星載光學載荷歷史數(shù)據(jù)再定標綜述

胡秀清，王玲，張鵬，徐娜，漆成莉，徐寒列，何興偉，何玉青，陳林，孫凌，盧乃錳

1.國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心) 中國氣象局,北京 100081;

2.中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室 中國氣象局,北京 100081;

3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心,北京 100081;

4.光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室 北京理工大學,北京 100081

1 引言

經(jīng)過幾十年的艱苦努力，中國風云氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)星座已經(jīng)形成了系列化、業(yè)務(wù)化發(fā)展的態(tài)勢（Zhang 等，2019b；Xian 等，2021；黃樹松 等，2021；林明森 等，2019）。中國遙感衛(wèi)星已經(jīng)建立了多系列衛(wèi)星組網(wǎng)觀測的衛(wèi)星系統(tǒng)，以及連續(xù)穩(wěn)定運行的衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了從實驗星到業(yè)務(wù)星、從依賴國外數(shù)據(jù)到自主發(fā)射衛(wèi)星并建立地面接收處理系統(tǒng)的飛躍。同衛(wèi)星數(shù)量發(fā)展相比，國產(chǎn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度還有待提高，早期衛(wèi)星受研制水平的限制，遙感儀器信噪比低、星上定標能力弱和穩(wěn)定性差。近10 年來，中國對地遙感衛(wèi)星定量觀測能力不斷提升，部分衛(wèi)星增強了星上定標能力，但星上定標精度和長期穩(wěn)定性與發(fā)達國家仍有較大差距。國產(chǎn)衛(wèi)星具有連續(xù)觀測近二十年長序列數(shù)據(jù)，涉及到多個衛(wèi)星平臺的觀測結(jié)果，每顆衛(wèi)星的技術(shù)性能、運行壽命、定標量參差不齊。因此，深度挖掘應(yīng)用這些海量數(shù)據(jù)，首先必須解決長序列和遙感器數(shù)據(jù)的一致性定標和穩(wěn)定性問題。目前遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)定標得到的基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)集（FCDRs）沒有統(tǒng)一的輻射基準和考慮多要素影響的再定標算法，使得后端長時間序列衛(wèi)星專題數(shù)據(jù)集（TCDRs）缺乏一致性和連續(xù)性，無法滿足氣候研究關(guān)鍵氣候變量（ECVs）需求的完備衛(wèi)星氣候數(shù)據(jù) 集CDR（Bojinski 等，2014），阻礙了TCDRs 在氣候變化和環(huán)境變遷研究中的廣泛使用（Popp 等，2020）。因此突破星載輻射基準的歷史溯源與在軌傳遞技術(shù)，解決多衛(wèi)星平臺、多遙感器的統(tǒng)一化輻射定標問題，是實現(xiàn)國產(chǎn)遙感衛(wèi)星應(yīng)用于氣候觀測的關(guān)鍵所在。

開展長時間序列遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化輻射定標再處理方法研究在國際上已經(jīng)受到廣泛重視，并已經(jīng)取得很好的研究進展。從20 世紀90 年代開始，國外即開始了遙感器歷史資料再定標研究工作，其中最突出的是由美國NOAA 和NASA 共同發(fā)起的PathFinder 計劃，此項目旨在為全球變化研究和地球系統(tǒng)科學研究提供長時間序列的科學數(shù)據(jù)集，包括基于地面長期穩(wěn)定目標（如利比亞沙漠）的場地定標方法，不同遙感器的交叉輻射定標和利用月亮或特定恒星的輻射定標方法（Heidinger等，2010；Molling等，2010）。1992年國際衛(wèi)星云氣候計劃（ISCCP）提出重新定義ISCCP 定標和分析方案，開始對從1983年開始的美日氣象衛(wèi)星序列（NOAA，GOES和GMS）所有數(shù)據(jù)進行重新處理，反復(fù)調(diào)整迭代定標方案和建立新定標表，消除長時間衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中的偽變化（Brest和Rossow，1992；Stone等，2013）。21世紀初開始歐盟的哥白尼氣候變化服務(wù)計劃C3S（Copernicus Climate Change Service）中一項重要內(nèi)容就是針對早期衛(wèi)星數(shù)據(jù)的再處理（CDS；https：//cds.climate.copernicus.eu［2023-08-22］），由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）和歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）具體承擔，包括數(shù)據(jù)元信息、數(shù)據(jù)/算法文檔、正演模型、基于參考數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估、質(zhì)量標識、偏差估計等眾多內(nèi)容，另外歐洲航空局提出了氣候變化倡議CCI（Hollmann 等，2013）。SCOPE-CM（Sustained and COordinated Processing of Environmental satellite data for Climate Monitoring）是2008 年在WMO 主導(dǎo) 下，與GCOS、CGMS、CEOS和GEO聯(lián)合開展的衛(wèi)星基本氣候變量處理行動計劃。綜上，歐洲和美國已有較完備的處理流程、標準和機制，并具有針對定標精度、反演算法的穩(wěn)定性有較為完整的評估分析能力。如美國NOAA 國家環(huán)境信息中心NCEI（其前身是NCDC）啟動了旨在發(fā)展和實現(xiàn)一個強有力的、可持續(xù)的、科學的、可靠的方法來生產(chǎn)和存儲衛(wèi)星氣候資料的CDR計劃，即，以AVHRR數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了Pathfinder Atmospheres Extended（Patmos-x）數(shù)據(jù)（Heidinger等，2014），生成長時間序列的衛(wèi)星氣候數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)歷史與實時數(shù)據(jù)的無縫銜接。在SCOPE-CM 框架下，EUMETSAT 通過SAF（Satellite Application Facility）計劃，構(gòu)建了包含云、大氣、海表、陸表等多參數(shù)的長時間序列數(shù)據(jù)集。Brodzik 等2016 年為DMSP 系列衛(wèi)星所搭載的SSMIS 以及SSM/I 傳感器開展了歷史數(shù)據(jù)再處理工作，從觀測點地方時、天線訂正以及格點數(shù)據(jù)重建等方面進行了計算，制作了1978 年—2016 年的再處理數(shù)據(jù)集。2002 年，NOAA 主持召開了用于全球氣候變化監(jiān)測的衛(wèi)星遙感器氣候定標（ASIC3）專題工作組會議（Ohring 等，2007），會議指出目前衛(wèi)星遙感器在軌輻射定標精度遠不能滿足長期氣候變化監(jiān)測的需要（Fraser 和Datla，2006）。為此，2006年，在NOAA/NESDIS的建議下，WMO 批準建立空基全球交叉定標系統(tǒng)（GSICS）（Goldberg 等，2011），以推動衛(wèi)星遙感器的在軌輻射定標國際協(xié)作研究和方法統(tǒng)一，特別是交叉輻射定標方法研究。這些國際行動提出了長時間全球氣候變化監(jiān)測的衛(wèi)星儀器定標系統(tǒng)化方案，為后來國際上遙感衛(wèi)星資料的業(yè)務(wù)迭代再定標再處理指明了發(fā)展方向，最成功的實例莫過于EOS/MODIS 業(yè)務(wù)定標反復(fù)再更新，現(xiàn)在已經(jīng)提供全球用戶第6 版本C6 數(shù)據(jù)集（Platnick 等，2017），C7版本正在測試中。中國自20世紀90年代開始建立以敦煌和青海湖兩個場地為主的中國遙感衛(wèi)星輻射校正技術(shù)系統(tǒng)，該技術(shù)系統(tǒng)服務(wù)于氣象、陸地、海洋和環(huán)境多個衛(wèi)星序列光學遙感器的絕對輻射校正（Hu等，2010），但主要是基于年度試驗開展的零星輻射校正工作，不能實現(xiàn)在軌遙感器和歷史遙感儀器的連續(xù)定標和全壽命周期再定標處理。

