红外相机实时绝对辐射定标技术研究.docx资源-CSDN文库

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0. 引　言

辐射定标技术将图像灰度值转换成绝对辐射亮度，是实现定量遥感的关键环节。在轨

红外遥感探测系统的辐射定标主要包含：探测器响应的不均匀性校正(相对辐射定标)和建

立遥感相机输出信号值与输入辐射量的函数关系(绝对辐射定标)。前者是辐射定标的中间

环节，后者是辐射定标的最终目标

[1]

。

目前常用的辐射定标方法包括：（1) 利用自然辐射源、黑体定标源、定标灯以及太

阳光漫反射板等星载定标设备对红外相机进行定标；（2) 以地物作为定标源的场地定标

[2]

；（3) 利用已定标且精度较高的参考红外相机对目标红外相机进行交叉定标

[3]

。

传统红外相机一般采用扫描方式成像，可以实现星上实时定标。与传统红外相机相

比，文中研究的红外相机（以下统称该相机）分辨率高、口径大，难以实现星上实时定

标。同时，由于该红外相机无法观测冷空间，传统的利用单个定标场和冷空间的场地绝对

辐射定标方法也不适用，且由于空间分辨率高，对定标场的辐射均匀性要求更高。因此，

针对上述该红外相机的限制问题，文中设计合理的辐射定标方案，充分利用实验数据，实

现了实时高精度绝对辐射定标，为后续的温度反演和定量化应用奠定了基础，具有一定的

现实意义。

1. 红外相机辐射定标设计与实现

针对红外相机半光路星上定标的特点，完成了星上定标数据处理和分析，生成噪声等

效温差、相对和绝对辐射定标系数；针对红外相机不能观测冷空间的特点，完成了场地定

标方案设计，在卫星在轨测试期间开展了场地定标外场试验，利用定标场地红外图像和同

步测量数据，生成场地相对和绝对辐射定标系数；针对红外相机宽谱段、高分辨率的特

点，完成了交叉定标方案设计，通过参考传感器选择和光谱匹配，完成了交叉定标数据处

理和分析，生成交叉绝对辐射定标系数

[4]

。红外定标总体流程图 1 所示。

[Math Processing Error]DN¯l=1n∑i=1nDN¯l(i)

(3)

[Math Processing Error]DN¯h=1n∑i=1nDN¯h(i)

(4)

式中：[Math Processing Error]DNl(i)、[Math Processing Error]DNh(i)分别为低温、高

温定标图像数据第[Math Processing Error]i 个探测元的灰度值，[Math Processing

Error]i=1,2,3,

⋯

,n；[Math Processing Error]DN¯l、[Math Processing Error]DN¯h 为低温、高

温定标图像数据所有探测元的平均灰度值；[Math Processing Error]DN¯l(i)、[Math

Processing Error]DN¯h(i)为低温、高温定标图像数据第[Math Processing Error]i 个探测元的

平均灰度值；[Math Processing Error]k(i)为第[Math Processing Error]i 个探测元的校正增

益；[Math Processing Error]DNoffset(i)为第[Math Processing Error]i 个探测元的校正偏移

值；n 为探测元个数，实验中 n=480。校正增益和校正偏移值计算公式为：

[Math Processing Error]k(i)=DN¯h−DN¯lDN¯h(i)−DN¯l(i)

(5)

[Math Processing Error]DNoffset(i)=DN¯h−k(i)

⋅

DN¯h(i)

(6)

相对辐射校正依据相对辐射定标系数进行计算处理，具体为：假设输入的原始遥感影

像为 G，G(i,j)为第 i 个探测元第 j 列的 DN 值，相对辐射校正后的图像用 F 表示，则相对

辐射校正如下式所示：

[Math Processing Error]F(i,j)=G(i,j)

⋅

k(i)+DNoffset(i)

(7)

式中：[Math Processing Error]j=1,2,3,

⋯

,10786。

1.1.2 相对辐射校正精度评估

相对辐射校正精度采用非均匀性的大小来评价，分为整个扫描条带整体的非均匀性和

个相邻元见的非均匀性。整个扫描条带各元间的非均匀性 PRNU 计算如下：

[Math Processing Error]PRNU=1Y¯(ϕ)∑n=1N(Yn(ϕ)−Y¯(ϕ))2N

(8)

