Спектральная радиометрическая калибровка: ключ к количественной трансформации данных дистанционного зондирования.

Благодаря непрерывному развертыванию платформ наблюдения Земли, таких как метеорологические спутники, спутники наблюдения за сушей и океаном, объем данных дистанционного зондирования стремительно растет. Однако исходные данные существуют в виде цифровых значений напряжения. Если их нельзя точно преобразовать в физически значимую спектральную информацию об излучении, будет сложно обеспечить надежность наблюдения и анализа Земли, не говоря уже об удовлетворении количественных потребностей таких областей, как мониторинг изменения климата и раннее предупреждение о стихийных бедствиях.Методы спектральной радиометрической калибровкиИменно в этом и заключается ключ к разрешению этого основного противоречия.

С технической точки зрения, суть технологии спектральной радиометрической калибровки заключается в установлении точного соответствия между фактической яркостью наземных объектов и выходным напряжением прибора в различных спектральных диапазонах. Этот процесс не только обеспечивает калибровку прибора, но и устанавливает эталон надежности данных дистанционного зондирования, гарантируя согласованность данных об яркости одного и того же наземного объекта, полученных в разное время наблюдения и на разных платформах. Это обеспечивает переход дистанционного зондирования от лабораторной проверки к глобальному динамическому мониторингу и способствует трансформации приложений дистанционного зондирования от качественного описания к количественному анализу.

Система калибровки спектральных формирователей изображений включает в себя несколько путей реализации (как показано на рисунке 1). Среди них процесс калибровки перед запуском спутника имеет особое значение и в основном делится на два основных модуля: лабораторная калибровка и полевая калибровка.

Рисунок 1. Классификация методов калибровки спектральных формирователей изображений.

Лабораторная калибровка — это ключевой этап калибровки перед отправкой спутника с завода. Ее основная цель — устранение присущих прибору погрешностей (таких как неравномерность отклика детектора), установление первоначального эталона точности для наблюдений на орбите и предотвращение повторной обработки больших объемов данных из-за ошибок в дальнейшем. Этот этап охватывает три ключевых аспекта: во-первых, спектральная калибровка с использованием монохроматора в качестве стандартного источника света включает в себя поэтапную настройку выходного сигнала монохроматического света на определенной длине волны для построения спектральной функции отклика (SRF) прибора, точное определение центральной длины волны, полосы пропускания и кривизны спектральной линии пикселей детектора, а также уменьшение погрешности идентификации наземных объектов, вызванной спектральным дрейфом; во-вторых, относительная радиометрическая калибровка, которая вычисляет относительный радиометрический коэффициент для достижения выравнивания отклика на уровне пикселей на основе разницы откликов между пикселями в массиве детектора, устраняя эффекты полосатости изображения и ослабления краев, а также обеспечивая равномерность яркости изображения (как показано на рисунке 2); В-третьих, выполняется абсолютная радиометрическая калибровка, которая использует интегрирующую сферу для имитации рассеянного света в космосе (как показано на рисунке 3) и преобразует цифровой сигнал (значение DN), выдаваемый прибором, в физическую величину радиационного потока с помощью уравнения переноса. В ходе этого процесса необходимо корректировать смещение темнового тока, ослабление поля зрения линзы и коэффициент усиления для обеспечения сквозной прослеживаемости от цифрового сигнала к физической величине.

Рисунок 2. Сравнение определенной модели компании Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics CAS Aerospace Science and Technology Group Co.,LTD до и после относительной калибровки.

Рисунок 3. Схема абсолютной калибровки для определенной модели прибора Чжунке Сигуан.

Полевая калибровка — это этап проверки на месте, который связывает идеальные лабораторные условия с реальными условиями на орбите. В реальных атмосферных условиях созданная в лаборатории модель радиационного и спектрального картирования проверяется и дорабатывается путем моделирования условий наблюдения спутника на орбите с использованием наземного стандартного источника. Ее техническая ценность проявляется в трех аспектах: во-первых, она включает механизмы коррекции таких факторов окружающей среды, как атмосферное рассеяние и поглощение, что дополнительно оптимизирует точность измерений и обеспечивает стабильные возможности наблюдения на орбите сразу после запуска спутника; во-вторых, она проверяет интегрированные характеристики отклика прибора и спутниковой платформы, избегая влияния вибрации платформы и ошибок установки на качество данных и поддерживая согласованное объединение многодиапазонных данных; в-третьих, она заранее выявляет колебания производительности и потенциальные проблемы прибора в реальных условиях, снижая риски ошибок на начальном этапе запуска и обеспечивая предэксплуатационную уверенность в работе системы дистанционного зондирования.

Лабораторная и полевая калибровка вместе образуют полную цепочку обеспечения точности, включающую «установление эталона — полевую проверку»: первая устраняет присущие прибору погрешности и закладывает прочную основу для высокоточных наблюдений, а вторая компенсирует различия между идеальной средой и реальным космическим сценарием и обеспечивает применимость эталона точности. Этот механизм взаимодействия обеспечивает надежную основу для преобразования данных дистанционного зондирования из «цифровых сигналов» в «количественную радиометрическую информацию», реализуя количественное преобразование данных дистанционного зондирования.