一种气象卫星热红外通道在轨辐射定标方法与流程

本发明涉及红外遥感传感器绝对辐射定标，具体来说，涉及一种气象卫星热红外通道在轨辐射定标方法。

背景技术：

1、经过半个世纪努力，我国已成功发射了20颗气象卫星，目前在轨运行9颗，形成了兼顾成像和探测，覆盖可见红外微波等谱段的综合对地观测能力，成为全球同时具有极轨和静止两个系列业务气象卫星的少数几个国家之一。新一代极轨和静止气象卫星——风云三号和四号实现了我国气象卫星观测系统的更新换代，综合观测能力部分达到国际领先水平。两个系列的气象卫星均具有红外通道对地观测能力。

2、遥感传感器的绝对辐射定标是仪器计数值与其所反映的地表真实参数之间的桥梁，是遥感信息定量化的开端，又是遥感定量反演地表生物物理参数和建立遥感模型的基础。卫星发射之后，由于工作环境、状态发生变化，长期运行元器件老化，都可能使发射前的定标系数改变，因此需要进行在轨场地定标，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。在场地辐射定标方面，已经建成了敦煌陆地定标试验场和青海湖水面定标试验场，并分别针对我国的风云系列气象卫星、海洋系列卫星、资源系列卫星、环境减灾系列卫星、高分系列卫星和军事系列卫星等开展了场地辐射定标。交叉定标方面目前主要利用国外的卫星传感器对我国的气象卫星和资源卫星等传感器进行交叉定标，取得了较好的结果。

3、红外遥感传感器的在轨实时绝对辐射定标国内外还没得到充分解决，而它又直接影响到卫星红外遥感数据的定量化应用水平。我国遥感卫星的星上定标系统开发总体相对滞后，尤其是红外通道星上定标装置研制比较欠缺，由于卫星平台和星载仪器设计上的限制，导致目前在轨运行的大部分红外有效载荷星上黑体定标光路还是后光路插入，无法满足绝对辐射定标的要求。并且针对星上黑体的国家标准和精度指标测试还不完善，红外定标总体精度评价比较模糊。另外，在场地辐射定标方面由于进场次数和天气条件的限制，仅局限于部分遥感器的辐射定标工作，而且所用的定标方法偏少、试验场气候条件也不理想，还不能满足实际应用的需要；加之，由于我国实验遥感力量投入少、实验场地类型不全、基础研究薄弱、学科交叉不够，影响了系统的理论和技术原始创新与全定量化的发展。在交叉定标方面，由于方法本身对参考传感器和被定标传感器之间的通道设置、通道光谱响应函数、空间分辨率、过境时间、回访周期、几何配准精度等方面有严格要求，实施的门槛高；并且定标精度极大的依赖于参考传感器自身的绝对辐射定标精度。这些都直接影响了卫星数据的预处理工作、标准产品的生产；缺少被测物理参数真实性检验，减低数据产品可靠性和应用，不能满足为应用提供模式或算法的全部需求。并且轨场地辐射绝对定标需要有大量的人力、物力和财力投入，因此，需克服星上定标不完善、场地定标工作量大频次低(每年可以进行1～2次野外试验)、野外同步观测试验的工作量大、观测参数多、数据处理流程复杂、精度难以控制以及交叉定标实施门槛高等问题。

4、针对上述问题，目前还没有有效的解决办法。

技术实现思路

1、针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种气象卫星热红外通道在轨辐射定标方法，能够克服现有技术的上述不足。

2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种气象卫星热红外通道在轨辐射定标方法，包括如下步骤：

4、s1根据卫星过境信息和定标场地的天气情况，选择合适的外场定标试验的工作时间；

5、s2采用无人艇搭载红外辐射计ce312，在卫星过境前2小时左右，将无人艇经由码头释放，并在湖面按照预先设定的航线航行，按照规定航线进行湖面辐亮度观测获取连续的观测水面亮温信息，并在同步期间保证尽量多的卫星同步，完成后按照预定的航线返回基地；