國內(nèi)對于歷史資料再定標和初級氣候產(chǎn)品數(shù)據(jù)集構(gòu)建的研究較少，相關(guān)研究主要集中在定量遙感產(chǎn)品氣候數(shù)據(jù)集生產(chǎn)上。2008 年曾開展了面向氣候應(yīng)用的氣象衛(wèi)星長序列歷史數(shù)據(jù)集統(tǒng)一輻射再定標技術(shù)研究，主要針對國家衛(wèi)星氣象中心1999 年以來存儲的FY-1C/D L1B 資料進行再定標處理（胡秀清，2012）。其中借鑒了國際上提出的多種輻射定標方法（顧行發(fā) 等，2013；馬靈玲 等，2023；Arai，2001），包括基于地面長期穩(wěn)定目標（如利比亞沙漠）的場地定標方法，不同遙感器（極軌—極軌衛(wèi)星、極軌—靜止衛(wèi)星、靜止—靜止衛(wèi)星）的交叉輻射定標和利用月球的輻射定標方法，并取得了可喜的成果。2018 年開始在科技部重點研發(fā)項目支持下，系統(tǒng)性開展面向國產(chǎn)衛(wèi)星長時間序列定標研究的輻射基準建立，以及多方案融合綜合定標方法和精細化定標模型研究，解決了太陽反射波段長期依賴外場定標技術(shù)的限制，發(fā)展多目標寬動態(tài)范圍的太陽反射波段歷史再定標技術(shù)。針對紅外波段重點解決黑體自發(fā)射和測溫誤差、太陽污染以及光譜漂移等一系列影響黑體定標的問題，發(fā)展基于黑體自發(fā)射模型的熱發(fā)射波段歷史再定標技術(shù)。

面向多系列國產(chǎn)遙感衛(wèi)星光學載荷歷史數(shù)據(jù)一致性輻射再定標共性技術(shù)問題，本文系統(tǒng)性論述了長序列歷史衛(wèi)星資料歷史定標輻射基準構(gòu)建方法，介紹如何基于海量大數(shù)據(jù)挖掘建立光學載荷歷史輻射基準，包括各類地球穩(wěn)定目標輻射基準和月球天體基準，以及國際公認的基準參考儀器。構(gòu)建同類儀器精細定標物理模型、載荷間輻射基準傳遞模型和同一儀器壽命期內(nèi)輻射響應(yīng)及衰變特征模型，為光學載荷長序列歷史數(shù)據(jù)定標再處理提供科學算法和精度驗證方法支撐。

2 光學遙感儀器再定標的歷史輻射基準構(gòu)建

不同于一般意義上的場地定標，衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)再定標將面臨沒有輻射校正場星地同步觀測的問題，因此，必須通過補救或復(fù)盤回溯的技術(shù)手段，尋找具有可靠輻射特性的自然穩(wěn)定目標作為歷史資料再定標的有效輻射源。目前國際上常用的穩(wěn)定目標主要有月球和恒星為代表的天體目標，以及深對流云、穩(wěn)定沙漠場、永久冰川、海洋耀斑、干潔海洋瑞利散射等地球穩(wěn)定目標。我們先后發(fā)展了基于地球表面、空中云團和地外天體等穩(wěn)定目標的衛(wèi)星在軌替代定標技術(shù)，甄選補充了中國境內(nèi)的地球穩(wěn)定目標場和目標特征建模，為光學載荷高頻次、寬動態(tài)覆蓋、高精度的歷史數(shù)據(jù)再定標提供歷史輻射基準。

非洲、南美洲以及中國西北沙漠目標（如敦煌戈壁）、南北極冰川目標（Dome C和Greenland）、深對流云DCC（Deep Convective Cloud）及月球目標是目前國內(nèi)外遙感衛(wèi)星傳感器在軌替代定標方法中應(yīng)用最為廣泛的穩(wěn)定目標。圖1提供了用于輻射定標研究的各種穩(wěn)定目標的示意圖像，如沙漠穩(wěn)定目標，洋面耀斑，DCC，月球等，作為輻射參考被用于衛(wèi)星儀器的輻射定標。單獨基于這些穩(wěn)定目標的重復(fù)觀測可以監(jiān)測遙感儀器的衰減情況。如果基于該目標通過輻射傳輸模式RTM、大氣頂輻射參考模型、輻射參考儀器的交叉，則可以對遙感儀器進行絕對輻射定標?？紤]到不同的輻射基準，其輻射動態(tài)范圍不一樣，如月球的反射率一般為10%，因此使用單一的輻射基準源進行定標，難以覆蓋遙感儀器的輻射動態(tài)范圍；此外，不同輻射基準源適用的波段也有所差別，如DCC由于具有較高的反射率，在較窄動態(tài)范圍的海色波段容易飽和。反射太陽波段的輻射基準源類型及其特點如表1所示。本文主要綜述建立高穩(wěn)定度的自然目標輻射基準源，為多平臺不同時期的光學遙感儀器提供一致的輻射參考，解決跨平臺儀器之間長序列輻射觀測數(shù)據(jù)不一致的問題。

表1 反射太陽波段輻射基準源類型及其特點Table 1 Types and characteristics of radiation reference sources in the reflected solar bands

圖1 典型穩(wěn)定目標圖Fig.1 Typical stable target

2.1 沙漠穩(wěn)定目標

沙漠場地的輻射穩(wěn)定性在可見—近紅外譜段約為2%，在短波紅外譜段約為2%—3%（Helder等，2010；Teillet 等，2007）。利用穩(wěn)定目標進行絕對輻射定標時，衛(wèi)星過境時刻遙感儀器觀測方向的目標方向反射率是關(guān)鍵參數(shù)之一。但對于國產(chǎn)歷史遙感衛(wèi)星的光學載荷，不同時期觀測的穩(wěn)定目標地表反射率數(shù)據(jù)的缺乏，是對其進行歷史再定標工作的主要難點。王玲等（2022）基于長時間序列的MODIS BRDF 模型參數(shù)產(chǎn)品，采用統(tǒng)計分析的方法，建立了全球典型沙漠穩(wěn)定目標的逐月方向反射率參考模型。根據(jù)目標的空間均勻性、時間穩(wěn)定性、反射率大小以及地域代表性等方面，挑選出了26 個國內(nèi)外沙漠穩(wěn)定目標。其中國內(nèi)的沙漠目標選取了13 個，均勻地分布在新疆塔克拉瑪干沙漠、甘肅的戈壁、內(nèi)蒙古沙漠和柴達木盆地，每個地區(qū)約3—4 個目標（Hu 等，2020）。國外的沙漠目標也選取了13個，主要分布在非洲、中東、北美和澳大利亞沙漠戈壁地區(qū)。研究結(jié)果顯示，國外沙漠目標反射率高于國內(nèi)沙漠穩(wěn)定目標，如在645 nm 處，國內(nèi)目標Ross-Li模型的fiso參數(shù)為0.22—0.38，國外沙漠目標為0.38—0.53。因此在穩(wěn)定目標輻射定標應(yīng)用中，聯(lián)合使用國內(nèi)外沙漠穩(wěn)定目標，有助于增大遙感儀器輻射定標的動態(tài)范圍。

基于上述13個國內(nèi)西北地區(qū)的沙漠場地輻射基準模型，結(jié)合大氣參數(shù)，利用輻射傳輸模式，對高分一號寬幅成像儀WFV 和FY-3D/MERSI-Ⅱ自發(fā)射至今的觀測數(shù)據(jù)進行了重新定標研究（圖2）。重新定標后，兩者的反射率時間序列波動性（CV）均減小。尤其波段4，WFV 由14%降低到4%。波段4 的反射率差異減小，由相差-14%，降低到-2%，光譜訂正后差異進一步降到-0.4%（圖3）。

圖2 基于國內(nèi)沙漠基準場地的GF-1/WFV與MERSI-Ⅱ輻射定標散點結(jié)果圖Fig.2 Scatter plot of WFV and MERSI-Ⅱ radiometric calibration based on domestic desert reference site

圖3 基于國內(nèi)沙漠基準場地的GF-1 WFV與FY-3D/MERSI-Ⅱ輻射定標散點結(jié)果圖Fig.3 Time series of WFV and MERSI-Ⅱ top of atmosphere reflectance before and after re-calibration

為了驗證上文建立的沙漠穩(wěn)定目標的方向反射率參考模型，2019 年—2021 年連續(xù)三年，在敦煌輻射校正場、青海省大柴旦附近的小柴達木湖，十道班和騰格里沙漠附近的烏海、阿拉善等地進行了多次基于無人機平臺的地表BRDF 觀測試驗，并基于Ross-Li 核驅(qū)動模型推算了場地BRDF 模型參數(shù)（圖4）。同時，實驗獲取的西北地區(qū)沙漠場地BRDF 與MODIS 的陸表BRDF 產(chǎn)品（MCD43C1）及反射率產(chǎn)品（MOD/MYD09）進行了對比驗證。驗證結(jié)果表明，基于無人機觀測平臺獲取的沙漠目標地表BRDF參數(shù)與MODIS遙感產(chǎn)品有良好的一致性，各波段的相對偏差在5%以內(nèi)（陶炳成 等，2021；何玉青 等，2023）。

圖4 4個觀測場地的方向反射比因子觀測結(jié)果在空間上的分布Fig.4 Site directional reflectance factor measurements at four different sites

