赵艳华 董建婷 张秀茜 王斌

（北京空间机电研究所，北京 100094）

漫反射板全光路全视场全口径在轨辐射定标技术

赵艳华 董建婷 张秀茜 王斌

（北京空间机电研究所，北京 100094）

空间光学遥感器辐射定标包括发射前实验室辐射定标和在轨辐射定标。中国空间光学遥感器寿命由最初2～3年已延长到8～10年，需要建立在轨辐射定标系统。文章在总结美国、法国、英国同类相机在轨辐射定标方法的基础上，结合中国漫反射板研制基础及工程实现能力，以某项目需求为背景，提出了大视场可见–近红外空间相机全光路全视场全口径在轨辐射定标方法。星上定标系统由漫反射板、稳定性监测比辐射计组成。漫反射板置于入光口前，定标时刻漫反射板展开后，太阳照亮漫反射板形成已知光谱辐亮度的近似朗伯面光源，直接实现空间光学遥感相机全孔径、全光路和全视场的星上辐射定标；稳定性监视比辐射计用于漫反射板星上稳定性监视及其双向反射分布函数（BRDF）修正，确保长期在轨运行过程中空间光学遥感相机的数据产品的绝对辐射定标精度。经过分析，该方法下相机绝对辐射定标精度优于5%。

大视场 全光路 全视场 全口径 在轨辐射定标 空间光学遥感器

Key wordslarge field; all-optical path; full field; full bore; in-orbit radiometric calibration; space optical remote sensor

0 引言

由于可见–近红外探测器性能较稳定、响应一致性较好，因此国内该类空间光学遥感相机一般在发射前会进行实验室定标[1]，很少设置星上辐射定标装置；在轨后有的会利用地面定标场作场地定标[2]，也有的会利用在轨标定较好的相机进行交叉定标[3]。随着卫星寿命由2～3年延长到8～10年以及定量化应用的需求，仅靠发射前辐射定标数据，无法真实反映可见–近红外空间光学遥感相机在轨状态，因此需设置星上辐射定标装置，定期进行在轨辐射定标。

国外可见–近红外空间光学遥感相机开展在轨辐射定标已较成熟[4]，本文在总结国外大视场可见-近红外空间光学遥感相机辐射定标方式的基础上，结合国内研制的现状，以某项目辐射定标精度高的需求为背景，进行了大视场可见–近红外空间光学遥感相机全光路全视场全口径在轨辐射定标方法研究，并给出了定标精度估算结果及在轨定标数据处理方法。本方法在一些型号上已采用，对在轨可见–近红外、短波红外谱段绝对辐射定标精度的提高起到良好的推动作用。

1 国外同类产品情况

国外同类产品指标见表1。

通过表1可以看出：

1）对于可见-近红外通道，POLDER未设置在轨定标装置，依靠场地定标；VGT采用灯定标；MISR、MODIS、AATSR、SPECTRA采用漫反射板定标。

2）漫反射板定标适用于可见、近红外、短波红外（0.4 ～2.35μm）谱段的在轨辐射定标。

表1 国外同类相机主要指标对比Tab.1 Comparison of main specifications between similar foreign cameras

续表

2 漫反射板在轨辐射定标方案

在轨辐射定标中，星载漫反射板太阳辐射定标方法是被广泛认可的高精度绝对定标方法[5]。利用精确的太阳辐射模型和高度稳定的漫反射板反射性能，可以通过最少的传递环节来获得很高的辐射定标精度[6]，国外在轨应用普遍控制在5%以内[7]，同时容易实现全口径、全光路、全视场的绝对辐射定标，如MISR、MODIS、AATSR、SPECTRA等都采用了漫反射板进行在轨定标的方式[8-10]。

某项目要求近红外谱段辐射定标精度为5%，按国内现有技术水平（7%）实现难度很大。通过分析国外同类载荷的定标方式，结合现有技术情况，确定某项目近红外相机采用漫反射板进行在轨辐射定标的定标方式。通过对各环节误差进行分析，需选取全口径、全光路定标方式，即在近红外谱段采用漫反射板太阳定标装置对近红外相机进行太阳辐射光谱范围内定标，同时实现绝对定标和相对定标；并利用星上绝对辐亮度监测装置在定标过程中对漫反射板的辐亮度数据进行定期实时测量[11]，监测并记录变化情况，并对定标数据进行修正，以减小性能不稳定对定标精度的影响。

（1）漫反射板组件的设计

漫反射板选用高温融合聚四氟乙烯漫反射板，其具备优越的光学参照特性和一定的空间适应能力，可近似为理想朗伯体，并有略微的后向散射[12]；其BRDF测量精度2%，测量重复性1.0%～1.5%；在–44℃～61℃间，热稳定性良好，无热应力损伤；在500mm×500mm面积上，面均匀性可控制在1%以内。

