扫描镜热辐射校正对FY-4A星AGRI定标精度的提升研究
多通道扫描成像辐射计(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)是风云四号A星的主要有效载荷之一。为了满足AGRI长波红外遥感数据高精度定量化应用的要求,构建了扫描镜热辐射随机械转角变化的函数模型,提出了一种可用于星上黑体和地球场景观测遥感数据的校正算法。基于FY-4A星AGRI的在轨数据,分析了模型参数对扫描镜温度的依赖性,研究评估了校正算法对长波红外定标精度的改善效果。在扫描镜温度场平稳时间段内,扫描镜热辐射校正后,B11(8.0~9.0 μm)、B12(10.3~11.3 μm)、B13(11.5~12.5 μm)波段的定标偏差分别可以得到-2.81 K~+1.06 K、-0.60 K~+0.19 K、-0.68 K~+0.24 K的显著改善。与IASI交叉定标检验结果表明,改善后的在轨定标亮度温度偏差优于0.5 K@290 K。
The Advanced Geostationary Radiation Imager (AGRI) is one of the main payloads of Fengyun-4A (FY-4A). In order to satisfy requirements of high-accuracy quantitative application of AGRI long-wave infrared (LWIR) remote sensing data, a function model of scan mirror thermal radiation changing with mechanical rotation angle is constructed, and a correction algorithm for remote sensing data of on-board blackbody and earth scene observation is presented. Based on the on-orbit data of FY-4A AGRI, the dependence of the model parameters on the scan mirror temperature is analyzed, and the improvement effect of the correction algorithm on the calibration accuracy of LWIR is studied and evaluated. After thermal radiation correction of scan mirror in the stationary period of mirror temperature field, the calibration deviation of B11(8.0~9.0 μm), B12(10.3~11.3 μm), B13(11.5~12.5 μm) can be improved significantly by -2.81 K~+1.06 K, -0.60 K~+0.19 K, -0.68 K~+0.24 K respectively. The result of inter-calibration validation with IASI shows that the improved on-orbit calibration brightness temperature bias is better than 0.5 K@290 K.
1 引言
风云四号(FY-4)是我国第二代地球静止轨道气象卫星,采用三轴稳定平台,FY-4A星作为该系列的首发星于2016年12月11日成功发射[1]。AGRI是FY-4A星的主要有效载荷之一,在地球静止轨道对陆地、海洋、云和大气等领域地球环境参数进行高精度、多光谱定量遥感,直接为天气分析和预报、气候预测以及环境和灾害监测服务。观测波段覆盖可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外,以适应各个应用领域的不同要求[2]。
作为一颗高精度定量化遥感卫星,如何提高定标精度、尽可能减小测量误差是一个技术难题。FY-4A星对AGRI的设计提出了热辐射波段定标精度优于1 K的指标要求[3],为实现该目标需要从发射前及在轨运行等各个环节进行定标误差源的控制。通过发射前真空低温环境定标和在轨测试发现,AGRI部分长波红外波段(B11、B12、B13)扫描冷空间时原始信号计数值随扫描镜机械转角的变化而变化,该现象将导致观测冷空间与观测目标(如地球场景或黑体)时扫描镜热辐射贡献的仪器背景辐射不一致,从而引入定标误差,影响遥感数据的定量化应用。
国外卫星关于该现象及形成机理的分析报道较多,如GOES-8的成像仪[4]、Terra和Aqua的中分辨率成像光谱仪(MODIS)[5-7]、SUOMI-NPP的可见光红外成像辐射计(VIIRS)[8-9]、GOES-R的先进基线成像仪(ABI)[10]等都存在类似的现象,产生这种现象的原因是扫描镜表面镀膜的吸收特征,它导致扫描镜的发射率随光学入射角而变化[11-13]。
目前,国内卫星关于这一现象的报道很少。文章以FY-4A星AGRI在轨测试数据为实验数据源,对该现象进行了研究分析,建立了扫描镜热辐射随机械转角变化的多项式模型,并提出了一种将该模型参数用于星上黑体和地球场景观测遥感数据校正的算法,评估了该模型参数和校正算法对定标精度的改善效果。