何興偉等（2022）基于中國西北地區(qū)的10 個沙漠場獲取的地表反射率光譜觀測試驗數(shù)據(jù)，參考Miesch（2003）提出的反正切模型，構(gòu)建了沙漠地表反射率光譜四參數(shù)模型，簡化了沙漠場景輻射基準場的光譜表征。結(jié)果顯示，大部分場地的光譜曲線均表現(xiàn)出相似的光譜特征：光譜反射率在450 nm 以下較低，在550—600 nm 迅速增加，在800 nm 以上趨于平穩(wěn)，不同場地光譜曲線的區(qū)別主要為550 nm 附近曲線斜率以及在450 nm 和800 nm 附近反射率值不同。小柴旦湖西場地的光譜模型和實測光譜計算的大氣頂層反射率差異在1%以內(nèi)，其他場地在3%以內(nèi)。

2.2 永久冰川目標

與沙漠目標相比，冰川目標具有更好的空間一致性和時間穩(wěn)定性，Cao 等（2010）對Dome C的長期輻射穩(wěn)定性研究表明，極地冰川目標可見光波段的反射率年際變化在2%以內(nèi)，10年的變化可達1.5%以內(nèi)，可以滿足不同儀器間定標跟蹤要求。而且極地冰川具有較高的光譜反射率，在近紫外—可見波段（300—700 nm）范圍內(nèi)，反射率在97%以上（Masonis 和Warren，2001），而沙漠目標基本在0.3—0.5（Hu 等，2010）。另外，極地冰川具有海拔高（海平面3 km以上）、大氣影響小等優(yōu)點（Wu 等，2009）。Smith 等（2002）的研究表明，冰雪目標的表觀反射率與太陽天頂角之間的關(guān)系可以用二次多項式表示。王玲等（2018）基于2002 年—2010 年期間Aqua MODIS L1B 數(shù)據(jù)，結(jié)合Smith 等（2002）提出的冰雪目標反射率與太陽天頂角之間的關(guān)系，建立了南極Dome C、北極Greenland 和中國青藏高原地區(qū)昆侖峰永久冰川目標的大氣頂反射率輻射基準模型，如圖5 所示。3 個冰雪目標的大氣頂輻射模型的數(shù)學形式也顯示在圖中，利用這一參數(shù)化公式，結(jié)合太陽天頂角，可以計算出，在近星下點觀測條件下衛(wèi)星觀測的大氣頂表觀反射率。

圖5 基于2002年—2010年期間Aqua MODIS L1B數(shù)據(jù)獲取的永久冰川目標上空近星下點觀測條件下大氣頂反射率與太陽天頂角散點圖Fig.5 Scatter plot of atmospheric top reflectance and solar zenith from permanent glacier targets during 2002—2010

2.3 深對流云DCC目標

與傳統(tǒng)的沙漠和冰川目標相比，DCC 是熱帶輻合帶最明亮的目標，具有更穩(wěn)定的反射率以及接近朗伯體（Lambertian）各向同性的反射特征。當使用大集合統(tǒng)計方法研究反射特性時，DCC 被認為是不變的地球目標。同時，DCC 位于對流層頂部，其反射率受水汽和氣溶膠吸收的影響非常小?；贒CC 目標的定標方法目前已被全球天基衛(wèi)星交叉定標系統(tǒng)（WMO/GSICS）列為可見光至短波紅外波段替代定標方案之一。

Hu 等（2004）最早根據(jù)紅外通道亮溫閾值與光學厚度識別DCC 目標，通過跟蹤DCC 月度反照率的變化評估MODIS 等儀器的輻射性能穩(wěn)定性。Doelling 等（2013）基于具有高定標精度的Aqua/MODIS 傳感器數(shù)據(jù)的長時間序列跟蹤結(jié)果表明，DCC反射率在0.65 μm通道每十年的變化率在0.2%以內(nèi)，證明了DCC 是穩(wěn)定的反射目標。Bhatt 等（2017）利用DCC 與沙漠目標評估MODIS 在軌輻射響應(yīng)隨掃描角度變化RVS（Response Versus Scan-angle）的性能變化，驗證了DCC 定標方法的可靠性。隨后，Bhatt 等（2017）基于定標穩(wěn)定的MODIS 傳感器數(shù)據(jù)，重新建立了針對短波紅外通道的DCC月度BRDF模型，有效提高了DCC反射率時間序列的穩(wěn)定性。Wang 等（2022）基于DCC 目標評估了Suomi/NPP 和NOAA-20/VIIRS 的10 年長期校準穩(wěn)定性和通道間的一致性，對氣候研究提供了數(shù)據(jù)支撐。周為偉等（2023）基于Himawari-8成像儀觀測幾何角度數(shù)據(jù)將DCC 反射率歸類為不同區(qū)間，利用區(qū)間平均反射率來表征BRDF特征實現(xiàn)建模，在短波紅外通道具有較好的各向異性校正效果。

基于DCC 目標的輻射定標方法可用于大部分遙感衛(wèi)星光學傳感器。圖6展示了FY-3D/MERSI-Ⅱ數(shù)據(jù)統(tǒng)計的2022 年4 月DCC 全球地理位置分布頻次圖。通過跟蹤DCC 統(tǒng)計值長時間序列變化趨勢監(jiān)測評估傳感器輻射響應(yīng)性能，目前國內(nèi)采用DCC 作為光學遙感器在軌定標跟蹤最多的是風云氣象衛(wèi)星（Chen等，2013；張北 等，2023）。

圖6 DCC全球地理位置分布頻次圖（2022年4月FY-3DMERSI-Ⅱ數(shù)據(jù)）Fig.6 Geographic Location Distribution Map of global DCC（FY-3DMERSI-Ⅱ data in April 2022）

2.4 月球目標歷史輻射基準

月球是地球軌道遙感器觀測除太陽外視張角最大的天體目標，反射率范圍與地球上的陸表裸地場景接近，且反射率特性長期保持穩(wěn)定（10-8）（Stone 和Kieffer，2004）。作為一個眾所周知的穩(wěn)定目標，月球提供了獨立于地球穩(wěn)定目標的地外輻射參考，適合作為對地觀測衛(wèi)星在軌定標以及歷史數(shù)據(jù)再定標的基準源（Jing 等，2023）。當使用月球進行輻射定標和儀器穩(wěn)定性監(jiān)測時，需要一個復(fù)雜模型來描述相位角、非均勻反照率、距離和天平動引起的月球亮度變化，以此匹配不同傳感器在不同觀測幾何條件進行的月球觀測。

近二十年，國內(nèi)外陸續(xù)開展了覆蓋不同平臺的月球輻射測量，包括地面、高空以及地球和月球軌道航天器，不少學者利用這些觀測成功推導(dǎo)出反射太陽波段的月球輻射模型（Jing等，2023），圖7綜合展示了國內(nèi)外各種月球模型發(fā)展和月球觀測試驗。例如，在地基月球觀測方面，美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的ROLO 模型，綜合多種數(shù)據(jù)來源的MT2009 模型，ESA 利用CE318-TP9 光度計的高海拔觀測改進得到的LIME 模型。其中，ROLO 模型進一步由全球空基交叉定標系統(tǒng)成員合作開發(fā)，衍生出GIRO（GSICS implementation of the ROLO）模型，作為通用的月球輻射參考。在航天器觀測方面，EUMETSAT 基于對地觀測儀器ENVISAT/SCIAMACHY 領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了LESSSR 模型；嫦娥一號的IIM儀器，印度月船一號（Chandrayaan-1）上的M3 儀器，以及日本的月球探測器SELENE/SP 的光度研究加深了對月球輻射特性的認識。其中，由SP 數(shù)據(jù)推導(dǎo)的模型能模擬任意觀測條件的月球輻亮度圖像。隨著日益苛刻的定標精度要求。目前，正在進行更多的高精度觀測以改進月球模型，例如：中國自2015 年開始在麗江開展長期地基月球輻射觀測試驗和數(shù)據(jù)建模試驗（Wang 等，2017，2020），NASA 和NIST 領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)合作的空基月球光譜輻照度（air-LUSI）項目，致力于在可見近紅外光譜區(qū)域獲取低不確定度（＜0.5%，k=1）的高光譜月球輻照度，NASA 贊助的天基小衛(wèi)星ARCSTONE 任務(wù)計劃在軌通過太陽交叉定標技術(shù)以類似的精度獲取寬范圍月相角的月表反射率數(shù)據(jù)（Swanson等，2020）。

