定标自动化水平与像点提取精度是光学遥感卫星在轨几何定标效率及精度提升的关键因素。提出一种以轻小型、自动化的反射点源为地面控制点的高精度像点提取方法，匹配参数化模型拟合获取点源像点坐标，并利用有理函数模型进行精度验证。在轨实验结果初步表明，与模板匹配法等常规方法相比，反射点源法提取的像点坐标精度优于0.05 pixel，经有理函数模型验证，像点定位精度优于0.05 pixel。反射点源不仅能够实现高精度的像点提取，还能够实现光学遥感卫星在轨几何辐射综合定标，对提高我国遥感测绘精度和定标自动化水平有重要意义。

高精度双向反射分布函数 (BRDF) 绝对测量装置可用于星上定标漫反射板等漫反射参照体 BRDF 的绝对测量, 其转角的不确定度是整个装置不确定度的主要来源之一。通过对各部件几何位置的标校降低 BRDF 绝对测量装置转角的不确定度, 可有效降低BRDF 绝对测量的不确定度, 具有重要的意义。根据 BRDF 绝对测量装置的特点, 以串联式六轴机器人为测量工具, 以固定于中空分度盘的积分球光源出射的光束作为指示, 开发了一整套 BRDF 绝对测量装置各部件几何位置的标校方法, 最后基于镜反射实验验证了转角的精度优于 0.05°, 满足应用需求。该方法不仅测量精度高,而且大大简化了装调过程, 实现了无接触式标校, 为类似装置的标校提供了参考。

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)是光学卫星相机成像质量评价的重要参数之一,在轨MTF检测关系到遥感数据的应用和未来遥感相机的发展。针对目前对地观测中广泛应用的光电成像系统,以反射点源阵列、辐射状靶标和大面积刃边靶标等便于数学描述的特殊点线面目标作为参照,依据MTF的物理定义,通过亚像元位置检测与参数化模型拟合等,对卫星相机进行了在轨MTF检测。实验结果表明:点源法是最严密的检测方法,可以全面表征遥感相机的成像能力;方波法在大面积靶标配合下,能直接获取成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值;刃边法是光学相机常用的检测方法,但是仅能获取沿轨与垂轨方向的MTF。三种方法所得的在轨MTF的检测结果具有较好的一致性,最大相对误差优于6.00%。这些方法各有特点,其适用性存在一定差异。

利用定标光谱仪(SCS)实际光学系统参数,分析了经太阳衰减屏(SAC)衰减后的太阳漫反射板(SD)的出射辐亮度非均匀性来源。基于星上定标时刻漫反射板光谱辐亮度物理模型,结合实验室部分实测参数计算得到整年星上定标时段的漫反射板出射辐亮度角度变化规律,并与以实验室小发散角太阳模拟器作为照明光源测得的SCS漫反射板出射辐亮度随照明角度变化的规律进行了比较,验证了星上漫反射板定标时刻光谱辐亮度物理模型的正确性,且光通过太阳衰减屏照明漫反射板得到的出射辐亮度在SCS焦平面的能量非均匀性可优于0.47%/(°),满足SCS相对辐射定标对辐射源工作区域在其焦平面均匀性优于99.5%的要求。最后,根据实际应用状态,分析得到太阳衰减屏+漫反射板方式形成的星上光谱辐亮度标准面源量值不确定度可优于2.13%。

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量, 以实际测量代替气溶胶散射特性假设, 通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度, 根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离, 降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明, 高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%, 与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%, 小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。

针对场地辐射定标方法难以覆盖遥感器动态范围的问题,提出基于多种反射率呈线性的宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标方法。以地面同步的实际测量代替气溶胶散射特性假设,采用线性回归法分离宽动态目标反射辐射与程辐射、地-气耦合辐射及暗电流等背景辐射,在简化辐射传输计算的同时降低对背景环境的要求,实现星载高分辨率遥感器全动态范围定标与响应线性检测。试验结果表明:光学卫星相机基于宽动态目标的在轨辐射定标方法的不确定度小于3.6%,与反射率基法定标结果之间的差异小于5.5%,反演的地物反射率及辐亮度与实测值之间的误差均小于6%,验证了在轨辐射定标方法的有效性,该方法可以满足复杂环境条件下高精度在轨定标的应用需求。

空间分辨率与调制传递函数(MTF)是高分辨率光学卫星传感器像质评价的重要参数,直接客观反映遥感器成像系统的成像质量。针对空间分辨率检测的辐射状靶标,提出一种与相同反射率大面积靶标相结合的方法,依据靶标调制度、传感器入瞳的物方调制度与像方调制度之间的关系,准确获取不含大气的星载遥感器成像系统在轨MTF与大气MTF值。实验结果表明:采用辐射状靶标法可同时获取星载遥感器成像系统空间分辨率与在轨MTF值,实时的大气MTF值为0.7519,基于辐射状靶标的在轨MTF检测结果与刃边法在轨MTF检测结果差异小于5%,该方法可用于实现高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价。

介绍了一套测量太阳光衰减屏透过率的测量装置。该装置需要测量两组数据:安装太阳光衰减屏和不安装太阳光衰减屏透过的信号值,通过求两者在相同几何条件下比值的方式得出了衰减屏的透过率。提出采用多项式拟合插值的方式解决在轨角度密集的问题,计算可知拟合插值引入的不确定度优于0.04%。数据结果显示,衰减屏的平均透过率为13.3%,结果的总不确定性优于0.54%(覆盖因子k=2)。结果表明,该装置能够为太阳光衰减屏在轨使用提供数据支持。

辐射定标是光学卫星传感器遥感信息定量化的关键技术之一。基于多灰阶靶标的星载多光谱相机在轨绝对辐射定标方法, 以地面漫射辐射/总辐射比、大气光学厚度等参数的实际测量代替气溶胶散射特性假设, 通过参照目标反射辐射与大气程辐射及地气耦合辐射的分离, 简化定标流程, 并突破大面积辐射校正场受时空条件的限制, 实现高分辨率多光谱遥感器全动态范围内的高精度、高频次、业务化定标。试验结果表明: 基于灰阶靶标的高分辨光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3.5%, 与反射率基法定标结果的差异优于5%, 且适应于复杂环境条件下在轨定标的应用需求。