敦煌国家辐射校正场每年都开展大量实验，为国内外对地观测卫星提供定标服务，但多年来敦煌场进行像元尺度地表反射率获取工作时，有关地面光谱采样方案准确度的研究较少。为定量评估不同地面采样方法的准确度，确定不同像元尺度地表反射率获取时采样点的最佳位置，实现敦煌场高精度高效率业务化测量，利用敦煌高分辨率无人机数据与GF-1卫星2 m全色数据对不同像元尺度地表反射率采样方法准确度进行定量分析。研究结果表明：获取陆地卫星像元尺度地表反射率，建议在敦煌150 m国家场的位置用5点系统采样方案初步标定2 m样方位置，并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量；对于气象卫星像元尺度，建议在新选3 km场地用5点模拟退火采样方案确定2 m样方位置，并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量。

大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息, 尤其在气溶胶遥感监测领域, 具有很大优势, 所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。 作为定量化程度很高的光学载荷, 在轨定标一直受到很大的重视。 因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点, 使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。 多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂, 需要进行辐射定标的相机参数有多个。 辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数, 使用的自然景物类型多, 导致多种定标方法组合、 并行发展。 2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗, 也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星, 在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天, 有必要梳理替代定标的研究进展情况。 文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数, 梳理了相机的辐射传递模型。 划分了绝对辐射强度、 相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。 针对特定的待定标系数, 介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。 形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。 并汇总了定标结果检验的一般方法。 新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标, 将继承原有研究基础, 使用特殊自然景物开展定标。 在后续的同类遥感相机在轨定标工作中, 也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、 借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。 我国、 欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划, 面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机, 结合作者研究基础, 对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。 偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测, 对我国当前关注的大气环境问题非常重要。 卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。 系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。

在轨运行的传感器辐射性能由于受到元部件老化、 外太空辐射等因素的影响, 会发生变化, 通过传感器在轨定标可以及时追踪传感器在轨运行期间的辐射性能变化。 利用Terra/MODIS(Terre卫星中分辨率成像光谱仪)参考, GF-1/WFV(高分-1号卫星视场传感器)传感器为目标, 基于敦煌校正场的实测地表光谱数据, 在考虑两传感器成像时刻的不同观测角度、 光谱响应、 大气条件和地表特性的匹配贡献的基础上, 获得交叉定标光谱匹配因子, 进一步得出WFV自发射后的时间序列交叉定标系数。 以此辐亮度定标系数得到的表观辐亮度值与MODIS表观辐亮度值进行比对, 开展光谱匹配因子对GF-1/WFV定标系数的影响分析。 分析认为: 在不同波段, 光谱匹配因子变化趋势总体一致, 大于0.9的光谱匹配因子比重分别为53.1%, 75%, 81.2%和93.8%; 辐亮度定标系数的时间序列变化趋势与光谱匹配因子的时间变化趋势呈现负相关; 匹配因子越接近1, 两传感器辐亮度值的相对偏差越小。

临近空间（20~50 km）航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。 太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提, 然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。 臭氧是影响高空辐射环境的关键因子, 基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、 季节变化特征进行了分析, 发现其时空分布及演变具备区域性特点, 同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域, 确定不同区域关键参数值, 利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。 模拟结果显示受纬度、 臭氧总量、 垂直分布等影响, 辐射值变化规律较为复杂。 全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大, 年较差则相反; 大气的吸收作用与纬度、 海陆差异有关, 表现出不同的强度和季节变化特征; 在紫外波段, 南海上空辐射最强, 年较差小, 月较差很小且夏强冬弱, 其他区域辐射值夏强冬弱, 月较差呈双峰特征, 春秋强, 冬夏弱; 大气的吸收作用受多因子影响, 除南海外, 各区域夏季辐射垂向差异更大; 大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、 7月高低空月振幅一致, 其它月份辐射值在高层月较差更大。