式中：[Math Processing Error]Yn(ϕ)为在均匀辐照[Math Processing Error]ϕ 下每个探测

元的平均响应结果；[Math Processing Error]Y¯(ϕ)为在均匀辐照[Math Processing Error]ϕ 下

校正后的像元平均；N 是探测器的光敏元数，实验中为 480。各相邻元间的非均匀性 PRNU

计算如下：

[Math Processing Error]PRNU=|Yi+1(ϕ)−Yi(ϕ)|(Yi+1(ϕ)+Yi(ϕ))/2

(9)

式中：[Math Processing Error]i=1,2,3,

⋯

,479。

1.1.3 绝对定标系数计算

绝对定标系数[Math Processing Error]K(i)、[Math Processing Error]C(i)计算如下：

[Math Processing Error]K(i)=K′(i)R1(i)

(10)

[Math Processing Error]C(i)=C′(i)−R2(i)

⋅

K′(i)

(11)

式中：i 为探测元序号，1~480；K(i)为第 i 元绝对定标方程的增益系数；C(i)为第 i 元

绝对定标方程的偏置系数；R

(i)、R

(i)为内定标绝对定标系数与入瞳处绝对定标系数转换

系数，为相机真空辐射定标结果。K ′(i)、C ′(i)的计算如下：

[Math Processing Error]K′(i)=DNh(i)−DNl(i)Leh−Lel

(12)

[Math Processing Error]C′(i)=DNl(i)

⋅

Leh−DNh(i)

⋅

LelLeh−Lel

(13)

式中：DN

(i)为内定标高温黑体图像第 i 元 DN 值，计算如下：首先从 FRED 数据的

辅助数据第 106 字长中获取其成像状态标识，F00 H 代表高温定标，然后选择高温成像第

5、6、7 帧作为高温定标图像数据，最后计算这三帧的图像每一元的均值即为 DN

(i)；

(i)为内定标低温黑体图像第 i 元 DN 值，计算如下：首先从 FRED 数据的辅助数据第

106 字长中获取其成像状态标识，0 F0 H 代表低温定标，然后选择低温成像第 5、6、7 帧

作为高温定标图像数据，最后计算这三帧的图像每一元的均值即为 DN

(i)；[Math

Processing Error]Leh 为内定标高温黑体等效光谱辐亮度（W/(m

·sr·μm)）；[Math

Processing Error]Lel 为内定标低温黑体等效光谱辐亮度（W/(m

·sr·μm)），计算如下：

[Math Processing Error]Leh=ε′

⋅

∫λ1λ2R(λ)L(λ,Th)dλ∫λ1λ2R(λ)dλ

(14)

[Math Processing Error]Lel=ε′

⋅

∫λ1λ2R(λ)L(λ,Tl)dλ∫λ1λ2R(λ)dλ

(15)

式中：ε′为内定标黑体发射率为 0.97；R(λ) 为红外相机的相对光谱响应（主备份不

同）；L 为光谱辐亮度（W/(m

·sr·μm)）；T

为高温黑体绝对温度（K）,T

为低温黑体绝对

温度（K）温度从 FRED 辅助数据里面提取；λ 为波长（μm）；λ

、λ

为相机响应的起始波

长和截止波长，主份为 7.62、10.20 μm，备份为 7.61、10.24 μm。

绝对辐射校正依据绝对辐射定标系数进行计算处理，具体为：假设输入的原始遥感影

像为 G，G(i,j)为第 i 个探测元第 j（[Math Processing Error]j=1,2,3,

⋯

,10786）列的 DN 值，

绝对辐射校正后的图像用 S 表示，则绝对辐射校正公式如下：

[Math Processing Error]S(i,j)=(Gc(i,j)−C(i))/K(i)

(16)

[Math Processing Error]Gc(i,j)=G(i,j)+ΔGd(i)

(17)

式中：G

为影像的有效 DN 值；ΔG

(i)为相机输出温度变化修正量。

1.1.4 绝对定标精度分析实现

从星上定标各个环节入手，文中对星上绝对定标精度进行分析，包括星上黑体辐射源

的温度控制精度、黑体温度测量精度、半光路至全光路转换和实验室真空辐射定标等环节

对定标精度产生影响。

影响最终绝对定标精度的因素及影响量如下：黑体辐射源的温度控制精度，0.18%；

黑体温度测量精度，0.09%；半光路到主光路转换引入的误差，0.24%；红外相机主份通道

的绝对定标精度，1.99%。总误差为 2.01%，换算到 300 K，精度为 1.13 K。

1.2 场地定标技术

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