圖7 國內(nèi)外月球輻照度模型和月球觀測活動以及任務(wù)概念的簡要概括Fig.7 Brief summary of lunar irradiance models and lunar observation campaigns along with mission concepts over global research

絕大多數(shù)地球軌道衛(wèi)星都可以在軌獲取月球圖像，通常有兩種模式：例如，低地球軌道衛(wèi)星儀器可以通過姿態(tài)機動實現(xiàn)周期性的月球觀測。業(yè)務(wù)衛(wèi)星不會頻繁的實施大角度機動甚至常規(guī)機動，但月球可能會出現(xiàn)在設(shè)置有冷空觀測窗口的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中（如：MODIS、MERSI 和VIIRS），這些事件可以通過空間關(guān)系事先預(yù)測。對于地球靜止軌道衛(wèi)星儀器，月球有時會和地球圓盤一起出現(xiàn)在儀器視場中（如：AGRI、ABI）。被動測量情況下，獲取的月球圖像數(shù)量可能難以滿足關(guān)鍵的在軌定標需求，需要安排更多的時間和資源以便收集到特定月相角范圍的觀測，以盡量減少模型在不同觀測幾何條件模擬的不確定度。同時考慮替代定標方法作為補充和相互比較。

基于月球輻射模型的月球定標方法通過月球光譜輻照度實現(xiàn)，使用較多的GIRO 和MT2009 模型絕對精度受到限制，最典型的應(yīng)用是分析儀器響應(yīng)的時間穩(wěn)定性。陳林等（2018）利用FY-2E/VISSR 的對月觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合ROLO 月球輻照度模型，得到了儀器輻射響應(yīng)的衰減情況，可見光通道總衰減率約為9.2%，與深對流云（DCC）目標替代定標方法得到的8.1%的衰減十分接近。吳榮華等（2016）通過雙通道月球輻射的比值方法（LBR）來回避觀測幾何和月相角的影響，以穩(wěn)定的通道3為比對參考，將比值輻照度隨時間的線性變化得出其它通道的衰減率，分析了FY-3C/MERSI基于月球觀測的相對定標。月球因為沒有大氣影響，可以作為交叉定標的傳遞基準。Zhang 等（2019a）提出以月球為中間參考的交叉定標，將參考衛(wèi)星觀測到的月球反射率與實驗室Apollo月球樣本反射率混合，形成高光譜反射率作為待定標衛(wèi)星的參考光譜，然后通過擴展的雙差法實現(xiàn)觀測幾何校正。Eplee 等（2011）使用月球觀測對SeaWiFS 和MODIS 進行交叉定標，得到MODIS 儀器之間的一致性為1%—3%，SeaWiFS 和MODIS 之間的交叉定標一致性為3%—8%。此外，吳榮華等（2019）針對FY-3D/MERSI-Ⅱ總結(jié)了單探元多幀圖像和多探元單幀圖像月球數(shù)據(jù)提取及過采樣因子計算方法，分析得出多元單幀圖像計算的輻照度穩(wěn)定性優(yōu)于單探元觀測結(jié)果。進一步地，針對該儀器探索了基于月球觀測的絕對輻射定標方法，將ROLO 模型值作為絕對參考計算定標系數(shù)（Wu等，2020）。

2.5 輻射參考儀器

基于國際上公認高精度參考儀器，采用國產(chǎn)衛(wèi)星歷史軌道和參考衛(wèi)星同時過星下點觀測（SNO）和近重疊觀測（SNOx），實現(xiàn)國產(chǎn)衛(wèi)星與參考儀器的歷史數(shù)據(jù)輻射基準傳遞。目前國際上常用的高精度參考儀器如MODIS、IASI、AIRS 以及CrIS（Xiong和Barnes，2006b；Loveless等，2023）。MODIS光譜覆蓋0.4—12 μm，空間分辨率為250 m，500 m 和1 km。在可見光和近紅外波段處的輻射定標精度約2%，短波紅外約為3%，熱紅外波段的亮溫精度優(yōu)于±0.2 K（Chang和Xiong，2011）。CrIS的光譜覆蓋650-2550 cm-1，星下點空間分辨率約為14 km。CrIS 在長波處的輻射測量不確定度優(yōu)于0.3 K（k=3），中波和短波處的輻射觀測不確定度優(yōu)于0.2 K（k=3）。AIRS 的光譜范圍為649—2702 cm-1，星下點空間分辨率約為13.5 km。當亮溫＞260 K 時，大部分通道的觀測不確定度優(yōu)于0.25 K（k=1），亮溫為210—260 K 時，觀測不確定度優(yōu)于1 K（k=1）。IASI的光譜覆蓋645—2760 cm-1，光譜采樣間隔0.25 cm-1，星下點空間分辨率約為12 km，測量不確定度優(yōu)于0.1 K（k=1）（Pagano等，2020）。

為實現(xiàn)多遙感器長時間序列輻射數(shù)據(jù)的一致性定標，在單一遙感器數(shù)據(jù)再定標的基礎(chǔ)上，通過重疊期觀測或者穩(wěn)定目標輻射傳遞等進行不同平臺遙感器觀測數(shù)據(jù)的一致性校正時，還需考慮不同遙感器光譜響應(yīng)差異的影響，以及軌道漂移所造成的觀測時間與觀測幾何差異的影響。

基于2020 年1—4 月6 個紅外通道的AGRI 與IASI 和CrIS 交叉匹配的數(shù)據(jù)，采用雙差方法評估了IASI 和CrIS 儀器的不確定度，結(jié)果如圖8 和表2所示。評估結(jié)果顯示，IASI和CrIS儀器在6個熱紅外波段處的亮溫偏差均小于0.2 K，說明CrIS 和IASI具有較高的輻射定標精度。

表2 基準儀器熱紅外波段亮溫偏差測試結(jié)果Table 2 Bright temperature deviation test results of the thermal infrared band of the reference instrument

圖8 AGRI等6個熱紅外波段亮溫偏差分布結(jié)果圖Fig.8 Results of bright temperature deviation distribution in six thermal infrared bands of AGRI

3 光學遙感儀器再定標方法模型

基于上述建立的穩(wěn)定目標和衛(wèi)星觀測這些目標的數(shù)據(jù)，就可以開展典型遙感儀器長周期輻射響應(yīng)趨勢的低頻特征分析，采用地球穩(wěn)定目標、月球觀測、星上定標源長序列數(shù)據(jù)分析，推演遙感儀器在軌輻射響應(yīng)的長序列衰減規(guī)律，并擬合求解日衰變率，構(gòu)建遙感儀器的衰減模型，推算模型關(guān)鍵參數(shù)，它將作為遙感儀器全生命周期歷史數(shù)據(jù)再定標模型。另外，最新發(fā)展的計算智能挖掘技術(shù)也能用于儀器相對定標和載荷響應(yīng)衰減估計算，實現(xiàn)長序列衛(wèi)星歷史資料的自動再定標。再者，構(gòu)建遙感器完整生命周期內(nèi)在軌遙測工程數(shù)據(jù)長期趨勢分析模型，建立儀器在軌長期性能跟蹤將幫助遙感儀器波動和衰變機理復(fù)合分析。

3.1 基于穩(wěn)定目標的光學遙感儀器長序列衰變模型

由于發(fā)射過程影響和空間運行期間傳感器退化影響，實際遙感儀器的定標系數(shù)很難保持恒定。為了監(jiān)測傳感器輻射響應(yīng)變化，許多衛(wèi)星傳感器都配備了星上定標器，如內(nèi)置的光源、太陽漫射板（SD）和黑體。對于沒有星上定標器的傳感器，通?；谛l(wèi)星針對穩(wěn)定目標觀測數(shù)據(jù)對遙感儀器退化進行監(jiān)測并訂正。

穩(wěn)定目標通常具備的特征包括：（1）高光譜反射率（可見近紅外波段在30%以上），以增加信噪比，降低大氣程輻射的影響；（2）空間均一：大范圍平坦的表面，少量或無植被覆蓋；（3）時間穩(wěn)定：目標特征，如反射率、雙向反射率分布函 數(shù)BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function），隨時間基本不變；（4）近似朗伯體，以減少由于太陽入射能量和衛(wèi)星觀測幾何變化導(dǎo)致的衛(wèi)星接收信號的改變；（5）反射率光譜平坦，這對于多個傳感器進行交叉定標時比較重要（Bannari等，2005；De Vries 等，2007；Chander 等，2010）。位于非洲、沙特以及我國敦煌、小柴旦湖西和騰格里等沙漠目標，以及極地和青藏冰川目標、深對流云以及月球目標被廣泛用于監(jiān)視遙感儀器輻射響應(yīng)穩(wěn)定性。利用穩(wěn)定目標進行遙感儀器輻射響應(yīng)穩(wěn)定性跟蹤監(jiān)測的原理是基于穩(wěn)定目標具有較高輻射穩(wěn)定性的特點，在假設(shè)大氣穩(wěn)定和晴空情況下，對目標的BRDF 效應(yīng)（月球目標為月相、天平動和月—地距離）進行訂正后，如果遙感儀器在穩(wěn)定目標上空的輻射觀測是平穩(wěn)的，表明儀器的輻射響應(yīng)沒有發(fā)生退化；否則，認為遙感儀器的輻射響應(yīng)存在退化現(xiàn)象。光學器件在太空環(huán)境中的輻射退化通常呈指數(shù)衰減的模式（Heidinger等，2003）。