漫反射面板定标状态下应能充满相机视场并有一定余量，同时考虑轻量化及固定要求，漫反射板工作面根据视场要求设计成条状，与基板连接部分为台阶结构；考虑可见至短波红外光谱区的反射光谱平坦性，漫反射板厚度设计为10mm，保证漫反射板在整个太阳反射波段反射率均高于0.9。

聚四氟乙烯漫反射板安装于基板内。考虑聚四氟乙烯材料与铝材线胀系数分别为 10–4/℃、2.38×10–5/℃[13]，假设轨道环境温度在–50℃～+55℃变化时，漫反射面板沿边长方向伸缩约 3mm（在500mm×500mm面积上）；因此，在 0°低温装配时，基板四边与漫反射板保留一定间隙，梯型块与漫反射板面保持接触又不易过紧并保证漫反射板牢固安装在基板内随温度变化时有一定的胀缩间隙。在设计时，梯型块、漫反射板台阶与基板选择合理的公差，以满足使用要求。

基板为漫反射板组件的结构件，采用铝合金材料制作，梯型块是漫反射面板与基板的转接件，漫反射面板通过梯型块固定在基板上，材料为铝合金，漫反射板组件结构如图1所示。

图1 漫反射板组件三维结构图Fig.1 3D structure of diffuse reflection plate

（2）漫反射板组件防护设计

漫反射板作为高反射率光学参照体，受到有机污染，会直接影响其光学参照特性及其在空间环境下的稳定性[14]。因此在漫反射板制作、储存、检测、运输过程中需进行可靠防护：第一层防护为光学防护，漫反射板置于保护板下，保护板由与漫反射板同材料、同洁净度的聚四氟乙烯制作，保护板既对漫反射板有防护作用，同时又能够防止其自身对漫反射板造成污染；第二层防护为物理防护，将装有保护板的组件安装在不锈钢氮气箱内，再将密封圈和盖板用螺钉紧固，既可以防尘及有害有机气体对漫反射组件的污染，又能有效的防止其它物体对漫反射板的损伤。

（3）漫反射板定标装置工作原理

漫反射板定标装置由安装板、漫反射板组件、步进电机、机构支座、两组减速齿轮副、三对角接触球轴承、一个深沟球轴承、电磁铁组件等组成。

步进电机通过传动比为16︰1的二级减速齿轮组件带动齿轮轴旋转，齿轮轴由角接触球轴承支撑，齿轮轴旋转带动漫反射板组件转动，漫反射板绕着转轴旋转 137°（需根据轨道、探测器参数计算），零位位置如图2所示，定标位置如图3所示，使漫反射板法线与太阳光入射光线成37°，将太阳光引入光路进行近红外谱段的定标。

图2 漫反射板处于零位位置Fig.2 Diffuse reflection plate at zero position

图3 漫反射板处于定标位置Fig.3 Diffuse reflection plate at calibration position

在振动试验和卫星发射过程中，采用电磁铁加电吸合锁定的方式，将漫反射板锁定在零点位置，从而加强对漫反射板组件的支承刚度，保证组件安全。振动试验结束或卫星入轨后解锁，释放电磁铁，使漫反射板处于自由状态。

（4）漫反射板性能监测

在漫反射板保护罩下面、产品旁边安装了随炉试片，一旦保护罩取下，则随炉试片与漫反射板暴露在同样的实验室环境中，在发射前取下随炉试片，实测性能与漫反射板交付时的差异，获得发射前样品监测的漫反射板BRDF修正因子。

空间环境下漫反射板主要受真空紫外辐照、原子氧剥蚀、质子轰击和太空污染等因素影响[15]。国外研究资料表明，在3倍于大气外太阳直射环境下（模拟环境），采用聚四氟乙烯材料制成的漫反射板，其在短波方向的反射率衰减要大于长波方向，且随着辐照时间的加长，退化速率减缓[16]。为了提高相机整个寿命周期内的定标精度，对漫反射板在空间环境下的性能衰减进行监测，由漫反射板稳定性监视辐射计实现此功能。

漫反射板稳定性监视辐射计（简称比辐射计）以稳定已知的太阳为参照，通过太阳辐照度/漫反射板反射辐亮度比值及其历史数据比对实现对漫反射板双向反射分布函数（BRDF，它描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上的分布）变化监测，并根据测量数据分析对漫反射板反射辐亮度进行修正。

（5）在轨辐射定标方案

漫反射板定标装置位于镜头前，在驱动机构的控制下，定标时漫反射板运动至工作位置，将太阳光漫反射至光路；不定标时将漫反射板收回，不遮挡成像光路，保护在收纳装置中以防受紫外线辐照和高能粒子轰击以及卫星所释放气体的污染。

根据轨道特点，设置漫反射板法线位于轨道面内，为尽可能减少来自地景辐射对太阳定标的影响，定标时机选择在卫星刚刚飞出地球阴影区，星下点的大气和地景仍处在地球的阴影中，而太阳光恰可照到近红外探测通道的漫反射板上时进行。定标时，漫反射板定标装置驱动漫反射板到预定位置，将太阳光漫反射进光路，从而获得近红外谱段的辐射定标数据。