1 AGRI仪器简介
1.1 组成及工作原理
FY-4A星AGRI共有十四个波段,包括六个太阳反射波段,八个热辐射波段,
表 1. FY-4A星AGRI热辐射波段设计参数
Table 1. Thermal emissive bands design specifications of FY-4A AGRI
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1.2 热辐射波段定标原理
热辐射波段的定标方程可采用如下的一般形式表述[10]:
式中,
对于FY-4A星AGRI热辐射波段观测目标的净响应信号计数值,如
式中,
当观测目标为4K宇宙空间时,入瞳处总有效辐亮度为
在实际应用中,宇宙空间都被当作零辐射基准来处理,因此,
类似地,当观测目标为黑体时,入瞳处的总有效辐亮度为
当观测目标为地球场景时,入瞳处的总有效辐亮度为
式(3)~
对于星上黑体观测操作,AGRI快速连续地执行“冷空间观测→星上黑体观测→冷空间观测”过程,整个过程持续时间大约20秒,在该时间内光学元件温度场基本保持不变,因此辐亮度
对于地球场景观测操作,AGRI快速连续地采集冷空间与地球场景遥感数据,每个扫描行数据采集时间在秒级水平,在该时间内光学元件温度场也基本保持不变,因此辐亮度
2 扫描镜热辐射随机械转角变化的模型及校正算法
2.1 扫描镜热辐射在轨观测模式
考虑到扫描镜材料特性与镜体设计特点,精确测量扫描镜的镜面温度存在较大困难;另外,在轨七年任务周期内,受空间环境等因素影响,光学元件的光学效率可能会发生变化,特别是扫描镜位于整个光路的最前端而更易受到空间环境影响,光学效率衰变可能比其他光学元件更明显。因此,在
在辐射响应模型中,辐亮度的差异都会相应地体现在仪器原始信号计数值的差异上。在
类似地,在
以上关于定标系数
定标系数
地球场景的辐亮度计算式可以简化为
扫描镜自身热辐射除了与扫描镜温度相关外,还与扫描镜机械转角相关。对于
图 2. 扫描镜热辐射模型遥感数据获取过程示意图
Fig. 2. Diagram of remote sensing data acquisition process of scan mirror thermal radiation model
图 3. 扫描镜热辐射模型遥感数据获取流程图
Fig. 3. Flow chart of remote sensing data acquisition of scan mirror thermal radiation model
2.2 模型及校正算法
经发射前真空低温条件下定标试验和发射后在轨测试验证,B11~B13波段存在扫描镜热辐射随机械转角变化的现象,因此后面仅对这三个长波红外波段进行讨论。图
图 4. B11(8.0~9.0 μm)扫描冷空间的原始信号计数值: (a)东西镜, (b)南北镜
Fig. 4. Raw signal count value of B11(8.0~9.0 μm) scanning cold space: (a) EW scan mirror, (b) NS scan mirror
图 5. B12(10.3~11.3 μm) 扫描冷空间的原始信号计数值: (a)东西镜, (b)南北镜
Fig. 5. Raw signal count value of B12(10.3~11.3 μm) scanning cold space: (a) EW scan mirror, (b) NS scan mirror
图 6. B13(11.5~12.5 μm) 扫描冷空间的原始信号计数值: (a)东西镜, (b)南北镜
Fig. 6. Raw signal count value of B13(11.5~12.5 μm) scanning cold space: (a) EW scan mirror, (b) NS scan mirror
图
对发射前定标试验和在轨测试数据研究发现,AGRI扫描镜热辐射贡献的原始信号计数值随机械转角的变化规律可以近似采用一个二次多项式模型来描述:
FY-4A星AGRI大约每15分钟进行一次图
图 7. 扫描镜热辐射校正算法实现流程图
Fig. 7. Implementation flow chart of scan mirror thermal radiation correction algorithm
3 实验验证
3.1 数据源
以2017年3月至2018年2月,每月15日的00:00~24:00(UTC)期间在轨遥感数据为实验数据源给出上述二次多项式模型系数结果以及校正算法对定标精度的影响评估。风云四号A星AGRI大约每15分钟依次执行一组宇宙空间扫描任务、星上黑体观测任务、地球全圆盘常规成像任务[15]等,所选日期内的具体观测时次分布如
表 2. FY-4A星AGRI遥感数据观测时次分布情况
Table 2. Observation time distribution of FY-4A AGRI remote sensing data
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3.2 验证结果
AGRI扫描镜镜体的温度近似采用扫描镜框架温度来表征,南北扫描镜框架控温在+5 ℃附近,东西扫描镜框架控温在+10 ℃附近,受到地球静止轨道空间环境温度影响,扫描镜框架温度会出现周期性的波动[16]。
