Analysis of the In-Orbit Radiation Calibration of SWIR Remote Sensing System Combined with Blackbody and Star
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摘要: 为满足气象水文、天文观测等领域对短波红外遥感器高精度探测需求，近年来对短波红外探测定量化应用的需求越来越高。本文针对高轨面阵短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况，基于面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案，结合某遥感器任务研制过程的具体实际，分析了定标精度主要影响因素及优化措施，包括星上定标方案优化、星上黑体温度控制优化、恒星提取算法优化等。通过实验室测试对在轨辐射定标方法进行了验证，并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估，评估结果表明定标不确定度能够满足应用要求。Abstract: Considering the demand for high-precision detection of SWIR remote sensing systems, the demand for the quantitative application of SWIR detection has increased in recent years. The change in inhomogeneity caused by shortwave infrared remote sensor was analyzed. The design scheme of non-point source blackbody calibration combined with star calibration in-orbit absolute radiation calibration; the actual development process of a remote sensing task; and the main influencing factors and optimization measures, including the optimization of the satellite calibration scheme, optimization of satellite blackbody temperature control, and star extraction algorithm, were analyzed. Based on the results of laboratory tests and estimation of the accuracy of the absolute radiation calibration, the evaluation results show that the calibration accuracy can meet the application requirements.
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0. 引言
短波红外成像（1.0~3.0 μm）既可用于气象水文、资源勘探、农业调查等民用领域，也可用于天文观测科学应用，应用范围广泛，目前科学研究对空间短波遥感器定量反演的精度要求越来越高。
空间短波红外遥感器由于受探测器芯片基底材料的非均匀性、探测器掺杂水平、探测器偏置电压、读出电路噪声水平、多路并行输出通道间不一致等一系列因素影响，焦平面阵列响应存在非均匀性，此外，光学系统设计的像面照度均匀性、光学系统杂散辐射、光学系统工作温度变化等都会影响输出的稳定性[1]。在发射前要严格进行实验室真空辐射定标，完成地面逐像元定标，获得像元间参数差异，以确定遥感器最初的光谱辐射响应特性。遥感器在轨飞行期间，空间粒子辐射、污染、元器件老化等都会引起遥感器性能的退化，从而改变光谱辐射响应特性，为此，需要定期对遥感器进行星上辐射定标，满足用户对遥感数据长期定量化应用的要求。一般可选择外部场景定标源（如地面大面积沙漠、太阳、月球及冷黑背景等）或内置定标装置（如灯、硅碳棒、黑体等）以降低定标不确定度[2]。
星载面源黑体辐射定标方法是被广泛认可的高精度在轨辐射绝对定标方法。利用精确的黑体辐射模型和高度稳定的黑体发射性能，可以通过最少的传递环节来降低辐射定标不确定度，国外在轨应用普遍控制在5%以内，国际上空间遥感仪器辐射定标不确定度最优达到2%~3%的水平，同时容易实现全口径、全光路、全视场的绝对辐射定标，如MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）、AATSR（advanced along track scanning radiometer）等都采用了黑体进行在轨定标方式[3-4]；但由于黑体发射率在轨长期衰变无法监测，需要借助其它标定手段进行修正。日本红外天文卫星Akari（ASTRO-F）在轨期间可以观测恒星，其利用远红外探测器的灵敏性和点源的亮度开展了恒星绝对辐射定标[5]；中段试验卫星MSX上搭载的SPIRIT III（spatial infrared imaging telescope）在轨也利用恒星开展了绝对辐射定标[6]。
