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一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法

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第34卷第4期 2013年8月 航天返回与遥感 SPACECRAFT REC0VERY&REMOTE SENSING 77 一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法 龙亮 王中民 (1北京空间机电研究所,北京100076) (2中国长城工业集团有限公司,北京100054) 摘 要 文章对一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法(国外文献通常将此种方法称之为 “Side—slither calibration method”)进行了原理介绍,并分析了其相对于传统在轨辐射定标方法的优点, 然后介绍了该方法目前国外已有的应用实例。最后对基于Side—slither定标方法的在轨定标工作进行过程 中地球自转、地面场景、卫星平台、光学系统等因素对定标效果的影响作了相关分析,分析结果对基于 Side.slither定标方法的定标工作开展具有一定的参考价值。 关键词 Side.slither方法在轨辐射定标中图分类号:TP79 相对辐射定标航天遥感 文献标志码:A 文章编号:1009—8518(2013)04—0077—09 DOI:1O.3969/j.issn.1009.85l8.2013.04.0ll An On-orbit Calibration Method Based on Agility Characteristic of Satellites LONG Liang 1 WANG Zhongmin (1 Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100076,China) (2 China Great Wall Industry Corporation,Beijing 1 00054,China) Abstract The paper gives an introduction to an on—orbit radiometric calibration method based on the agility charalteristic of the satellitesfrelative reference overseas usually calls this method“Side—slither calibra. tion method”),including its theory and application examples.The paper presents the advantages of this method compared with other traditional on-orbit radiometric calibration methods,and analyzes the influencing factors such as earth rotation,calibration scene on ground,spacecraft bus and optical system during on—orbit calibrating by using the“Side—slither”method.The results of analysis are helpful to a better on—orbit“Side-slither’’ radiometric calibration. Key words Side--slither method;on--orbit radiometric calibration;relative calibration;space remote sensing 引言 为获得高品质的遥感图像,航天光学遥感相机需要进行相对辐射定标工作。目前在轨相对辐射定标 主要通过利用专门的星上定标装置与观测地面定标场两种手段来实现。其中观测地面定标场的手段需要 地面提供一个足够大(至少大于相机单景幅宽)且辐射特性均匀的定标场景。随着遥感卫星技术的发展, 越来越多的卫星具备了较强的敏捷特性,对于有较强敏捷特性的推扫式成像光学遥感卫星,进行在轨相 对辐射定标时,可以使用将相机绕卫星偏航轴旋转一定角度(通常约为90。)的方法来获取相对均匀图像的 方法来进行不同像元间的非均匀性校正。这种在轨相对辐射定标方法基于遥感卫星的敏捷特性来完成, 收稿日期:2013.01—25 78 航天返回与遥感 2013年第34卷 国外通常称之为“Side—slither”定标法。此种方法也是通过观测地面场景来实现在轨相对辐射定标,但 对地面场景均与特性等要求大大降低,有利于提高在轨辐射定标效果。 