對風云三號衛(wèi)星的MERSI或VIRR 反射通道的輻射退化規(guī)律的研究結(jié)果表明，波長小于500 nm的藍光波段衰減較大，如MERSI 的波段1，8，9，10，VIRR 的波段7和8（Chen等，2013；王玲 等，2018；Wang 等，2018）。波長越短衰減越大，如MERSI的波段8（412 nm），VIRR的波段7（455 nm）。FY-3A MERSI 的波段8 和FY-3A VIRR 波段7 的年衰減率接近10%。波長大于600 nm 的紅光和近紅外波段最為穩(wěn)定，對于MERSI 年衰減率可在0.5%以內(nèi)；波長在500—600 nm 的綠光波段，衰減率介于藍光和紅光之間。此外儀器的輻射效應(yīng)衰減呈現(xiàn)在軌初期的衰變最大，在軌運行一年之后衰變速度趨緩的變化特點。

3.2 反射太陽波段綜合定標模型

針對光學遙感儀器歷史數(shù)據(jù)再定標的需求，本研究建立的基于輻射衰減估計的歷史再定標模型，該模型包括輻射衰減估計和在軌初期絕對定標系數(shù)估計兩個部分。即根據(jù)遙感儀器在輻射基準源上空的長時間觀測數(shù)據(jù)，對遙感儀器的輻射衰減進行估計，獲得定標系數(shù)修正量的時間序列；然后結(jié)合在軌初期的絕對定標系數(shù)獲得其他時刻的輻射定標系數(shù)。

為了針對每個通道建立最佳的再定標模型，在輻射衰減估計以及絕對定標系數(shù)估計時，融合使用了多個輻射基準源，即針對不同的光譜通道，選用了不同的輻射基準源組合方案。由于不同類型的輻射基準源樣本數(shù)據(jù)的量綱不同，如月球目標是輻照度，基準儀器是反射率，無法進行直接匹配和融合，所以首先需要對它們進行量綱的統(tǒng)一。為解決不同樣本融合問題，首先將所有輻射基準源樣本數(shù)據(jù)進行了歸一化處理（圖9）。然后，將量綱轉(zhuǎn)換為與歸一化的DN 值相同，以獲得具有相同量綱的樣本數(shù)據(jù)。在軌初期的絕對定標系數(shù)估計采用了徐娜等（2015）提出的綜合定標方法。

圖9 FY-3A MERSI-Ⅰ太陽反射波段衰減跟蹤函數(shù)；藍色為DCC樣本數(shù)據(jù)，紅色為多場地樣本數(shù)據(jù)，綠色為交叉定標樣本數(shù)據(jù)，黑色為衰減跟蹤函數(shù)；degradation all為全時間序列的總衰減率，degradation avg為平均的年衰減率Fig.9 FY-3A MERSI-Ⅰ Solar reflection band attenuation tracking function；blue is DCC sample data，red is multi-site sample data，blue is cross-calibration sample data，black is attenuation tracking function；degradation all is the total decay rate of full time series，and degradation avg is the average annual decay rate

3.3 基于人工智能的光學遙感儀器長序列衰變模型

隨著機器學習和人工智能的發(fā)展，一些基于統(tǒng)計和回歸的數(shù)學方法也逐漸的開始應(yīng)用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和分析中。對多通道衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行長序列的衰變跟蹤或相對定標，則要綜合各個通道的信息，在多時相數(shù)據(jù)的變化場景中識別出偽不變目標。迭代加權(quán)多元變化檢測變換（IR-MAD）技術(shù)采用統(tǒng)計學原理，尋求一種變換以綜合衛(wèi)星各個通道信息，從而自動檢測出兩個不同時相間衛(wèi)星觀測場景中的不變特征。實踐表明該方法非常有效，精度與手動選取偽不變特征方法相當（王俊偉 等，2019）。

王俊偉等（2019）利用IR-MAD 方法對北非地區(qū)超過5 年的FY-3A/MERSI 時間序列數(shù)據(jù)進行了分析，獲得了不同時期及不同時間間隔的傳感器相對增益的測量值的序列數(shù)據(jù)集。圖10 展示了利用IR-MAD 方法獲得的FY-3A/MERSI 各通道隨時間的衰變曲線，由于其通道數(shù)量較多，這里只展示了部分具有不同衰減量通道?？梢钥吹?，盡管不同通道具有不同的衰減特性，IR-MAD方法依然可以準確地評估其趨勢。通過與其它替代定標的方法進行比較，利用IR-MAD 方法獲得的儀器衰變具有很好的一致性，其大部分通道結(jié)果的偏差在1%—2%左右，通道8為短波藍色通道，偏差為4%—5%，其偏差主要是受大氣影響的制約。整個過程非常的簡單、快速而且是完全自動的，足以媲美通過手動獲得時不變特征，進而相對定標得到的結(jié)果。

圖10 利用IR-MAD方法獲得FY-3A/MERSI典型通道響應(yīng)衰減曲線Fig.10 Degradation trends of FY-3A/MERSI channels by IR-MAD method

隨著深度學習的發(fā)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也逐漸被利用于遙感的各個領(lǐng)域。同樣，深度學習也被利用在遙感圖像的變化檢測中，這往往需要對場景中的變化區(qū)域進行標記用以訓練網(wǎng)絡(luò)。對于基于偽不變目標的定標任務(wù)來說，往往需要確定由不同時間獲得的圖像場景中不變的點，即偽不變點。通過衛(wèi)星傳感器對偽不變目標不同時間的觀測，以進行相對輻射定標。通過對長序列的數(shù)據(jù)進行分析，即可對儀器的長期衰變進行跟蹤和定標。

Li 等（2022）通過在FY-3A&3B&3C/VIRR 上的實驗，驗證了基于深度學習方法的有效性，與多場地定標方法的結(jié)果具有很好的一致性。對于三顆衛(wèi)星上的VIRR 大部分通道來說，IR-MAD 的定標結(jié)果和多場地定標的結(jié)果偏差均小于2%，個別通道最大為4%。

3.4 熱紅外波段再定標模型

紅外遙感器的輻射響應(yīng)一般跟儀器環(huán)境溫度和狀態(tài)高度相關(guān)，跟蹤分析遙感器在軌運行的遙測參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)的長期變化，提取長期的星上狀態(tài)數(shù)據(jù)（黑體溫度、儀器溫度和輻冷溫度）和遙感器掃描黑體及冷空間數(shù)據(jù)，剔除一些偶然的數(shù)據(jù)波動，保持狀態(tài)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，揭示儀器在軌運行狀態(tài)的變化規(guī)律，建立遙感器在軌運行狀態(tài)參數(shù)跟蹤分析與輻射響應(yīng)模型，針對傳統(tǒng)的定標算法依靠冷空和星上黑體進行兩點定標所帶來的對非線性、雜散光等不能很好的處理的問題，要消除上述問題必須發(fā)展基于儀器背景輻射（徐寒列 等，2023）和雜散光影響的物理算法（朱吉彪 等，2021），還有儀器光譜響應(yīng)的測不準和在軌變化也是導(dǎo)致定標精度下降另一個難題。這里以風云三號上兩個典型紅外儀器的再定標模型改進技術(shù)做一個綜述。