6、s3定标数据处理与分析：

7、s31提取卫星入瞳亮温信息：选择各个卫星的热红外载荷或热红外通道的过境同步影像数据，并根据各个卫星的辐射定标系数，计算得到相应的入瞳亮温信息，分别对各个卫星的热红外通道得到的入瞳亮温信息结果进行对比，分析定标场地同步试验时段的亮温空间分布以及湖面受云及天气状况的影响程度，根据实际情况选择适合的同步区域；

8、s32提取地表辐亮度信息：对不同载荷的光谱响应函数进行处理和匹配，同时，试验前后分别对红外辐射计ce312进行黑体标定，测量参数进行转换后得到特定波长的光谱辐亮度；

9、s33处理地面大气观测数据：利用太阳光度计来反演计算气溶胶光学厚度，所述气溶胶光学厚度用langley法，在特定的分布下得到气溶胶光学厚度与波长的关系；利用大气探空气球携带的探空仪追踪气球变化位置及相应的观测参数获得这些参数的实时廓线状态；

10、s34大气辐射模拟：利用大气辐射传输模式进行大气辐射模拟，得到大气对湖面上行辐射的定量影响；根据不同卫星红外载荷的热红外通道光谱响应函数，将透过率信息与通道光谱响应函数进行卷积计算得到不同通道的透过率和程辐射信息，根据透过率和程辐射信息量化大气对地表热红外辐射的影响；

11、s35对卫星传感器和地面红外辐射计ce312进行光谱匹配。

12、进一步地，计算光谱匹配因子减小地面观测仪器和卫星热红外载荷的光谱响应差异。

13、进一步地，同步期间选择小于15度的卫星观测天顶角。

14、4.根据权利要求1所述的气象卫星热红外通道在轨辐射定标方法，其特征在于，同步观测期间地面观测像元间标准差小于10％。

15、进一步地，步骤s31中，根据普朗克公式将卫星观测的光谱辐亮度可以转换为亮温值：

16、

17、其中，c1＝1.191公式将-12w/(cm2·/(cm1公-1)4),是第一辐射常量；c2＝1.439k·cm，是第二辐射常量；σ为波数(cm-1)，t为温度(k)，l(σ)为光谱辐亮度(w/(cm2·sr·cm-1))。

18、进一步地，步骤s31中，根据云影响区域和同步区域筛选用于定标试验的湖面，选择依据为避免云及云边影响和温度变化均匀的湖面区域，并且同步区域要保证在观测的航迹范围内，如果航迹范围有云影响，则选择临近适合区域。

19、进一步地，步骤s33中，气溶胶光学厚度的计算方法为：通过测得的两个个波长气溶胶光学厚度，计算：

20、

21、

22、然后利用测得的α和β值反演所需波长的气溶胶的光学厚度。

23、进一步地，步骤s33中，相应的观测参数包括温度、湿度、气压、风向、风速。

24、进一步地，还包括：s4将无人艇的观测数据、气象卫星过境同步影像数据和同步期间测得的探空廓线数据输入modtran模型模拟获得大气层顶通道表观辐亮度。

25、进一步地，进一步地，还包括：s5根据模拟获得的匹配点上待定标通道大气层顶表观辐亮度和提取的气象卫星dn值均值，通过线性回归计算得到待定标通道的绝对辐射定标系数。

26、本发明的有益效果：通过利用无人艇自动观测获取水表辐射亮温，代替了传统场地辐射定标人员在湖面乘船采集水表辐射信息的野外测量工作，可以很大程度的节省人力、物力和财力投入；通过结合加密探空大气廓线数据的获取，可以很大程度的提高定标频次，并且可以进一步提高定标精度；通过各个卫星的热红外通道得到的入瞳亮温信息结果进行对比来分析定标场地同步试验时段的亮温空间分布以及湖面受云及天气状况的影响程度，对同步区域的选择有非常大的参考意义。