2 Side.slither定标方法原理及优点 2.1 Side.slither定标方法原理 Side.slither定标方法原理图如图1所示。推扫式光学遥感相机在正常对地成像模式下,焦面探测线 列与成像方向垂直;而进行Side.slither定标时,将焦面旋转约90。,探测线列方向与成像方向平行,这 样,在不考虑其它影响因素的情况下,理论上探测线列上每个像元都依次对同样的地面区域成像。而 Side—slither定标时焦面探测线列输出得到的图像中,每个像元获得的辐射能量信息是一样的,这样就相 当于满足了相对辐射定标所需要的给焦面探测线列提供均匀辐照度场的条件,在此基础上进行焦面像元 非均匀性校正工作。 成像方向 成像方向 [二 二二[二 二二[二Ⅲ成像线列c也町足TDICCD阵列 Side.slither定标模式下线列扫描方式 正常对地成像模式下线列推扫方式 图1 Side—slither定标方法原理 Fig.1 Theory of Side-slither calibration method 2.2 Side.slither定标方法优点 Side-slither在轨相对辐射定标法相比于传统在轨相对辐射定标方法,优点如下: 1)理论上Side—slither定标时由于探测线列上的所有像元都对相同的地面区域成像,任何地物都可以 用来当作定标地物。尽管考虑其它因素的影响使得定标地物的选取不可能是完全随意,但相比起传统的 使用地面定标场的方法(此种方法进行辐射定标时,成像线列依然处于正常对地成像模式下的线列推扫方 式),Side—slither定标方法对定标场地的要求明显降低。 2)Side—slither定标方法充分利用卫星自身的敏捷特性,不需要额外的定标机构,相比于使用星上定 标装置的定标方法,减少了卫星平台及载荷的负担。 3 Side—slither定标方法应用实例 目前,随着TDICCD(Time-Delayed Integration Charge Coupled Device)在航天光学遥感领域的广泛使 用,航天光学遥感器已经很少使用单一的线阵CCD用于遥感成像。但TDICCD可以看做是一种“多级” 线阵CCD,其使用原理同线阵CCD相同。根据实际调研,目前成功使用或预备使用Side.slither定标方 法的光学遥感卫星都是以TDICCD作为焦面探测器 ]。 (1)Ikonos一2 1999年9月24日,美国发射的Ikonos.2卫星上搭载了“全色一多光谱”型光学遥感相机,该相机 82 航天返回与遥感 2013年第34卷 为了减小这种影响,可以采用类似于相机正常推扫成像模式中使用的“偏流角补偿”方法【9 用于 Side—slither定标过程中的“偏流角补偿”(这里只讨论简单的星下点“偏流角”补偿)。具体而言,在其 一个轨道周期中,偏流角用 表示,它是卫星飞行地面速度 砒。 同地球在该地区线速度 anh所合成速 度 ( 的方向即实际像移方向)与 砒。anh之间的夹角,如图9所示。根据 砒。 与轨道周期内不同星下 点的不同大小的 anh可求得在整个轨道周期内,不同纬度下对应偏流角的变化(如图10所示),经计算, Quickbird一2在赤道处的 3.7o。 北 82.8。 \\f 东 0o \\\. J3.7。 偏流角 南 图9偏流角补偿示意图 Fig.9 The scheme of drift angle compensation 图10不同纬度下偏流角大小示意图 Fig.1 0 The scheme of dritf angle varies with latitudes 在将相机按偏航角调整90。的基础之上,再按该时刻的偏流角旋转相应的角度 ,使得CCD线列沿 着实际像移方向成像,这样就能大大减小地球自转对定标所造成的影响。 需要说明的是,卫星在执行正常推扫成像的过程中,为了减小地球自转所带来的影响,在进行偏流 角补偿的同时,也会实时对CCD积分时间作出修正。而进行Side。slither定标时,不要求电荷转移速度 同像移速度匹配,只需保证一列像元中每个像元的积分时间一致即可,不需要对积分时间作出修正。所 以,针对地球自转对Side.slither定标带来的影响,可以通过定标时对相机作出类似偏流角补偿的适当调 整,可以最大限度减小其对定标的不利影响。 4.2 光学系统照度不均匀性对Side.slither定标的影响 Side—slither定标方法同大多数相对辐射定标方法一样,通过为焦面CCD提供一个均匀的辐照度场来 完成像元的非均匀性校正。该均匀辐照度场的最终生成,不仅和辐射源有关,还同光学系统的成像品质 有关。一般来说,在不存在斜光束渐晕,且光束孔径角较小的情况下,光学系统的轴外像点的光照度E 同轴上点光照度 有如下关系 …s , (2) EQ 式中(-0 为像方视场角,如图11所示。图11中『0为光学系统出瞳到像面的距离, d为像面上一微元。 由于 与 大小存在差异,所以光学系统成像的照度不均匀性会对Side—slither定标产生影响。 