3.4.1 IRAS再定標精細化模型

紅外分光計（IRAS）是風云三號上最典型的紅外大氣探測儀器，基于發(fā)射前數(shù)據(jù)建立了IRAS精細化再定標處理模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合儀器發(fā)射前和在軌的狀態(tài)，將光譜響應(yīng)函數(shù)偏移、非線性以及自發(fā)射輻射等額外輻射對定標精度的影響進行綜合考慮，針對在軌樣本數(shù)據(jù)發(fā)展了在軌再定標算法，利用交叉定標的手段完成模型精度評估。將精細化再定標模型應(yīng)用于長序列歷史觀測的定標算法改進，針對FY-3C/IRAS 2014 年—2020 年長時間序列數(shù)據(jù)進行再定標處理，結(jié)果表明，該模型可使長時間序列數(shù)據(jù)集定標精度由1 K—1.5 K 提升至優(yōu)于0.5 K，各通道數(shù)據(jù)偏差特征也得到改進，偏差與目標亮溫的強相關(guān)性減弱，且在長時間序列結(jié)果中表現(xiàn)穩(wěn)定，偏差隨季節(jié)波動現(xiàn)象得到有效改善。具體過程如下：

首先從IRAS 觀測不同目標源接收到的輻射來源出發(fā)建立符合物理原理的定標方程，溯源該過程中可能存在的引入定標誤差的項，并據(jù)此構(gòu)建精細化再定標方案，分別以發(fā)射前和在軌數(shù)據(jù)進行建模擬合，得到模型參數(shù)。結(jié)合自發(fā)射訂正處理的輻射定標的基本方程，發(fā)現(xiàn)影響背景輻射的幾個主要輻射源為基板發(fā)射輻射、黑體反射望遠鏡主鏡和次鏡的發(fā)射輻射以及一些量級較小的散射輻射。模型中最重要的參數(shù)是自發(fā)射輻射項，主要來自儀器的光學元件，由于探測器保持在一個固定的溫度下，這一項的變化決定了隨著儀器溫度的變化而產(chǎn)生的增益的變化。

將自發(fā)射輻射與儀器基板輻射相關(guān)聯(lián)，儀器自發(fā)射輻射是在基礎(chǔ)發(fā)射之外的額外輻射，因此為了更好地擬合其變化規(guī)律可引入一個參考輻射作為自發(fā)射輻射的基準。假設(shè)自發(fā)射項與基板的相對輻射變化值之間存在二次函數(shù)的關(guān)系，可把自發(fā)射輻射表示成如下形式：

式中，b1和b2為待擬合的參數(shù)，RBP代表儀器在觀測狀態(tài)下某一時刻的基板輻射值，RBPmode代表儀器平均狀態(tài)的基板輻射值，作為自發(fā)射的參考輻射。其中，RBP和RBPmode可以通過對應(yīng)的基板觀測溫度計算得到。利用不同工況溫度下的多組數(shù)據(jù)完成精細化定標模型參數(shù)的擬合，由于各通道的自發(fā)射輻射等情況差異較大，需要逐通道分別擬合計算。

圖11 為部分通道的精細化定標與傳統(tǒng)定標結(jié)果對比，由圖可見傳統(tǒng)定標結(jié)果偏差較大，通道1達到了-2.5 K，使用精細化定標模型后，內(nèi)黑體等效溫度與物理溫度的偏差均在0.3 K 以內(nèi)。再定標模型不僅使亮溫偏差有了明顯的減小，偏差隨目標亮溫變化的趨勢也趨于平緩，說明自發(fā)射模型應(yīng)用于發(fā)射前試驗數(shù)據(jù)有良好的改進效果。

圖11 發(fā)射前不同工況溫度下精細化定標與傳統(tǒng)定標結(jié)果內(nèi)黑體等效亮溫和物理溫度偏差Fig.11 Blackbody equivalent light and physical temperature deviation of fine calibration at different operating temperatures before launch

3.5.2 VIRR熱紅外波段再定標模型

風云三號極軌氣象衛(wèi)星所搭載的可見光紅外掃描輻射計（FY-3/VIRR）是繼承了風云一號多通道掃描輻射計（MVISR），風云三號的A、B、C星均搭載了該儀器，三顆星共提供了自2008 年以來10 余年的對地觀測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)長時間序列的地球物理參數(shù)定量反演，VIRR 歷史數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于氣候研究和氣候服務(wù)的各個方面。FY-3/VIRR 紅外通道采用的是星上黑體—冷空兩點法定標，早期的AVHRR、MODIS 以及后來的VIIRS、MERSI、高分辨率對地觀測紅外相機等國內(nèi)外光學成像類儀器的紅外通道均采用該定標方法（Walton 等，1998；Xiong 等，2006；趙艷華 等，2021）。然而由于早期的認知水平和儀器制造工藝的限制，業(yè)務(wù)定標過程可能會存在一些考慮不全之處，使得L1 輻射級業(yè)務(wù)存檔數(shù)據(jù)存在明顯的系統(tǒng)性偏差及偏差的時空變化特征。

徐寒列等（2023）以國際公認的輻射定標精度較高的紅外高光譜探測器Metop-B/IASI 為參考儀器，利用SNO匹配數(shù)據(jù)對FY-3C/VIRR熱紅外通道偏差特征進行長時間序列跟蹤，發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)定標偏差存在3個明顯特征：偏差的非線性特征、偏差的晝夜差異性以及季節(jié)變化特征。FY-3C/VIRR 紅外通道的定標偏差來源主要有兩個，一是業(yè)務(wù)的定標模型采用線性定標加非線性能量修正的方式，該定標模型中當黑體溫度發(fā)生變化時，本質(zhì)上改變了二次項系數(shù)，由此會引入定標偏差；二是星上黑體輻射計算中對黑體發(fā)射率不為1所產(chǎn)生的反射環(huán)境輻射部分的考慮不周所引起的差異，從而出現(xiàn)偏差的非線性特征以及偏差的晝夜差異和季節(jié)變化特征。

針對FY-3C/VIRR 熱紅外通道的偏差現(xiàn)象重構(gòu)了再定標模型。該模型基于二次擬合的定標方案，采用VIRR 和參考載荷IASI的SNO匹配數(shù)據(jù)，確定了定標模型的常數(shù)項和二次項系數(shù)；并使用IASI的參考輻射和二次定標模型，對定標時刻星上黑體的路徑輻射進行了模型構(gòu)建，以星上黑體的物理溫度作為環(huán)境輻射的代理數(shù)據(jù)，分析黑體溫度偏差與黑體物理溫度的關(guān)系，進而構(gòu)建星上黑體路徑輻射模型，并基于SNO匹配數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)。

徐寒列等（2023）以Metop-B/IASI 為參考儀器，評估了VIRR熱紅外通道2018年業(yè)務(wù)定標和再定標的偏差結(jié)果。評估結(jié)果顯示，業(yè)務(wù)定標結(jié)果偏差的晝夜差異較大，白天的定標偏差明顯大于夜間，晝夜偏差差異在冬季普遍達到了0.35 K以上，冬季晝夜差異較大，2018年的1月、11月和12月的SNO匹配樣本中，白天和夜間的業(yè)務(wù)定標偏差之差分別達到-0.38 K、-0.412 K和-0.436 K；對數(shù)據(jù)進行再定標修正后，冬季3個月的偏差的晝夜差異分別為-0.038 K、-0.047 K和-0.099 K，晝夜差異均小于0.1 K，說明再定標模型對冬季晝夜偏差的差異改進效果非常明顯。在偏差的季節(jié)變化方面，2018年逐月的白天匹配樣本統(tǒng)計結(jié)果中，偏差最大月份與偏差最小月份分別是12 月和6 月，之間差異達到0.665 K；修正后的結(jié)果中，全年偏差最大月份與偏差最小月份的差異在0.2 K 左右，說明隨著該模型對偏差晝夜差異的改進，偏差的季節(jié)變化尤其是白天數(shù)據(jù)的偏差季節(jié)變化也得到了明顯的改進。

4 光學遙感儀器輻射響應(yīng)機理復(fù)合分析

光學遙感儀器在軌工作除了自身元件及系統(tǒng)的性能退化，還會受到一序列復(fù)雜因素如雜散光、串光、偏振、溫度等的影響，從而產(chǎn)生性能衰變和數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。光學載荷儀器外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組件和衛(wèi)星軌道特征均在不同程度上產(chǎn)生輻射偏振、電子信號串光以及雜光污染，從而造成目標輻射測量值與真實值之間的差異，最終產(chǎn)生定標誤差。基于遙感儀器的光機電架構(gòu)，開展儀器內(nèi)部光學系統(tǒng)、探測器件和電子學信號采集的輻射傳遞鏈路仿真分析，以此分別獲得偏振、串光、雜光的產(chǎn)生機理及其對定標模型的影響，再綜合各項因素，構(gòu)建多因子關(guān)聯(lián)定標訂正模型，研究的技術(shù)思路如圖12 所示。通過實驗室仿真測試，結(jié)合歷史儀器關(guān)鍵定標參數(shù)復(fù)測，對多個因素及綜合模型的模擬仿真結(jié)果進行對比分析，以驗證與完善定標影響模型。對光學遙感儀器衰變產(chǎn)生的原因和誤差影響機理進行分析，有助于制定適當?shù)难a償措施、優(yōu)化設(shè)備維護和改進監(jiān)測方法，以提高遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。

