高五专刊丨高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估

原创刘银年遥感学报 2021-09-20

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卫星发射后，通常要对遥感器进行在轨测试，以评估其在轨性能，然后才能投入使用。其中，对遥感器的在轨辐射性能的评估是其定量化应用的基本前提和关键。高分五号卫星可见短波红外高光谱相机（AHSI）于2018年6月至2019年6月完成了其在轨辐射性能评估工作。

中国科学院上海技术物理研究所刘银年研究员团队，近期发表论文《高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估》，依据卫星发射以来的在轨测试数据，介绍了高光谱相机的在轨辐射性能的评估原理、方法及相应测试情况，具体包括了信噪比、相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度和动态范围等性能指标以及辐射性能稳定性。

论文信息

题目：高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估

作者：刘银年，孙德新，曹开钦，刘书锋，柴孟阳，梁建，原娟

关键词：遥感，高分五号（GF-5），高光谱相机，在轨测试，辐射性能，信噪比，辐射定标，真实性检验，动态范围

引用格式：

刘银年,孙德新,曹开钦,刘书锋,柴孟阳,梁建,原娟.2020.高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估.遥感学报,24(4):352-359

全文链接：

http://www.jors.cn/jrs/article/html/202004005

文章看点

相机在轨测试信噪比有极大的提升，特别在矿物识别敏感的短波红外波段信噪比达到了Hyperion载荷的6倍以上。

相机相对辐射定标精度误差小于0.5%，星上绝对辐射定标精度误差小于3%，场地绝对辐射定标真实性检验精度误差小于5%，处于国际先进水平。

内容要点

在轨信噪比评估

基于能量守恒定律，一束光线分得越精细，其中每份的能量也就越低，到达传感器的信号也就越弱。因此相对于多光谱载荷来说，高光谱图像信噪比普遍偏低。

AHSI载荷在400-2500 nm波长范围内设置了330个通道，采用了背部减薄的背照式CCD、自主研制的制冷型HgCdTe短波红外焦平面探测器等先进技术，信噪比获得大幅提升。

在轨测试数据表明，AHSI可见近红外波段信噪比最高达到近700，短波红外信噪比最高达到近500。与之相对比，美国Hyperion高光谱数据在轨信噪比为140-190@400~1000 nm、96@~1225 nm、38@~2125 nm。此外，AHSI还具备像移补偿功能，可进一步提升信噪比，提升幅度约为像移补偿比的平方根。

图 1 AHSI在轨与地面信噪比测试结果

相对辐射定标精度

AHSI采用推扫式成像，受探测器在空间上响应不一致等的影响，原始图像存在明显的竖直条纹，再加上背部减薄的背照式CCD所固有的Etalon现象影响，进一步加剧了原始图像的非均匀性。

为满足高光谱数据精准定量化的应用需求，需要对原始数据进行相对辐射定标，从直观效果来说，就是消除图像中的竖直条纹。测试结果表明，AHSI可见近红外通道相对辐射校正精度误差平均为0.35%，短波红外通道精度误差平均为0.43%。

绝对辐射定标精度

高光谱载荷绝对辐射定标旨在建立传感器的输出DN值与输入辐射能量之间的定量转换关系，通过该关系可以进行遥感数据的定量化分析，更好的开展各种应用。

AHSI在轨绝对辐射定标精度由星上的绝对辐射定标不确定度和场地绝对辐射定标真实性检验的精度来综合评估。星上绝对辐射定标不确定度是基于地面仿真数据和地面测量数据分析得到的，结果为可见近红外通道小于2.59%，短波红外通道小于2.68%。场地绝对辐射定标真实性检验精度基于反射率基法来计算，得到AHSI的场地绝对辐射定标真实性检验精度误差为4.53%。

图2 同步过境敦煌测试场图像辐亮度与MODTRAN模拟辐亮度比较

动态范围

AHSI在轨可见短波均可以256档增益精细调整，可以更好地适应对不同季节，不同纬度，不同地物进行成像。其中低档位适合对亮目标成像，可以有效避免亮目标过曝饱和；高档位适合对暗目标成像，可以增加暗目标的细节信息。

目前，AHSI做辐射定标（除动态范围调整评价时）与用户所使用的数据均为在正常成像模式下，即可见增益1.5，短波增益2.2，积分时间4.4 ms。

图3 不同增益条件下不同通道各波段DN值平均值

图4 不同增益条件下不同通道各波段频率直方图

辐射稳定性

辐射性能指标的稳定性也是表征卫星在轨工作状态的重要指标。分别采集了AHSI 2018-09-04和2019-03-01的AHSI星上漫反射板定标数据，提取了两组数据的暗电平、信噪比和相对辐射校正系数，然后计算了两组数据的变化率，基于间隔半年所采集的两次漫反射板定标数据而提取的暗电平、信噪比和相对辐射校正系数变化率均小于1%。这说明AHSI相机在轨运行期间辐射响应特性和噪声特性稳定，也反映出AHSI在轨运行期间辐射性能指标的稳定性。

结论

高分五号卫星可见短波红外高光谱相机于2018年6月至2019年6月完成了其在轨辐射性能评估工作。