本文针对空间短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况，对于一种面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案细节进行优化，提出了黑体的温度均匀性、稳定性控制措施，并对恒星提取算法及恒星定标与黑体定标的数据修正方法进行了分析；结合某遥感器研制过程的具体实际，基于实验室测试结果对算法进行了验证，并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估。
1. 辐射定标方案设计
辐射定标方案设计需要考虑的因素很多，包括工作谱段、定标精度、寿命、可靠性以及来自航天器和航天光学遥感器的约束条件等。
典型的星上辐射定标：利用高低温面源黑体作为标准源引入相机，进行绝对辐射定标。面源黑体的稳定性会影响定标精度，由于恒星的辐射比较稳定，辐射稳定的恒星的特点，以观测恒星的方法对黑体的标定的结果进行修正。对于工作在短波红外谱段的航天光学遥感器来说是一种比较好的星上定标方式。
以某天文探测红外遥感器设计为例，遥感器主要技术参数如表 1所示，其在轨辐射定标不确定度要求控制在5%以内。
表 1 某红外遥感器主要技术参数Table 1. Parameters of the remote sensing system to be testedTechnical parameters Value Aperture of optical system/mm 250 Focal length of optical system/mm 425 Signal to noise ratio ≥5 Field of view/° 0.85×0.68 Number of detector pixels 640×512 Spectral range/μm 2-3 由于观测星体到达遥感器入瞳处的能量弱，为了保证定标装置模拟的辐射强度与观测星体辐射强度相当，若采用太阳漫反射板定标的方式，则需要采用掺杂灰体反射、大角度入射或者配置衰减网的方式进行能量衰减，存在非均匀性增加、杂散光影响大的问题。而采用黑体定标的方式，则可通过黑体温度来调整到达相机入瞳处的能量，但需对黑体在轨衰变进行监测。
在相机进入定标模式时，将黑体安装在相机热门防护门的内侧，通过将热门防护门关闭，将黑体辐射引入相机入瞳处，实现相机的在轨黑体定标。
1.1 黑体全口径全光路定标
黑体采用电加热的方式实现各个温度点的精确控温。黑体为面源黑体，黑体表面采用一定夹角的V型开槽设计并进行表面阳极化发黑处理，能够保证黑体具有较好的辐射均匀性和较高的辐射发射率。黑体靠近辐射表面的位置安装有高精度热敏电阻进行实时温度监测，在黑体底面安装有薄膜加热片实现加热控制。
星上黑体设计参数如下所示：
黑体温度：235~270 K多点可调；
黑体有效尺寸：270 mm×270 mm×20 mm（覆盖相机入瞳）；
法向发射率：≥0.97；
温度均匀性：≤0.2 K；
黑体表面控温精度：±0.1 K；
测温精度：≤0.1 K。
黑体的高精度控温措施优化：
1）黑体组件外布置外罩，通过外罩辐射控温，满足温度要求，外罩外表面布置主动控温加热回路；外罩内表面发黑，以加强外罩与黑体组件之间的辐射换热，外罩外表面包覆多层隔热材料，以减小辐射漏热，多层最外侧为黑色聚酰亚胺渗碳膜；
2）黑体两端为夹层结构，中间层为0.5 mm厚的石墨膜，以提高光路内区域温度均匀性。黑体背面包覆多层隔热材料，以减小切入光路后的漏热；
3）黑体与支撑结构之间隔热安装，以减小温度互相影响；
4）黑体支撑结构布置主动控温加热回路，支撑结构与相机主体框架之间隔热安装。
高温黑体组件主要由黑体、加热片、隔热垫圈及隔热垫片组成。选用导热性能好、重量轻、硬度高的铝合金2A12加工成高温黑体，隔热垫圈由聚酰亚胺加工而成。选用导热性能差的钛合金螺钉连接高温黑体和扫描基座。低温黑体组件主要由黑体、半导体制冷器、固定块（用于固定半导体制冷器和热管）、热管、隔热垫圈及隔热垫片组成。低温黑体选用导热性能好、重量轻、硬度高的铝合金2A12加工而成，低温黑体和扫描基座、固定块之间的连接选用导热性能差的钛合金螺钉。
高温黑体和低温黑体的控温措施组成模型及研制的产品实物如图 1所示。通过对高、低温黑体的热设计和热分析计算，高、低温黑体影响辐射定标精度的发黑一侧的温度稳定性、均匀性如表 2所示。
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图 1 高温黑体组件、低温黑体组件设计及实物Figure 1. Design drawing and physical drawing of high temperature blackbody component and cryogenic blackbody component表 2 高、低温黑体计算结果Table 2. Calculation results of high temperature blackbody and cryogenic blackbodyITEMS Temperature
stabilityTemperature
uniformityHigh-temperature blackbody ＜0.1℃/min 0.3℃ Low-temperature blackbody ＜0.1℃/min 0.3℃ 1.2 红外恒星定标
恒星星表显示大量的恒星辐射非常稳定，精度达到1%左右，是极好的辐射标准源。利用恒星进行辐射定标的方法目前主要在天文卫星和天文观测上使用，恒星定标过程需要考虑以下因素：
1）一般遥感卫星是对地定向的，在恒星定标时需将相机视场对准深冷空间，与对地时外热流的不同，带来相机的状态变化；
2）大多数恒星的亮度测量都在天文研究关注的波段上进行，这些波段与遥感卫星对地观测波段一般不重合；想要利用恒星进行遥感仪器辐射定标，必须获得恒星的全波段精细光谱；