圖12 影響定標的多要素精細分析模型和技術(shù)思路Fig.12 Detailed analysis of impact factors on the calibration accuracy and technique road map

4.1 雜散光仿真及訂正

搭載在衛(wèi)星上的光學載荷在空間環(huán)境中工作時極易受到外部輻射源產(chǎn)生的雜散光的干擾。研究表明，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星的可見紅外輻射計（VIRR）在高緯度地區(qū)晝夜交替時，對地面成像時受到外部太陽雜散光輻射的影響（徐寒列 等，2015；朱吉彪 等，2021）。場外輻射進入光學系統(tǒng)會在焦平面上增加一個空間變化的信號，污染對地場景圖像，從而干擾系統(tǒng)的探測能力，影響衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準確性。因此，對雜散光進行定量估計和消除是分析儀器信號異常和提高圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在分析太陽輻射雜散光產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合衛(wèi)星軌道位置的仿真分析方法，以探究太陽雜散光對載荷成像質(zhì)量的影響（Zhao 等，2021）。首先根據(jù)FY-3C 軌道參數(shù)對衛(wèi)星進行在軌運行仿真，根據(jù)太陽、地球和衛(wèi)星的位置關(guān)系，得到太陽矢量與載荷之間的角度變化規(guī)律?；谳d荷機械結(jié)構(gòu)和光學散射模型，通過光學仿真軟件進行光線追跡以研究雜散光在主鏡的空間分布情況，處理流程如圖13所示。

圖13 衛(wèi)星光學載荷外部太陽雜散光仿真流程圖Fig.13 Simulation flow diagram of external solar stray light for satellite optical payload

通過模擬獲得的VIRR 雜散光發(fā)生時間和強度結(jié)果，將其與真實地球觀測實際數(shù)據(jù)進行對比，兩者具有較高的一致性，如圖14所示。結(jié)果表明，提出的方法是研究軌道上載荷外部雜散光規(guī)律的正確有效的途徑，能夠定量得到不同時刻的雜散光強度及分布。該方法具有一定的普適性，可以輸入不同載荷的軌道參數(shù)以及光機模型，推廣至其他載荷進行定量分析。

圖14 2015年2天VIRR單軌對地觀測圖像條紋率與太陽雜散光在主鏡上總輻射通量值比較Fig.14 Comparison of the stripe rate of the VIRR monorail ground observation image in 2015 with the total radiation flux value of the solar stray light in the main mirror

FY-3C VIRR 在高緯度晝夜交替區(qū)域附近由于地平線附近太陽光照射，導(dǎo)致儀器掃描鏡和其他部件產(chǎn)生雜散光，使得對地觀測圖像被污染，尤其VIRR中紅外第3通道（3.7 μm）圖像產(chǎn)生了嚴重條帶噪聲，影響了后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量精度和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

引起圖像污染的雜散光條帶噪聲可視為結(jié)構(gòu)噪聲，呈現(xiàn)出明顯的方向特性，即圖像在水平方向和垂直方向梯度具有明顯差異。根據(jù)圖像條帶噪聲各向異性的特點，利用單向變分條帶去除模型，設(shè)計了基于高斯—賽德爾迭代法的條帶去除模型遞推求解公式（朱吉彪 等，2021）。以VIRR第3通道對地觀測真實影像數(shù)據(jù)為例，對圖像進行條帶噪聲去除研究。其雜散光訂正結(jié)果如圖15所示。

圖15 雜散光訂正模型結(jié)果對比Fig.15 Comparison of the results of the stray-light correction model

采用噪聲去除前后圖像的行均值曲線與定量評價指標——輻射質(zhì)量改進因子IF（Improvement Factors of Radiometric Quality）等進行雜散光去除效果評價。結(jié)果表明，單向變分模型對FY-3C VIRR 第3 通道觀測數(shù)據(jù)太陽污染條帶噪聲具有較好的訂正效果，實驗中，峰值信噪比PSNR（Peak Signal-to-Noise Ratio）提升到32.77 dB；在真實數(shù)據(jù)實驗中，IF提升到16.99 dB。

4.2 儀器響應(yīng)串光

通道間信號串擾是存在于多光譜光學遙感器的普遍現(xiàn)象，會對焦平面通道的觀測圖像產(chǎn)生顯著的條紋影響（Wilson 等，2017）。由于以暗太空為背景的月球具有點光源成像的特性，可以利用月球觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合圖像校正方法，對FY-3D 的核心載荷：中分辨率成像光譜儀（MERSI-Ⅱ）的中長波紅外通道的信號串擾效應(yīng)進行在軌檢測分析并進行訂正。

肖達等（2020）主要對MERSI-Ⅱ通道間串擾進行了分析。首先分析各通道所受信號串擾規(guī)律，以方便后續(xù)進行訂正。在中長波紅外波段（20—23 通道）明顯的串擾現(xiàn)象強度在0%—5%不等，造成了觀測數(shù)據(jù)的污染。存在串光現(xiàn)象時，對于單探元月球圖像，月球旁邊會出現(xiàn)較小的亮斑，它隨著探元信號的增加而下降，并且每個選定探元接收到的串擾污染信號，都來自與它中心對稱位置的探元。例如通道20的探元1，其圖像內(nèi)的串擾污染信號與通道21 的探元10 的月球響應(yīng)位置基本重合。因此可以得出規(guī)律：串擾污染的主要貢獻來自同一焦平面內(nèi)中心對稱探元，可把它稱作“中心對稱現(xiàn)象”。

對FY-3D MERSI-Ⅱ的自適應(yīng)串擾訂正算法通過冷空月球圖像篩選和分析，根據(jù)不同時期的月球圖像特征，計算特定通道的串擾信號分布和串擾系數(shù)，并將串擾系數(shù)應(yīng)用于月球圖像，以去除串擾污染對成像質(zhì)量的影響。算法核心為串擾系數(shù)的計算，首先需要將每個探元的污染信號與參考信號進行比較。月球周圍的冷空可以近似地看作是理想的真實值，對于污染剛好出現(xiàn)在主月球響應(yīng)之外的像素來說，將其作為參考信號十分合適。將真實信號和參考信號之間的差值作為每個探元的污染值，然后使用最小二乘法擬合，得到串擾系數(shù)。訂正時需要每個串擾發(fā)射通道單獨處理。首先根據(jù)焦平面各通道的排布位置，選定某個受污染通道的探元i 進行分析，計算不同探測器的串擾系數(shù)；其次，將串擾系數(shù)應(yīng)用到該發(fā)射通道所有像素，得到該通道在所有像素點產(chǎn)生的串擾污染信號后，將該發(fā)射通道的串擾污染信號從接收通道中扣除；對每一個發(fā)射通道進行訂正，直到所有串擾信號被訂正完畢。按照以上步驟對焦平面內(nèi)的每一個探元進行操作，即可得到串擾訂正后的月球響應(yīng)。

4.3 偏振效應(yīng)

對于非偏振衛(wèi)星載荷，偏振是一種干擾信息，輻射傳遞鏈路的偏振靈敏度會影響遙感觀測數(shù)據(jù)的精度及其后續(xù)應(yīng)用，需要對儀器的偏振靈敏度進行仿真分析，實現(xiàn)定量去除以提高輻射定標精度。以FY-3D MERSI-Ⅱ遙感觀測數(shù)據(jù)為例，對非偏載荷的偏振靈敏度進行分析，并以此為基礎(chǔ)仿真出儀器在不同入射角度等參數(shù)下的偏振輻射響應(yīng)查找表，以方便修正定標模型。首先，針對在軌后的MERSI-Ⅱ，選擇洋面場景這一偏振度較大的區(qū)域，如海洋耀斑區(qū)域，首先對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)如氣溶膠光學厚度和風速風向進行預(yù)處理。其次，基于Cox&Munk 海洋表面三維波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律來共同描述海表輻射偏振狀態(tài)。然后，利用6SV 輻射傳輸模型分析大氣對偏振輻射狀態(tài)的影響，將其與海表輻射狀態(tài)耦合得到大氣頂偏振輻射狀態(tài)，實現(xiàn)了MERSI-Ⅱ偏振輻射特性的評估與校正（何玉青等，2022）。

