1 引言

成像区域大气校正仪是我国近年来预研、发展的一种星载光学偏振遥感器,通过同步获取光学遥感图像的角度、偏振和辐射等信息,实现了时空变化的气溶胶和水汽探测,其覆盖了0.49~2.25 μm太阳反射光谱的8个探测波段,解决了大气效应校正的难点^[1-5]。为抑制短波红外探测波段校正仪内部自发辐射对成像精度的影响,需要控制仪器内部的温度,保证在轨运行期间仪器自身的温度保持在-17~-7 ℃范围内,但校正仪内部的自发辐射与温度有关,无法实时获取区间温度内杂散辐射的变化,只能将在夜间观测地物目标的暗背景时所得到的输出值近似为内部杂散辐射,这种方法容易受到地物目标分布不均匀、大气吸收和散射等因素的影响,测量不确定度较大。如何定量测量在轨运行期间校正仪内部的杂散辐射,准确获取目标的辐亮度,对提高图像反演精度具有重大意义。

通常来说,杂散辐射是指探测器接收到的非目标光线,对于成像系统而言,杂散辐射会直接影响成像质量,降低系统信噪比,因此有效抑制杂散辐射对提升系统的成像质量和探测能力具有重要意义^[6-7]。杂散辐射按来源可分为外部辐射与内部辐射,外部辐射是指仪器视场外的光辐射被探测器接收,导致仪器输出信号变化,而内部杂散辐射是指光学系统内部(如光学镜头、机械件等)的自发辐射被探测器接收^[8]。在可见-近红外成像范围内,内部的杂散热辐射对于成像区域校正仪的影响较小,可以忽略,仅需考虑外部辐射的影响。但是在短波红外范围内,采用的高精度制冷型红外探测器对热源较为敏感,尤其在观测信号较弱的情况下,内部杂散热辐射的影响将更加突出。为获取更高质量的遥感图像,必须对大气校正仪的内部杂散辐射进行定量研究^[9]。

目前,杂散辐射测量方法主要是通过建立杂散辐射分析模型,采用计算机模拟仿真的方法对红外系统的杂散辐射进行定量计算^[10]。常用的计算方法有蒙特卡罗法、光线追迹法、近轴计算法等,相应的分析软件有TracePro、Lighttools、APART等。仿真分析方法具有低成本、易操作等优点,但该仿真结果也只能用于参考,主要原因在于仿真所设定的边界条件与实际情况仍有一定差异。杂散辐射也可以在系统加工完成后用实验方法直接测量获取,以验证系统的杂散辐射抑制效果是否满足设计要求。但该方法对实验环境要求较为苛刻,如要求低温真空环境或者恒温条件等,每一个环境温度下杂散辐射的测量具有工作量大、成本高等缺点。

本文通过对成像区域大气校正仪在线性响应范围内的辐射特性进行研究,提出了一种基于辐射定标的方法来定量测量短波红外系统内部的杂散辐射,实验采取了控制变量的方法,利用大口径积分球作为定标源,将待定标仪器置于低温真空仓内,隔绝外部杂散辐射,并分析了定标过程中的变量与仪器输出灰度值之间的线性关系,得到了系统的定标方程。理论计算与实际测量结果均验证了该方程的有效性,且该方程在理论上具有较高的测量精度。

2 辐射定标方法

作为星载遥感器,成像区域大气校正仪需要进行发射前定标,在给定输入条件时可得到仪器的输出值。同时,为消除大气层辐射以及大气衰减等因素的影响,采用低温真空设备以及近距离扩展源法进行辐射定标。将大气校正仪放入低温真空仓内部,并使仪器的入瞳对准真空仓光学窗口的几何中心;将定标光源的出光口正对着仪器,保证光源能覆盖仪器的全孔径和全视场;定标光源采用内置卤钨灯的大口径积分球光源,其光谱范围为350~2500 nm,出光口径为400 mm,光信号在积分球内部进行多次漫反射后在出光口处形成一个均匀的面光源,通过控制积分球内部卤钨灯的开关数量来改变定标光源的辐亮度。

图 1. 探测器辐射定标

Fig. 1. Radiometric calibration of detector

下载图片 查看所有图片

成像区域大气校正仪在短波红外2250 nm处有P1、P2、P3、P4 4个通道,在线性响应范围内,每个通道的探测器像元的输出灰度值与定标光源的辐亮度之间的关系为

S=i×R×Lc+B(i),(1)

式中:S为大气校正仪的输出灰度值;i为成像校正仪的增益系数;R为探测器像元对入射光源的辐亮度响应度;L_c为定标光源的辐亮度;B(i)为通道式大气校正仪探测系统的光机结构热辐射、散射背景辐射以及探测器本身的暗电流引起的偏移量总和,该值与仪器的增益系数有关。