利用Landsat8-OLI时间序列图像数据对高分一号(GF-1)的16 m宽覆盖多光谱传感器进行交叉定标。试验首先通过安排GF-1夜间深海成像，确定GF-1传感器的定标公式的截距，再选取定标靶标场的双星同步观测数据，利用回归分析得到定标公式的增益。利用交叉定标系数结果计算的GF-1辐亮度值与同步观测的Landsat8的辐亮度值相关性在95%以上，4个波段定标精度相对误差分别是4.25%、6.21%、5.83%和5.66%。结果表明该方法获得的定标系数精度与Landsat8定标数据辐射定标精度相当，GF-1卫星可以满足定量化应用的要求。

为克服卫星遥感器常规定标方法不足，实现GF-1卫星PMS相机高精度在轨定标，提出了多场地宽动态辐射定标方法，分析了新方法的不确定度。首先，介绍宽动态辐射定标原理和试验场区概况，设计开展了GF-1卫星多场地同步观测试验；接着，基于试验数据和宽动态定标模型，实现了GF-1卫星PMS相机的在轨辐射定标；最后，讨论GF-1卫星PMS相机多场地定标的不确定度和模型的稳定性。结果表明：GF-1卫星PMS相机自发射以来辐射响应特性与实验室定标结果相比发生了一定变化，最大变化量达到了7.72%；PMS相机多场地辐射定标的综合不确定度为5.35%。所获取的PMS相机定标系数满足遥感辐亮度产品生产的精度要求，且多场地定标可作为后续高分卫星的在轨定标的方法参考。

为检测高分二号(GF-2)卫星发射前后辐射性能变化，获取可靠的GF-2 卫星遥感器在轨定标系数，提出了基于宽动态地面目标的场地定标方法。以敦煌戈壁场为基础，重新选建涵盖高、中、低多级反射特性的定标场，并借助反射率基法和地面观测试验，实现了GF-2卫星首次在轨辐射定标。以发射前实验室定标结果为参考，讨论GF-2卫星定标系数变化及影响因素。结果表明：1) GF-2卫星发射前后系统自身偏移量均接近于零，且相对稳定；而辐射响应特性发生了一定变化；2) 采用多场地定标获取的在轨定标系数能更好表征GF-2卫星在轨辐射特性，该定标系数可作为后续定量产品反演和系统性能评估的基础。

为监测多源卫星遥感器在轨辐射性能，提出了基于均匀稳定目标再分析基准数据库的替代定标方法。以均匀稳定的敦煌辐射校正场为实验场区，在分析场区历史光谱和大气数据的基础上，建立了地表反射率参考与实时气溶胶估算模型；并结合现有反射率基法定标模型实现了资源一号02C(ZY-1 02C)、资源三号(ZY-3)和高分一号(GF-1)卫星多个遥感器的辐射定标。采用星地同步实测数据和常规外场定标方法对获取的定标系数进行验证，结果表明：基于类似敦煌场的稳定目标再分析资料可实现多源遥感器的辐射定标；定标后的辐亮度与基于实测数据反演的辐亮度平均差异小于5.0%，且与常规外场定标结果总体精度相近。该方法可用于多源卫星遥感器在轨辐射性能日常检测，并为定标系数修订提供参考。

为实现高分一号卫星宽视场成像仪的实时辐射定标, 准确获取成像仪在轨暗电流噪声引起的偏移量信息, 提出了高频次辐射定标方法, 并分析了方法的可靠性和测算精度。介绍了卫星遥感器在轨辐射定标原理。以敦煌辐射校正场为实验区, 利用该场地历史光谱数据和实时气象观测数据确定了高频次定标的数据基准。基于成像仪夜间大面积海洋场景数据测算了偏移量信息, 即在无辐射能量输入的条件下, 测算成像仪自身暗电流噪声引起的输出数值。然后, 利用地面参考基准数据和偏移量信息, 实现了高分一号卫星宽视场成像仪的在轨定标。最后, 分析和检验了高频次定标方法的不确定性和定标结果的可靠性。结果表明: 高分一号卫星宽视场成像仪高频次定标的不确定度小于5.3%; 基于该定标结果获取的辐亮度产品与基于官方定标结果获取的辐亮度总体相对偏差小于5.6%; 基于夜间海洋场景计算的定标截距(即偏移量)更接近于理论设计值。该方法可用于高分一号卫星宽视场成像仪的在轨定标和暗电流噪声定期检测。