3）恒星是典型的点源目标，其立体角一般比相机像元分辨率小得多，卫星姿态抖动或者颤振带来的恒星位置偏差、相机对恒星观测时形成的点目标弥散斑中像点提取算法误差等都带来点目标辐射系数与面目标辐射定标系数换算修正误差；
4）测量过程中相机时间噪声的影响也是定标误差的一部分，需要尽可能降低相机的时间噪声。
恒星定标时相机响应可由下式计算得到。
$$ V = k \cdot \frac{{\int {R\left( \lambda \right)E\left( \lambda \right)\eta {\text{d}}\lambda } }}{{\mathit{\Omega} {{\cos }^3}\left( \omega \right)\int {R\left( \lambda \right){\text{d}}\lambda } }} $$ (1) 式中：V为相机响应；k为辐射定标系数；R(λ)为相机光谱响应；E(λ)为恒星辐照度；η为像元内能量集中度；ω为成像时光学离轴角；Ω为相机瞬时视场角。
点目标接收面源辐照度的计算公式为：
$$ E = \frac{\mathit{\Phi} }{{{\text{d}}A}} = {I_\theta } \cdot \frac{{\cos \theta }}{{{I^2}}} $$ (2) 式中：Φ为辐射通量；A为辐射面积；Iθ为发射面元在面元连线方向上的辐射强度；θ为接收面元法线与视线的夹角。
1.3 数据修正方法
红外恒星定标和星上黑体定标都可以获得较高精度的绝对辐射定标系数，但考虑到长期工作下星上黑体发射率随时间的衰变，根据工作温度计算得到的星上黑体等效光谱辐亮度并不能真正代表相机入瞳的等效辐亮度。因此，将星上黑体获得的绝对辐射定标系数定义为校正前定标系数，通过恒星绝对辐射定标系数修正后应用于绝对辐射校正[7-8]。
当像元的黑体辐射定标数据和恒星辐射定标数据DN值相同时，根据式：
$$ \mathrm{DN}(n)=K^{\prime}(n) \times L_{\mathrm{e}}^{\prime}+C^{\prime}(n) $$ (3) 式中：DN为像元灰度值；Le′为星上定标黑体等效光谱辐亮度；K′、C′分别为星上绝对定标系数的增益和截距：
$$ \begin{array}{c} K^{\prime}(n)=\frac{\mathrm{DN}_{\mathrm{h}}(n)-\mathrm{DN}_1(n)}{L_{\mathrm{eh}}-L_{\mathrm{el}}}, \\ C^{\prime}=\frac{\mathrm{DN}_1(n) \times L_{\mathrm{eh}}-\mathrm{DN}_{\mathrm{h}}(n) \times L_{\mathrm{el}}}{L_{\mathrm{eh}}-L_{\mathrm{el}}} \end{array}$$ 式中：DNh为星上黑体定标高温点图像灰度均值；DNl为星上黑体定标低温点图像灰度均值；Leh为星上黑体定标高温点等效光谱辐亮度；Lel为星上黑体定标低温点等效光谱辐亮度。
对恒星定标时，通过星库选取2颗恒星，利用其已知的谱段辐亮度数据，分析得到：
$$ \mathrm{DN}=K(n) \times L_{\mathrm{e}}+C(n) $$ (4) 式中：Le为入瞳等效光谱辐亮度；K、C为绝对辐射定标系数的增益和截距。
通过下式对星上黑体辐射定标系数进行修正：
$$ {L_{\text{e}}} = \frac{{K'\left( n \right)}}{{K\left( n \right)}} \times {L'_{\text{e}}} + \frac{{C'\left( n \right) - C\left( n \right)}}{{K\left( n \right)}} $$ (5) 即可得到修正系数Rk和Rc：
$$ {R_k} = \frac{{K'\left( n \right)}}{{K\left( n \right)}} \text{，} {R_c} = \frac{{C'\left( n \right) - C\left( n \right)}}{{K\left( n \right)}} 。 $$ 针对每次新的定标数据，可依据新的星上黑体定标得到的定标系数和修正系数Rk和Rc，就可得到新的定标系数。
2. 实验室辐射定标验证
2.1 实验方法
为了验证辐射定标方案数据修正方法，在地面将相机产品放置在真空低温罐内，利用点目标成像实验以及面源黑体辐射定标相结合的方式，对在轨定标情况进行模拟，为相机在轨图像数据的定量化应用提供基础。
相机点目标成像实验及全口径全光路真空辐射定标实验测试系统框图如图 2（上）所示。被测相机、点源模拟器、平行光管、面源黑体放在真空罐内，地面测试设备和图像采集设备放在真空罐外，通过穿罐电缆进行信号传输。
测试布局如图 2所示，将红外遥感器与平行光管光路对准，平行光管将红外目标背景模拟器辐射信号准直，红外遥感器接收目标及背景辐射并成像，利用遥感器配套的处理设备实时采集图像数据，输出数字图像序列，并对数字图像进行处理，计算图像信噪比。
2.2 实验结果
对点目标成像结果如图 3所示。根据模拟器中黑体的温度、发射率，计算得到仿真恒星辐射定标系数。
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图 3 相机点目标信噪比测试目标点周围9×9输出图像Figure 3. Point target SNR ratio test around target point 9×9 output image面源黑体（仿恒星源）定标系数如表 3所示。通过衰减方式使得星上黑体发射率相比实验室黑体衰减3%，每间隔一小时测一次，连续测试3次，实测定标系数如表 3所示。可见各次重复性好，由此通过地面仿真验证了恒星定标结合黑体定标的修正算法的正确性。
