辐射定标丨月球目标监测风云二号静止气象卫星可见光辐射响应变化

论文来源

遥感学报| 2018, 22(2): 211-219

DOI|10.11834/jrs.20186464

作者|陈林，张鹏，吴荣华，胡秀清，张璐

第一作者单位|中国气象局国家卫星气象中心

中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室

E-mail:[e-mail] 

原文链接|

http://html.rhhz.net/ygxb/ygxb-22-2-chenlin.htm

准

确的辐射定标是星载遥感仪器观测资料定量化应用的前提与保证。但遥感器在轨运行一段时间后，其辐射响应均有不同程度的衰减。

如何监测并评估衰减呢？

大多数业务运行的静止气象卫星是使用替代辐射定标目标来进行定标。

但随后人们发现，月球作为辐射定标基准具有许多优点，且由于它的绝对辐射稳定性，也常常被用作除星上定标器外最值得参考的辐射定标源。

于是出现了一种新的监测仪器辐射响应变化方法：基于月球的辐射定标响应跟踪。

为了检验这种方法是否可行有效，陈林等利用2010年—2014年FY-2E/VISSR所观测得到的月球数据，通过与月球辐射照度模型的比较，获取5年间FY-2E/VISSR可见光通道的辐射响应衰减率，探索实现了利用月球目标进行静止气象卫星辐射响应变化跟踪的方法。

下面就让我们一起来详细解读这种方法是如何实现和检验的吧！

专家点评

        基于月球这一稳定辐射源进行在轨绝对辐射定标，是目前国际上的新型定标方法与技术。

        本文系统的阐述了利用月球目标进行风云二号静止卫星在轨绝对辐射定标，介绍了其定标原理及其数据处理方法，该工作很具有创新性，这也是国内卫星第一次将月球定标方法实际应用于卫星型号任务的在轨绝对辐射定标。

     FY-2E/VISSR观测月球数据   

FY-2E/VISSR资料卡

FY-2E/VISSR有5个通道，其中1个星下点空间分辨率为1.25 km为可见光通道，4个星下点空间分辨率5 km为红外通道，它的对地观测视场约20°。由于月球绕地球运动的关系，月球会在卫星的对地观测视场内出现，被观测到，且因为处于高轨道，获取的月球图像像素较高。这使得利用月球目标对FY-2可见光波段辐射定标响应跟踪成为可能。

作者通过几何计算和预报方法，精确预报获取了2010年1月—2014年10月可识别的月球观测事件，如图（在后续的辐照度计算中需要进行校正）。

由于静止气象卫星观测的月球出现位置和月相大小的不确定性，故采用了一种图像识别的方式来进行月球图像的自动提取。FY-2E而言，设定11 μm红外亮温大于等于180 K且存在大于500像素的次联通区域为月球图像。后通过红外与可见光图像的匹配，找到FY-2E可见光图像的月球图像，再将月球图像置中，形成包含有月球观测的数据文件。

FY-2E观测月球的有效性分析

FY-2E扫描辐射计在实际对月成像观测中会存在以下问题：

(1)月球表面反射特性不一致，月海的反射率较低。这些问题造成获取的FY-2E扫描辐射计对月观测事件中，有部分时刻观测到的月球不完整，不能满足月球辐照度计算条件。

(2)当月球与地球靠的很近时，地球图像也出现在了对月成像观测窗口中，影响月球照度的计算。

(3)FY-2E有杂散光现象，且杂散光的分布随时间和位置分布不均匀。

存在以上问题的数据均应被剔除，所以最终获取时间段内有效月球观测数据为33个。

几种应被剔除的月球图像

原理与方法

适用月相角范围是–92°—92°的ROLO模型目前是度量月球辐射的基准模型，可以反映星载遥感仪器的辐射响应变化情况，被用于FY-2E遥感仪器的辐射定标检验和辐射响应衰减监测。

月球辐射模型

任意时刻处的月球辐射照度Iλ为

卫星观测月球辐照度计算

FY-2E扫描辐射计观测得到的辐射单位为辐亮度，月球的辐照度为其各点的辐亮度在立体角上的积分。

将反射率乘以通道太阳常数，从而计算出观测辐亮度Llunar。

FY-2E扫描辐射计辐射响应衰减计算

以ROLO模型计算得到的卫星观测时刻和位置处的月球辐照度为参考基准，扫描辐射计对月观测辐照度与之相比的结果即表征了扫描辐射计的定标偏差。将这种定标偏差归一化即可用来评估仪器辐射响应的衰减程度。

结果分析

利用以上的处理方法，可以得到基于月球目标的FY-2E扫描辐射计辐射响应变化及拟合趋势线如下：

通过分析可得：

（1）FY-2E可见光通道有明显的辐射响应衰变情况，衰变大体呈线性衰变的趋势，2010年—2014年共5年FY-2E/VISSR可见光有近10%的衰减。

（2）月相角与辐射响应变化没有明显相关性，月相的变化没有对响应变化的结果产生影响。

为了与月球目标得到的FY-2E辐射定标响应跟踪结果进行验证，采用同时间段的深对流云目标进行辐射定标跟踪结果比对。

上图表是基于月球和DCC目标给出的FY-2E扫描辐射计的辐射响应变化时间序列图和相关参数。

基于月球和DCC的FY-2E辐射响应衰减分别为9.2%和8.1%，年衰减率1.96%和1.72%，并计算95%的置信度区间，不确定度分别为±0.79%和±0.09%。稳定性的指标为2.66(月球)和2.25(DCC)。两个独立的目标得到的结果较为一致，高值和低值的对应性也较好，说明利用月球目标作为稳定定标源进行辐射定标跟踪的可行性和结果的可靠性。

但从不确定度和稳定性指标来看，月球的方法要略低于DCC的方法，可能有以下几个原因：

(1)月球是低反射率目标，对仪器的观测噪声更加敏感，仪器噪音对月球定标结果的影响更大。

(2)有时观测的图像不能包含完整月球辐射信息，月球图像边缘像素在计算总辐照度时的贡献影响较大。

(3)FY-2E存在杂散光的影响，对低端目标如月球的影响较大。

通过月球目标和DCC目标的辐射响应跟踪对比都发现FY-2E的辐射响应具有一定的周期性震荡的特点。这可能与静止卫星星体一年中受光照条件的周期性变化相关联，且能从星上遥测温度中反映出来。

结   论

（1)基于月球目标能够发现FY-2E在试验数据期间存在辐射响应衰变的情况。通过与DCC方法的比较，两者获取的总衰减率数据相近，表明基于月球目标的辐射定标方法能够作为辐射定标方法的一种。

（2）建立和发展一个高精度的月球照度模型将是下一步工作的重点。

引用格式

陈林,张鹏,吴荣华,胡秀清,张璐.2018. 月球目标监测风云二号静止气象卫星可见光辐射响应变化.遥感学报, 22(2): 211-219
Chen L, Zhang P, Wu R H, Hu X Q and Zhang L.2018. Monitoring radiometric response change of visible band for FY-2 geostationary meteorological satellite by lunar target.Journal of Remote sensing, 22(2): 211-219

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