理论上,大气校正仪的辐亮度响应度R是成像系统的固有属性,与定标光源的辐亮度和外界环境温度无关,而偏移量B包含了成像系统内部光机结构引起的杂散热辐射H_stray以及探测器自身的偏置H_detector。探测系统内部的杂散热辐射H_stray与外界环境温度有关,根据热辐射定律,环境温度越低,其杂散热辐射越小。短波红外2250 nm通道选用了制冷型的InGaAs探测器,为保证其探测性能,采用热电制冷的方式控制探测器的温度,因此探测器自身的偏置与环境温度无关。实验结果表明,在保持定标光源辐亮度不变的前提下,分别改变环境温度以及探测系统的增益系数,探测器输出的灰度值与变量呈线性关系,即探测系统的偏移量是其增益系数和环境温度的线性函数,可以表示为

B=Hstray+Hdetector=i×R1×LT+i×h1+c,(2)

式中:c为偏移量B(i)的常数部分;R₁为探测系统内部杂散辐射的辐亮度响应度,在某一特定的红外探测系统中,R₁为一定值;L_T为理想黑体在温度为T时的辐亮度;h₁为红外探测器的偏置对于增益系数的响应,同一个通道下该值不变。因此在考虑成像校正仪增益系数的情况下,可以将(1)式改写为

S=i×R×Lc+i×R1×LT+i×h1+c。(3)

从(3)式可以看出,成像系统内部杂散辐射引起的输出灰度值正比于系统的增益系数以及环境温度下理想黑体的辐亮度。L_T用Planck公式可表示为:

LT=C1λ5{exp[C2/(λT)]-1},(4)

式中:C₁为第一辐射常数,C₁=2πhc²=3.7415×10⁸ W·μm⁴·m^-2; C₂为第二辐射常数,C₂=hc/k=1.43879×10⁴ μm·K;h为planck常量。为简化拟合计算,选取的波长值为2.25 μm,将环境温度值代入(4)式,可以计算得到相应条件下的辐亮度。

3 辐射定标实验

为验证上述理论模型的正确性,开展了相应的辐射定标实验。将成像区域大气校正仪放置在低温真空仓内部,由于积分球光源的出光口足够大,在保证定标光源充满仪器视场的同时,利用光谱辐射计(SVC)测量定标光源的光谱辐亮度,该辐亮度溯源至标准灯-参考板定标系统,其在2100~2500 nm波段范围内通过参考板定标系统的合成定标不确定度约为3.6%。陷阱探测器的作用是监视定标光源的稳定性。

图 2. 成像区域大气校正仪绝对辐射定标示意图

Fig. 2. Schematic of absolute radiation calibration for atmospheric corrector

下载图片 查看所有图片

实验中,通过控制积分球内置灯源的开关数量来改变定标光源的辐亮度。在成像区域大气校正仪的工作温度范围内选取4个温度点,设置高低温真空仓内部的环境温度分别为-7,-11,-14,-17 ℃。在不同定标光源的辐亮度、环境温度以及增益系数的情况下,通过控制变量来定量测量成像区域大气校正仪内部的杂散辐射。

3.1 不同光源辐亮度下的辐射测量

设置低温真空仓的温度为-11 ℃,由于仪器本身具有导热性,系统构件的温度会趋于稳定,默认此时的背景温度为仪器内部的等效环境温度,在系统环境温度为-11 ℃、增益系数为1的前提下,改变定标光源的辐亮度,得到成像区域大气校正仪2250 nm波段4个通道的输出灰度值与光谱辐亮度之间的线性关系(图3)。通过最小二乘法拟合得到每个通道的定标方程为

S1=-20182.19×Lc+320.98S2=-20291.42×Lc+494.24S3=-20272.13×Lc+486.92S4=-20090.49×Lc+369.92。(5)

图 3. 不同辐亮度下的定标实验结果。(a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

Fig. 3. Calibration results at different radiances. (a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

下载图片 查看所有图片

3.2 不同环境温度下的辐射测量

在积分球光源辐亮度不变的前提下,即保持开启灯源数量为12盏,供电电流为2.95 A,光源稳定后设置低温真空仓的工作温度分别为-7,-11,-14,-17 ℃,得到成像区域大气校正仪的输出灰度值与理想黑体辐亮度之间的关系(图4)。

图 4. 不同环境温度下的定标实验结果。(a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

Fig. 4. Calibration results at different ambient temperatures. (a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

下载图片 查看所有图片

数据分析可知,不同环境温度下,理想黑体的辐亮度与校正仪输出灰度值的线性相关系数大于0.997,拟合误差优于0.12%,可认为两者之间呈线性关系。通过4个通道下的拟合定标方程,可以得到系统内部结构引起的辐亮度响应度,即(3)式中的R₁值。

S1=-42.06×LT-23469.08S2=-44.58×LT-23406.23S3=-41.26×LT-23411.64S4=-41.87×LT-23330.02。(6)