第4期 龙亮等:一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法 83 图1 1 光学系统轴上轴外像点照度关系示意 Fig.1 1 The image irradiance on—axis and off-axis in optical system Quickbird一2的光学系统物方视场角约为2.12。×0.4。,光学系统形式为离轴三反式。经过对其光学系 统的仿真分析,其像面在互相垂直的两个方向上的归一化光照度分布如图12所示。 暨 按 蛊  1图12正常推扫成像模式中垂直轨道与沿轨视场方向像面归一化照度分布 Fig.1 2 The normalization imge irradiance with the field of view across and along the orbit in normal push-imaging mode 图12中垂直轨道方向边缘视场(1.06。)同中心视场(0。)相比归一化相对辐照度降低了约1%;沿轨视场 方向边缘视场(0.2。)同中心视场(0。)相比照度降低了约0.3%。故不论Quickbird。2是处于正常推扫成像模 式,抑或进行Side.slither定标,光学系统会对像面照度均匀性产生影响。由于Quickbird一2光学系统物 方视场角不大(像方视场角也不大),故光学系统照度不均匀性对Side—slither定标影响并不大。但对于视 场更大的光学系统,这种影响可能会加大,必须予以考虑。 4.3焦面CCD阵列的拼接及排布对Side.slither定标的影响 为了满足相机视场覆盖的要求,航天光学遥感相机的焦面通常采用CCD拼接技术。Quickbird一2的 焦面如图l3所示,其CCD阵列采用的是视场拼接技术,6片全色TDICCD以及6片多光谱线阵CCD(每 片上含4列)分别进行视场拼接。 Side—slither定标要求同一线列上的探测像元对同一地物成像。而Quickbird一2同一谱段所有探测像元 由多个线列在两条平行线上f理论上)的视场拼接而成,要对该谱段所有像元进行Side—slither定标,则要 求两条平行线列上的成像地物相同,这对定标地物在一定范围内的辐射均匀性提出了要求。 例如,要对Quickbird一2多光谱谱段中的可见光红光谱段(0.45~0.52 ̄tm)进行Side slither定标,由于 视场拼接造成红光谱段相邻两线列在 方向上(见图13)距离约为12mm,对应的地面距离约为1 125m。 也就是说,对其进行Side—slither定标,理论上至少需要如图l4所示的一个场景,场景的两侧有辐射特 性相同的地物。而实际应用中一般都是以整个场景(宽度大于1 125m)的辐射均匀性来满足定标需求。 第4期 龙亮等:一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法 85 通常选取多种类型的地物作为定标场景,如干涸的湖床、热带雨林、极地冰盖、沙漠等(如图3所示)。 实际上这与传统场地定标的场景选取原则是一致的。沙漠和极地地区等发射(反射)辐亮度较高场景特别 适合探测器动态范围靠近顶端(高端)一侧的定标;而辐亮度较低的场景相对比较难以获取,如低辐亮度的 植被,其辐射特性会随季节变化,而选海水(河水)作为低辐亮度的定标场景,还需要有合适的风力、太 阳高度角等条件。 Ikonos一2为了获得辐亮度较低的均匀定标场景,在探测器动态范围接近于底端f低端)的部分使用月球 作为定标场景进行Side—slither定标。选用月球作为定标场景的好处主要有3点: 1)整个月面都可以作为一个具有低辐亮度的定标场景; 2)定标时基本上可以忽略大气环境变化的影响; 3)定标工作在轨道阴影区或过地球两极时开展,不会和正常的数据采集工作任务时间段冲突。 5 结束语 通过对Side.slither定标的影响因素分析以及Side.slither定标的应用实例来看,航天光学遥感相机在 轨进行Side—slither相对辐射定标时,所选用的定标地物并非Side.slither定标原理上所允许的“任何地 物”,定标地物(场景)选取的重要原则之一依然是其本身的辐射信息均匀性,并且需根据各种影响因素 综合分析确定对定标地物(场景)的具体约束条件,以达到较高的定标精度以及良好定标效果。相对于其 它在轨定标方式,Side—slither定标由于不需专门的星上定标装置、并且对地面定标场景要求较低等优势 使得其得到了很好的应用。而随着航天遥感技术的发展,为了获取更高品质的遥感图像,这种定标技术 将得到更多更好的应用。 参考文献(References) [1】Taylor M H_Ikonos Radiometric Calibration and Performance after 5 Years on Orbit[R].CALCON Technical Conference,Logan, U 2005:7-15. 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