针对搭载于环境减灾二号A/B（HJ-2A/B）卫星的偏振扫描大气校正仪（PSAC），详细分析了信号链路中各噪声项及其与信号的相关性，建立了信号-总噪声功率线性（S-TNPL）模型，通过实验测量获得了各通道的噪声功率只随信号变化的模型系数，以及与信号无关而与工作条件有关的本底噪声功率（截距）；使用在轨实测的本底噪声，建立了不依赖于均质性区域场景的在轨信噪比评估方法，并与星上漫射板法进行了对比验证。结果显示，利用S-TNPL模型与星上漫射板法获得的PSAC在轨信噪比评估结果的相对偏差为-0.62%~6.27%，具有较好的一致性，验证了所提在轨信噪比评估方法的合理性。该信噪比评估方法不仅能适应在轨辐射性能衰退的情况，同时能方便实现不同辐亮度条件下的信噪比转换，并可直接对任意单次观测结果的信噪比进行评估。该信噪比分析方法理论上同样适用于其他光学遥感器，可为其在轨信噪比评估提供参考。

介绍了高分五号全谱段光谱成像仪(VIMI)可见近红外波段星上定标组件的组成和工作方式,分析了VIMI发射后星上12次太阳漫反射板(SD)双向反射分布函数(BRDF)的量值衰减情况。对比SD反射率衰减监测仪(SDRDM)长期观测的太阳数据表明,不同监测波段探测器的衰减程度不同,其中900 nm监测波段的硅探测器衰减最大,约为4.3%。当入射角与观测方位夹角接近时,SD BRDF的衰减因子(H因子)变化很小。根据H因子的物理模型得到SDRDM实际监测的测量不确定度小于0.86%,满足小于1.5%的指标要求,且VIMI星上定标组件全寿命期输出光谱的辐亮度不确定度小于3.4%。

太阳漫反射板反射率衰减监测仪(后简称比辐射计,SDRDM)被用来监测漫反射板反射率的变化。其太阳观测端口的透过率和太阳漫射板的相对双向反射分布函数(BRDF)是随角度变化的变量,因此比辐射计观测信号会受到入射光线角度的影响,该影响因子被叫作比辐射计角度因子(简称角度因子)。提出一种使用星上数据计算角度因子的方法,该方法被使用的前提是太阳漫射板在轨前期不发生衰退。采用相同太阳角度比值计算,在不使用比辐射计角度因子的前提下验证了太阳漫反射板在轨前期的稳定性。随后计算SDRDM的角度因子,并与实验室测量结果进行比对。结果显示星上计算值与实验室测量值偏差小于0.5%,发射前测量的角度因子可以用于计算太阳漫反射板的退化因子。

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。

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%。

多通道扫描成像辐射计搭载于风云四号气象卫星上,为了使其实现高精度定量化遥感,其上配备了星上定标装置。该装置主要是引太阳漫射板(SD)反射的太阳光作为标准辐亮度源,太阳漫射板反射率衰减监测仪(简称比辐射计)定期监测漫射板反射率的变化。主要介绍了比辐射计的工作原理,并针对在轨返回的数据特点建立了太阳漫射板双向反射分布函数衰减因子计算模型。数据表明:比辐射计探测器受到了温度的影响,其不确定度为0.165%/℃,比值监测的方式消除了温度的影响。计算了3个通道衰减因子的合成监测不确定度,第一通道的合成监测不确定度为1.48%(k=2),第二、第三通道合成监测不确定度为1.16%(k=2)。结果表明:比辐射计可以实现漫射板反射率的衰减监测。

采用比辐射计进行比对测量是监测光学遥感仪器星上定标光源载体漫射板反射性能在轨变化的有效手段。用于海洋水色遥感的新一代星载成像光谱仪必须设计成以太阳作光源的在轨绝对辐射定标系统，才能满足定量化产品反演的使用要求。国外星上定标器的漫反射板长期跟踪测量结果表明，漫射板的反射性能一直在发生变化，且波长越短变化越大，而海洋水色遥感要素的探测恰恰集中在靠近紫外的波长区域。针对这个问题，设计了分谱比辐射计，并对其辐射探测性能进行了理论分析与实验测量。结果表明，在整个动态测量范围内线性相关系数优于0.9991，在轨输入能量条件下的分谱信噪比在整个使用波长范围内优于100，可以满足成像光谱仪星上定标源反射特性标定的精度要求。

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、 高频次、 高效率等优点的独立定标方法, 是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。 文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、 方法及实现过程, 建立了空间辐射标准, 同时给出了星上反射率定标物理模型。 分析定标物理模型发现, 影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。 为此, 首先介绍了星上定标时机的选择, 根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。 通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正, 确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入, 实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。 最后, 结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平, 按照测量不确定度评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估, 可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%, 绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。

论述了太阳漫射板星上定标原理, 研究了太阳漫射板衰减监测方法。针对星上太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)的衰变, 设计了以太阳为参照, 通过与星上漫反射板反射辐射量比对测量实现监测功能的多波段星上漫反射板衰减监测辐射计(SDDM)。介绍了星上定标与漫射板监测的关系, 设计了SDDM积分球两开口入光+挡板的光机结构, 消除了入射光角度变化与探测器响应的相关性。根据光机结构设置的监测过程, 给出了SDDM的监测物理模型, 并对SDDM滤光片探测器动态范围设置及信噪比进行了验证和分析。在实验室模拟了太阳照射SDDM太阳观测端口的角度变化, 对其透过率模型进行了多次重复测量, 结合漫射板相对双向反射比因子(BRF)测量不确定度、卫星姿态及漫射板安装误差进行分析, 得到SDDM测量的漫射板监测不确定度优于0.88%。