表 3 黑体定标结果、仿恒星定标结果及修正系数Table 3. Blackbody calibration results, stellar simulation calibration results and correction coefficientsTest number Stellar simulation calibration results Blackbody calibration results Correction coefficients Kw Cw Kn Cn Rk Rc 1 2838.6 34.1 2745.2 32.9 1.034 4.37E-04 2 2838.4 34.2 2745.3 32.9 1.033 4.73E-04 3 2838.7 34.0 2745.3 32.8 1.034 4.37E-04 2.3 辐射定标不确定度分析
航天光学遥感器的星上定标不确定度主要取决于星上定标辐射源本身的稳定性、测量精度、定标方式以及航天光学遥感器的稳定性。从真空辐射定标能量传输环节上看，影响红外遥感器工作时的真空辐射定标精度的因素主要有如下几个方面：
1）星上黑体温度不确定性
黑体辐射源为相机真空辐射定标的基准源，黑体测温误差均会对定标精度产生影响。根据目标辐射特性，折算入瞳处等效黑体温度，并经过计量院标定，在基准温度处，星上定标黑体温度不确定度为±0.15 K，对应不确定性误差为2.1%。
2）星上黑体发射率误差
通过发射率的标准传递，黑体标准可以溯源至国家计量科学研究院，其发射率测量的不确定度主要来源于引用标准的不确定度和仪器测量误差。其中，标准溯源误差是主要贡献。测试发射率需要保证测试距离和角度与定标时尽可能一致，定标黑体的发射率通过辐射计传递并与标准黑体比对，实测结果为0.98±0.01，所以法向发射率测试误差为(0.01/0.98)×100%，取值约为1.0%。
3）星上黑体温度均匀性
黑体辐射源的均匀性包括面均匀性和角均匀性，是相机相对辐射定标精度的主要影响因素，出口温度非均匀性峰谷值为±0.3 K，以辐亮度差与基准黑体辐亮度相比，计算出黑体辐射源的温度非均匀性的影响。同时需考虑在视场角范围内角非均匀性为0.1%。所以黑体的综合非均匀性误差0.74%。
4）星上黑体温度稳定性
黑体辐射源为相机真空辐射定标的基准源，黑体的发射率不确定度、温度稳定性、温度均匀性、测温误差均会对定标精度产生影响。星上黑体辐射源的温度稳定度峰谷值为±0.1 K，以辐亮度差与基准黑体辐亮度相比，计算出黑体辐射源的温度稳定性的影响为1.17%。
5）相机光机辐射波动影响
相机自身光机发射的辐射能量会与目标/大气背景一起到达相机探测器处，光机辐射主要包含光学镜片自身的辐射以及光机结构的辐射两部分，可依据光机温度遥测值变化情况，利用普朗克定律计算光机辐射波动量[9]。相机定标时段内，由于在轨外热流环境变化会引起光机辐射波动±0.1 K。光学系统及光机结构的温度变化为(300±0.1) K，其在短波辐射稳定性波动为1.17%[10]。
6）相机时间噪声
相机的时间噪声主要由光子噪声、探测器读出噪声、暗电流噪声、电路噪声组成，时间噪声反映了相机的探测灵敏度，相机噪声的影响表现为输出信号的随机波动[11]。按照在基准温度下相机信噪比进行估算，则噪声引入的不确定度为1.70%。
7）相机响应非线性
根据实验室辐射定标过程的工程经验，响应动态范围（DN值）5%~95%内的值计算相应非线性，优于1.0%。
8）杂散辐射
太空环境，包括太阳、月亮、恒星以及地气杂光会对星上定标带来影响，产生杂散辐射，而且黑体本身长期工作积累的热量也会影响系统定标精度[12]，按照杂散辐射分析取值为1.0%。
将各个因素的影响量综合为实验室辐射定标的总误差，其计算方法是计算各因素影响量的平方根，可以参考下式求解：
$$ \delta = \sqrt {\delta _{{\text{bb_Tacc}}}^2 + \delta _{{\text{bb_emi}}}^2 + \delta _{{\text{bb_Tuni}}}^2 + \delta _{{\text{bb_Tsta}}}^2 + \delta _{{\text{rad}}}^2 + \delta _{{\text{cam_noise}}}^2 + \delta _{{\text{res_non}}}^2 + \delta _{{\text{strlight}}}^2} $$ (6) 红外遥感器绝对定标精度分析结果见表 4。
表 4 红外遥感器在轨绝对辐射定标不确定度Table 4. On orbit absolute radiometric calibration uncertainty of infrared cameraInfluencing factors Error source Estimated value δbb-Tacc Blackbody temperature accuracy 2.10% δbb-emi Blackbody emissivity uncertainty 1.00% δbb-Tuni Outlet blackbody temperature uncertainty 0.74% δbb-Tsta Blackbody temperature stability uncertainty 1.17% δrad Instability of camera output signal 1.17% δcam-noise Camera time noise error 1.70% δres-non Camera responses nonlinerity error 1.00% δstrlight Camera stray light effect 1.00% Total σ/rms 3.68% 经计算，真空辐射定标不确定度为3.68%，通过恒星定标方式能够修正黑体辐射源随时间的影响，从而保证星上绝对辐射定标精度优于5%的指标要求。
