度的表觀反射率，進(jìn)而確定出遙感器入瞳處輻射亮度，這種方法是使用解析近似方法來計算反射率，從而可大大縮減計算時間和計算復(fù)雜性。發(fā)現(xiàn)風(fēng)云二號替代定標(biāo)系數(shù)與發(fā)射前系數(shù)有較大差異，但因為敦煌輻射校正場相對FY-2各衛(wèi)星的觀測角度偏大、雙向反射率函數(shù)(BRDF)不確定、受大氣影響較大(特別是氣溶膠)、敦煌場反射率偏低，一直未能確定這種差異是否是真實的還是由于方法的誤差造成。也發(fā)現(xiàn)FY-3可見光某些通道的衰減非常迅速，一年一次的場地試驗仍無法及時發(fā)現(xiàn)星上儀器的狀態(tài)變化，因此，這種大型試驗不僅需要大量的人力和物力的消耗，也無法實現(xiàn)儀器的在軌狀態(tài)跟蹤監(jiān)控?，F(xiàn)有技術(shù)《一種衛(wèi)星通信載荷地面檢測儀與檢測方法》(CN104407550A)，本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星通信載荷地面檢測儀與檢測方法，衛(wèi)星通信載荷地面檢測儀包括電源模塊、LVDS數(shù)傳接收模塊、主控計算機(jī)、FMC信號回放子卡、背板和機(jī)箱；衛(wèi)星通信載荷地面檢測方法包括一個LVDS數(shù)傳接收模塊對信號的接收步驟和一個FMC信號回放子卡對信號的回放步驟。該發(fā)明用于模擬數(shù)傳設(shè)備，接收被測設(shè)備數(shù)據(jù)并實時存儲，接收秒脈沖，實現(xiàn)觸發(fā)信號的控制以及產(chǎn)生被測設(shè)備需要的OC指令，并支持基帶信號的回放，且設(shè)備結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶，然而，地面檢測定標(biāo)利用衛(wèi)星通信載荷地面檢測儀仍受多種因素的干擾，難以保證檢測的準(zhǔn)確性和及時性。
[0006]用衛(wèi)星上的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的在軌星上定標(biāo)方法主要是利用在軌星上定標(biāo)器。現(xiàn)有技術(shù)《基于圖像要素的在軌衛(wèi)星遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)的監(jiān)測方法》(CN101281250B)公開了一種基于圖像要素的在軌衛(wèi)星遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)的監(jiān)測方法。該方法從圖像工程的角度，運(yùn)用實驗與計算，用量化的圖像參數(shù)，結(jié)合實驗獲取調(diào)制傳遞函數(shù)，進(jìn)行MTF與圖像要素分析，在實驗室條件下和衛(wèi)星遙感器在軌運(yùn)行時，建立MTF與圖像要素的關(guān)系模型，從而實現(xiàn)對于在軌衛(wèi)星遙感器的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的動態(tài)監(jiān)測。用量化的圖像參數(shù)，結(jié)合實驗獲取調(diào)制傳遞函數(shù)，從而實現(xiàn)對中、低、高分辨率、特別是中、低分辨率的在軌衛(wèi)星遙感器的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的動態(tài)監(jiān)測；不需要復(fù)雜的地面裝備，就可以獲取在軌衛(wèi)星遙感器的MTF，并且應(yīng)用所得到的遙感器MTF的變化，給出了一種基于MTF的遙感圖像補(bǔ)償方法，顯著地改善了圖像質(zhì)量；同時為預(yù)估遙感器提供圖像的周期提供了手段。在軌星上定標(biāo)的方法主要用人工光源燈和自然太陽光源進(jìn)行頻繁的傳感器定標(biāo)，這些光源都直接或通過光學(xué)系統(tǒng)加以應(yīng)用，最佳狀態(tài)時這些光線通過儀器全部光路并且充滿整個口徑。定標(biāo)時，它們被放置于傳感器光學(xué)系統(tǒng)前面來反射太陽輻射度，都利用太陽漫射白板，在太陽光譜范圍內(nèi)近似郎伯托面。這種方法是可以檢測到燈的輸出值很低的藍(lán)光部分和全部光路系統(tǒng)，然而，在軌星上定標(biāo)器暴露在太空環(huán)境和高能太陽輻射下很容易衰減而無法實現(xiàn)在軌星上準(zhǔn)確定標(biāo)。
[0007]目前的技術(shù)存在種種弊端，因此亟需尋找另外的方法來實現(xiàn)氣象衛(wèi)星的在軌儀器狀態(tài)監(jiān)控以及替代定標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于冷云目標(biāo)的氣象衛(wèi)星太陽反射波段輻射定標(biāo)方法，實現(xiàn)了衛(wèi)星儀器觀測的連續(xù)性和一致性；而且本發(fā)明方法不受天氣條件影響，無需進(jìn)行外場試驗，省時省力，可以方便快捷、準(zhǔn)實時得到衛(wèi)星響應(yīng)變化。
[0009]實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:
[0010]本發(fā)明一種基于冷云目標(biāo)的氣象衛(wèi)星太陽反射波段輻射定標(biāo)方法，其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行:
[0011]步驟一，冷云目標(biāo)物的提取:根據(jù)氣象衛(wèi)星提取冷云目標(biāo)的經(jīng)瑋度區(qū)域，并計算氣象衛(wèi)星的紅外通道亮溫值TBB，采用205K作為冷云目標(biāo)物提取的統(tǒng)一閾值，提取TBB〈205K的冷云目標(biāo)；
[0012]步驟二，冷云反射率歸一化處理:經(jīng)過衛(wèi)星定標(biāo)反射率查找表得到表觀反射率，經(jīng)過角度校正、日地距離校正、雙向反射率函數(shù)校正后，得到歸一化到統(tǒng)一的天頂觀測和標(biāo)準(zhǔn)日地距離觀測處的冷云目標(biāo)的表觀反射率；
[0013]步驟三，輻射定標(biāo)響應(yīng)的在軌狀態(tài)監(jiān)控與日衰減模型建立:采用30天作為滑動平均窗口，按照步驟一?步驟二滑動獲取之前30天內(nèi)的所有的歸一化的冷云目標(biāo)，采用概率密度函數(shù)分布的最大值作為該天的冷云穩(wěn)定反射率，獲得時間序列的反射率，以此作為特征量監(jiān)控在軌輻射狀態(tài)；并能夠獲取輻射定標(biāo)響應(yīng)的日衰減規(guī)律模型；
[0014]步驟四，基于輻射參考的氣象衛(wèi)星太陽反射波段重新定標(biāo):按照步驟一?步驟三的方式獲取國際基準(zhǔn)儀器的冷云反射率，結(jié)合靜止衛(wèi)星觀測的冷空值，利用兩點定標(biāo)公式進(jìn)行兩點輻射定標(biāo)，得到氣象衛(wèi)星的太陽反射波段定標(biāo)系數(shù)。
[0015]上述的基于冷云目標(biāo)的氣象衛(wèi)星太陽反射波段輻射定標(biāo)方法，其中，所述步