通過模擬對應(yīng)的洋面場景的反射率和偏振度等輻射量，與POLDER 偏振探測器實際獲取的偏振數(shù)據(jù)進行對比驗證分析，兩者具有較高的反射率和偏振度相關(guān)性（張一鵬 等，2020）。實驗分析了MERSI-Ⅱ在412 nm通道的偏振輻射特性，發(fā)現(xiàn)其偏振度隨著衛(wèi)星天頂角的變化呈現(xiàn)不對稱分布，反射率誤差隨著衛(wèi)星天頂角及偏振度的變化基本比較穩(wěn)定。圖16 給出了MERSI 對于不同觀測幾何、風速風向的偏振敏感性變化規(guī)律?？梢钥闯觯琈ERSI-Ⅱ傳感器的偏振靈敏度是非線性響應(yīng)，與通道波長、衛(wèi)星觀測角等儀器自身參數(shù)等相關(guān)，觀測幾何尤其是太陽天頂角和衛(wèi)星天頂角對大氣頂?shù)钠褫椛淞恐档挠绊戄^大；風速風向的影響較為微弱。綜合考慮這些因素在不同條件下對TOA偏振輻射影響的差異，儀器的偏振靈敏度應(yīng)該是根據(jù)這些規(guī)律設(shè)計成查找表的形式以進行后續(xù)的偏振效應(yīng)訂正。

圖16 不同相對方位角和太陽天頂角下反射率和偏振度隨著衛(wèi)星天頂角的變化（氣溶膠光學厚度為0.15，風速為15 m/s，風向角為150°）Fig.16 The reflectivity and polarization under different relative azimuth and solar zenith angles change with the satellite zenith Angle（Aerosol optical thickness is 0.15，wind speed is 15 m/s，wind direction angle is 150°）

4.4 輻射響應(yīng)的溫度依賴

精細化定標模型還必須考慮環(huán)境因素影響。一般研究者認為太陽反射波段的輻射響應(yīng)系數(shù)與儀器溫度關(guān)系弱，因此，國內(nèi)遙感器發(fā)射前測試通常并沒有包括嚴格的溫度響應(yīng)測試。但事實上，由于反射波段探測器不控溫，其工作環(huán)境在軌會發(fā)生變化（如SeaWiFS 的焦平面溫度年內(nèi)的變化約為4°，F(xiàn)Y-3A MERSI 自2008 年—2013 年變化約為10 度），遙感器的在軌響應(yīng)也隨之變化（如SeaWiFS 的溫度響應(yīng)校正量約1%），這種變化對于高精度定量應(yīng)用，特別是氣候變化研究來說是不可忽視的。因此必須針對性的研究儀器溫度響應(yīng)特性在軌分析算法，基于不同溫度下的穩(wěn)定目標數(shù)據(jù)進行在軌估算及訂正（孫凌 等，2019；張北等，2023；周為偉 等，2023）。

通過精準提取地球穩(wěn)定目標數(shù)據(jù)，獲得不同溫度下的理想目標觀測數(shù)據(jù)，開展遙感器部件溫度數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，開展目標觀測、目標與理論模式差異與部件溫度的相關(guān)特征分析，確定特征溫度參數(shù)，如焦平面溫度。根據(jù)遙感器的在軌狀態(tài)變化，確定合理的在軌參考溫度，擬合建立溫度響應(yīng)模型，獲得溫度校正因子；通過時間序列定標精度和穩(wěn)定度分析，開展溫度校正效果驗證。

研究分析發(fā)現(xiàn)FY-3D/MERSI-Ⅱ觀測DCC 反射率時間序列（圖17（a））除了存在長期衰減趨勢外，有非常明顯的年際波動，這個波動與儀器溫度有非常好的同步特征。借鑒MODIS 和SeaWIFS的溫度校正形式，假定FY-3D/MERSI-Ⅱ觀測DCC反射率值與溫度關(guān)系式為式（2）。

圖17 FY-3D/MERSI-Ⅱ通道6（1.64 μm）深對流云目標反射率與探測器溫度關(guān)系曲線（周為偉 等，2023）Fig.17 FY-3D/MERSI-Ⅱ channel 6（1.64 pixels）Relationship between reflectance of deep convective cloud target and instrument detector temperature

式中，ρnormal表示觀測的深對流云反射率值，ρT0表示參考溫度下反射率值，ΔT表示參考溫度與觀測溫度的差值，K就是要求的溫度校正因子。為了回避儀器自身衰減對校正因子的影響，選擇儀器后期衰減較小時段的數(shù)據(jù)（2021 年）進行擬合，參考溫度和參考溫度下的反射率均選擇2021年第一天數(shù)據(jù)。圖17（b）顯示了通道6 反射率與探測器溫度的校正因子擬合結(jié)果。

5 結(jié)語

本文針對國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的長時間序列歷史數(shù)據(jù)再定標共性技術(shù)，綜述了光學遙感儀器再定標時的輻射基準、再定標模型及定標的影響機理等3 個方面最新研究進展?；诙囝惖厍蚍€(wěn)定目標及地外天體月球等統(tǒng)一輻射基準，尋找單一遙感器生命周期內(nèi)的輻射定標衰變規(guī)律，建立不同時期觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一輻射定標修正算法。論文還綜述了多衛(wèi)星平臺、多遙感器的統(tǒng)一輻射定標方法，包括場地基準統(tǒng)一溯源、交叉定標、輻射衰減訂正、軌道漂移訂正、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實現(xiàn)多遙感器輻射觀測的歸一化，為建立定標精度統(tǒng)一、數(shù)據(jù)質(zhì)量一致的長時間序列基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)集提供技術(shù)支撐。這為衛(wèi)星氣候數(shù)據(jù)集生產(chǎn)和質(zhì)量評估提供處理技術(shù)理論基礎(chǔ)，促進定量化遙感的長期氣候變化應(yīng)用研究。

文中系統(tǒng)綜述了針對沙漠、冰雪、DCC、月球目標，基于長期衛(wèi)星觀測和地面試驗建立這些穩(wěn)定目標的輻射基準模型，分析了各種穩(wěn)定目標輻射基準的方向特性、光譜特征以及時空變化規(guī)律。文中針對太陽反射通道儀器輻射響應(yīng)衰減和紅外通道輻射溯源鏈中影響定標精度的因素，提出了光學遙感儀器的輻射再定標精細處理模型。并基于風云衛(wèi)星光學儀器的再定標工程實踐，從遙感儀器定標精度的影響因素機理出發(fā)，如雜光串光污染、偏振和溫度依賴等，深刻剖析了各影響因素的大小與光學遙感儀器輻射響應(yīng)衰變之間的關(guān)系，并建立了儀器響應(yīng)短周期波動訂正的再定標處理模型，包括非線性訂正、串光訂正、偏振效應(yīng)訂正等，這為中國歷史遙感數(shù)據(jù)再定標提供了系統(tǒng)性解決思路，為進一步提高遙感數(shù)據(jù)長期定標質(zhì)量和可靠性奠定了方法基礎(chǔ)。

當前氣候變化研究和超高精度定量遙感對遙感衛(wèi)星定標精度與長期穩(wěn)定性提出了極高的要求，通常反射太陽波段的輻射精度期望為1%（k=1），熱紅外波段的輻射測量精度期望為0.1 K（k=3），并且確保多種遙感儀器觀測數(shù)據(jù)的有效銜接和相互可比較。本文綜述的輻射基準和再定標模型受目標特性、大氣環(huán)境、輻射衰減等因素的影響，其輻射精度依然有限，難以突破氣候應(yīng)用期望的精度水平。因此建立可追溯至國際單位制（SI）的空間輻射測量是當前和未來國內(nèi)外重要的研究方向，如歐洲和美國相繼提出了TRUTHS（Fox 等，2003）和CLARREO（Wielicki等，2013）計劃，以及我國正在逐步開展空間輻射測量基準計劃，即中國空基輻射基準（Chinese Space-based Radiometric Benchmark，CSRB）（Zhang 等，2020；盧乃錳 等，2020）。這將為提高各類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定標精度和深度定標應(yīng)用提供更可靠的基準基礎(chǔ)，并將在環(huán)境監(jiān)測、氣候變化研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

志 謝本論文的撰寫得到多位輻射定標領(lǐng)域科學家和朋友的指導(dǎo)和協(xié)助，感謝審稿人給與寶貴修改意見，武漢大學的孫開敏教授和東北師范大學的孫仲秋教授給論文修改提供非常寶貴建議，景振華、王俊偉和張北分別在月球定標、人工智能定標和DCC 定標方面的綜述提供了豐富素材，在此一并表示感謝。