图 8. 24小时内的扫描镜温度分布示例
Fig. 8. Example of scan mirror temperature distribution within 24 hours
图
图 9. 扫描镜热辐射随机械转角变化的模型系数(二次项): (a)东西镜, (b)南北镜
Fig. 9. Model coefficient of scan mirror thermal radiation changing with rotation angle (quadratic term): (a) EW scan mirror, (b) NS scan mirror
图 10. 扫描镜热辐射随机械转角变化的模型系数(一次项): (a)东西镜, (b)南北镜
Fig. 10. Model coefficient of scan mirror thermal radiation changing with rotation angle (linear term): (a) EW scan mirror, (b) NS scan mirror
从图
FY-4A星AGRI以南北镜步进、东西镜往返扫描的方式对地观测成像。对于图
图 11. 东西镜扫描横跨17.6°地球张角时信号计数值变化量对应的虚拟温差
Fig. 11. Virtual temperature difference corresponding to the change of signal count value when EW mirror scanning across 17.6° earth field angle
AGRI观测星上黑体时,扫描镜的机械转角组合为
根据
图 12. 扫描镜热辐射校正前后星上定标系数之比
Fig. 12. Ratio of calibration coefficients before and after scan mirror thermal radiation correction
图 13. 扫描镜热辐射校正前后定标结果比较(@~295 K)
Fig. 13. Comparison of calibration results before and after scan mirror thermal radiation correction(about 295 K)
与扫描镜热辐射随机械转角变化的模型系数分布不同,图
4 结论
扫描镜热辐射随机械转角变化的现象将导致AGRI观测目标与观测冷空间时的仪器背景辐射存在差异,采用目标减冷空间的方式计算净响应信号时会引入一定的误差。文章对FY-4A星AGRI在轨遥感数据的研究分析,建立了扫描镜热辐射原始信号计数值随机械转角变化的二次多项式模型;模型系数的幅值(绝对值)与扫描镜温度场具有显著的相关性,且B11、B12、B13这三个长波红外波段的模型系数幅值依次减小;模型系数在东西镜扫描范围横跨17.6°地球张角两端对应的冷空间目标虚拟温差最高可以达到200 K(@B11)、147 K(@B12)、137 K(@B13)。根据扫描镜热辐射随机械转角变化的多项式模型,相应地提出了一种星上黑体和地球场景观测遥感数据校正算法,并对校正算法的效果进行了评价;对于非星下点午夜附近的时间段,经扫描镜热辐射校正后,长波红外波段的定标误差可以减小-2.81 K~+1.06 K(@B11)、-0.60 K~+0.19 K(@B12)、-0.68 K~+0.24 K(@B13)。通过与IASI进行交叉定标检验,这三个波段的在轨定标偏差可优于0.5 K@290 K。
[2] 董瑶海. 风云四号气象卫星及其应用展望. 上海航天, 2016, 33(02): 1-8.
. FY-4 meteorological satellite and its application prospect[J]. Aerospace Shanghai, 2016, 33(02): 1-8.
[8] GuentherB, XiongX, BarnesW L, et al. A calibration algorithm design and analysis for VIIRS thermal emissive bands based on the EOS MODIS approach[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE, 2003, 3036-3038.
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李秀举, 王保勇, 吴亚鹏, 韩昌佩, 曹琦, 周树添, 王伟成, 李盼盼. 扫描镜热辐射校正对FY-4A星AGRI定标精度的提升研究[J]. 红外与毫米波学报, 2022, 41(3): 608. Xiu-Ju LI, Bao-Yong WANG, Ya-Peng WU, Chang-Pei HAN, Qi CAO, Shu-Tian ZHOU, Wei-Cheng WANG, Pan-Pan LI. Study on the improvement of scan mirror thermal radiation correction on the calibration accuracy of FY-4A AGRI[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2022, 41(3): 608.