3. 结论
短波红外空间光学遥感相机在轨采用黑体+红外恒星的方式进行全光路定标是合理、可行的方式，重点解决黑体工作温度均匀性、稳定性、绝对辐射性能监测等问题。通过对短波红外遥感器定标不确定度影响因素的分析，从改进星上定标方案、提供星上定标黑体控温精度的方式，结合红外恒星定标方式，能有效提高辐射定标精度。通过地面实验室测试的方式进行了算法的验证。
全口径、全光路定标的优点是绝对辐射定标不确定度低。然而，对于大口径航天光学遥感器，用于实现全口径、全光路定标的星上定标器的尺寸和重量比较大，而且需要活动部件来驱动定标器切入/切出光路，这限制了其应用。因此，需要根据航天光学遥感器的具体情况选择星上定标方案。后续将在轨开展相关实验验证工作，持续改进红外遥感器性能以进一步降低辐射定标不确定度。
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图 1 高温黑体组件、低温黑体组件设计及实物
Figure 1. Design drawing and physical drawing of high temperature blackbody component and cryogenic blackbody component
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图 3 相机点目标信噪比测试目标点周围9×9输出图像
Figure 3. Point target SNR ratio test around target point 9×9 output image
表 1 某红外遥感器主要技术参数
Table 1 Parameters of the remote sensing system to be tested
Technical parameters Value Aperture of optical system/mm 250 Focal length of optical system/mm 425 Signal to noise ratio ≥5 Field of view/° 0.85×0.68 Number of detector pixels 640×512 Spectral range/μm 2-3 
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表 2 高、低温黑体计算结果
Table 2 Calculation results of high temperature blackbody and cryogenic blackbody
ITEMS Temperature
stabilityTemperature
uniformityHigh-temperature blackbody ＜0.1℃/min 0.3℃ Low-temperature blackbody ＜0.1℃/min 0.3℃
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表 3 黑体定标结果、仿恒星定标结果及修正系数
Table 3 Blackbody calibration results, stellar simulation calibration results and correction coefficients
Test number Stellar simulation calibration results Blackbody calibration results Correction coefficients Kw Cw Kn Cn Rk Rc 1 2838.6 34.1 2745.2 32.9 1.034 4.37E-04 2 2838.4 34.2 2745.3 32.9 1.033 4.73E-04 3 2838.7 34.0 2745.3 32.8 1.034 4.37E-04
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表 4 红外遥感器在轨绝对辐射定标不确定度
Table 4 On orbit absolute radiometric calibration uncertainty of infrared camera
Influencing factors Error source Estimated value δbb-Tacc Blackbody temperature accuracy 2.10% δbb-emi Blackbody emissivity uncertainty 1.00% δbb-Tuni Outlet blackbody temperature uncertainty 0.74% δbb-Tsta Blackbody temperature stability uncertainty 1.17% δrad Instability of camera output signal 1.17% δcam-noise Camera time noise error 1.70% δres-non Camera responses nonlinerity error 1.00% δstrlight Camera stray light effect 1.00% Total σ/rms 3.68%
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