3.3 不同增益系数下的辐射测量

通过分析两次实验的结果,得到了(3)式的R与R₁,为得到完整的定标模型,还需要得到h₁以及偏置值c。在保持定标光源辐亮度以及环境温度不变的情况下,改变成像校正仪的增益系数,此时(3)式可改写成为

S=i(R×Lc+R1×LT+h1)+c。(7)

实验中设置低温真空仓的温度为-11 ℃,定标光源辐亮度不变,分别得到校正仪在1倍、2倍以及4倍增益下的输出灰度值与增益系数之间的关系(图5)。当校正仪增益为2时,实际放大倍数为2.05;当增益为4时,放大倍数为3.96。

4个通道在不同增益系数下的拟合方程为

S1=-5612.28×i+21.16S2=-5470.21×i+21.21S3=-5464.48×i+16.13S4=-5526.75×i+17.56。(8)

结合(7)式和(8)式得到4个通道的得到h₁以及偏置值c。

由此得到成像区域大气校正仪2250 nm波段4个通道下完整的拟合定标方程为

S1=-20182.19×i×Lc-42.06×i×LT+i×548.13+21.16S2=-20291.42×i×Lc-44.58×i×LT+i×738.06+21.21S3=-20272.13×i×Lc-41.26×i×LT+i×720.62+16.13S4=-20090.49×i×Lc-41.87×i×LT+i×593.05+17.56。(9)

图 5. 不同增益下的定标实验结果。(a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

Fig. 5. Calibration results at different gains. (a) P1; (b) P2; (c) P3; (d) P4

下载图片 查看所有图片

3.4 内部杂散辐射的验证

通过4个通道下的拟合定标方程,理论上只需获取大气校正仪在轨运行期间的内部真实温度,便可以计算出校正仪在该温度下的杂散辐射输出灰度值。相对于传统的测量方法,通过环境温度和增益系数计算杂散辐射,不需要单独测量每一个温度点下的本底信号值,极大地简化了实验测量过程。为验证上述拟合定标方法的可靠性,着重分析仪器内部杂散辐射的计算是否准确。在无定标光源输入的前提下,分别测量仪器在不同环境温度和增益系数下的本底值,通过比较理论计算值与实际测量值来验证上述方法的可行性,其结果如表1所示。

由表1可知,当增益系数不同时,环境温度越低,本底信号输出的灰度值却越大,这主要是因为仪器的辐亮度响应度是负值,但这并不影响其线性关系,测量结果与理论分析一致。同时对比理论计算值与实际测量值之间的相对偏差可以看出,P4通道增益系数i=1、环境温度为-7 ℃时,理论计算值与实际测量值的偏差最大,但最大测量偏差仅为4.45%,这表明本文方法具有一定的可靠性,可以实现对校正仪内部杂散辐射的定量测量。此外大气校正仪实际测量的本底信号值与理论计算出的杂散辐射值之间的偏差并不会随着环境温度的变化单向增大或减小,这也间接说明了本文方法在测量内部杂散辐射时具有稳定性。

4 分析与讨论

通过对成像区域大气校正仪短波红外2250 nm4个通道在不同变量下的测量结果,拟合得到相应的定标方程,此方程可以定量分析系统内部的杂散辐射。理论计算值与实际测量出的本底信号仍存在一定的偏差,图4所示的环境温度下辐亮度与仪器输出灰度值的线性拟合具有0.12%的拟合偏差。造成这种偏差的主要原因是低温真空仓设定的温度点与实际运行的环境温度具有±1 ℃的控温范围,再加上仪器内部光机结构热传导等因素可能会造成仪器内部温度分布不均匀等情况,从而使得计算中代入的环境温度值与仪器内部真实的温度并不一致。因此设计时可以在仪器内部安装若干个热敏电阻,监视关键元件的真实温度,以提高仪器内部杂散辐射的测量精度。

5 结论

针对成像区域大气校正仪短波红外通道内部的杂散辐射,提出了一种简单有效的测量方法,通过对不同环境温度和增益下测试的结果进行线性拟合得到每个通道的定标方程。该方法只需根据成像校正仪运行的环境温度即可对仪器内部的杂散辐射进行定量测量。实验对上述方程进行了相应的验证。实验结果表明,在不同环境温度和增益的情况下,理论计算值与实际测量值最大误差为4.45%,且因为理论计算时的温度与实际仪器温度并不完全一致,导致结果出现正负偏差,这说明该方法具有一定的可靠性。同时也应注意,非制冷型探测器内部偏置与响应度和环境温度有关,因此本文方法并不适用于这种情况。实验中采取了控制变量的方法,分析每个变量与成像区域大气校正仪输出灰度值之间的线性关系,得到了每个通道下的定标方程。该方法可用于检验系统杂散辐射抑制效果是否满足要求,同时对系统探测器暗背景噪声的性能评估具有一定参考意义。