漫反射板的出射亮度与太阳入射角度余弦值成正比。出射亮度制定标准：高于相机成像能量的平均水平，小于相机入射能量动态范围的上限。依据相机实际观测动态范围计算出：漫反射板法线和相机对地观测光轴的夹角，太阳光与漫反射板法线夹角。

3 在轨辐射定标精度预估

大视场近红外光学遥感相机在轨定标，通过漫反射板定标机构驱动漫反射板到预定位置，将太阳光漫反射进光路，从而获得近红外谱段的辐射定标数据。根据影响辐射定标精度的主要因素的相对影响量（见表2），近红外通道实验室辐射定标的总误差（取均方根）约为4.73%，满足5%的指标要求。

表2 在轨辐射定标精度分析Tab.2 Analysis of in-orbit radiometric calibration precision

表2中，太阳辐照度不确定度是根据有关文献获得的常用数据；漫反射板BRDF地面标定精度、漫射板面均匀性、比辐射计监测不确定度由产品研制能力确定，经实测满足上述分解的指标；漫反射板定位精度、漫反射板重复定位精度是考虑了最大误差等效到入瞳辐亮度变化的影响得出的影响量；卫星姿态指向精度、卫星姿态测量精度是根据拟搭载的卫星指标计算的影响量；光学系统杂散光是根据杂散光分析结果确定的影响量；辐射校正非均匀性残差是根据非均匀性校正结果计算得到的残差数据；量化误差是根据量化位数计算的影响量。

4 在轨辐射定标数据处理

星上绝对辐射定标的总体方案如图4所示。地面测量获得漫反射板组件的BRDF数据，按在轨定标时太阳入射角建立不同入射角和辐射出射方向的漫反射板辐射模型[17]。在轨绝对辐射定标时，采用漫反射板引入太阳光获得太阳定标数据，并结合在轨实际太阳光入射角度、漫反射板辐射模型以及波长定标数据，计算获得星上定标因子[18]。利用星上定标因子对地面定标因子进行修正，对观测模式下获得的数据进行标定。

图4 星上绝对辐射定标原理框图Fig.4 Principle block diagram of absolute radiometric calibration on satellite

定标时刻，光学遥感相机观测漫反射板，其计数值与辐亮度关系为

式中 DN是光学遥感相机观测漫反射板的数字计数值；A是遥感器发射前定标系数；F是定标系数的修正因子；k是部分孔径因子；L是漫反射板反射辐亮度；DN0是光学遥感相机暗电流计数值。

星上定标实质上就是确定F因子，以校正相机的定标系数。

式中 Lcal=(DN-DN0)/(AK)，是根据发射前定标系数及部分孔径因子计算的漫反射板反射辐亮度；L=EsuncosθsunBRDFt(θsun，φsun，θdet，φdet)，是由漫反射板 BRDF及观测几何确定的漫反射板实际反射辐亮度；BRDFt(θsun，φsun，θdet，φdet)是由地面实验室测量及星上比辐射计观测共同确定的定标时刻漫反射板 BRDF；Esun为大气外太阳常数；θsun是太阳在漫反射板坐标系下的天顶角；φsun是太阳在漫反射板坐标系下的方位角；θdet是比辐射计在漫反射板坐标系下的天顶角；φdet是比辐射计在漫反射板坐标系下的方位角。

确定了定标时刻的漫反射板 BRDF，则可求得漫反射板反射辐亮度，进而确定光学遥感相机定标系数修正因子F，实现光学遥感相机的定标和校正。

5 结束语

可见–近红外空间光学遥感相机在轨采用漫反射板进行全光路定标是合理、可行的方式，重点解决活动机构可靠性、漫反射板表面防污染、漫反射板性能监测等问题；对于大视场可见–近红外空间光学遥感相机，漫反射板尺寸较大，还应重点考虑漫反射板的支撑刚度，在满足刚度要求的前提下应尽量减少质量。

通过分析，大视场可见–近红外空间光学遥感相机在轨采用漫反射板全光路全视场全口径辐射定标方式，绝对辐射定标精度能达到4.73%，满足5%的指标要求。

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In-orbit Radiometric Calibration Technology Based on Diffuse Reflection Plate in Full Bore, Full FOV and Full Optical Path

ZHAO Yanhua DONG Jianting ZHANG Xiuqian WANG Bin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Space optical remote sensor radiometric calibration includes pre-launch in-laboratory radiometric calibration and in-orbit radiometric calibration. The lifetimes of Chinese space optical remote sensors have increased from initial 2～3 years to 8～10 years. It is required to establish an in-orbit radiometric calibration system. On the basis of summarizing radiometric calibration methods for similar cameras in the United States, France and Britain, in combination with the development foundation and engineering capability for diffuse reflection plate in China and by talking a certain project’s needs as background, this paper proposes an in-orbit radiometric calibration method in the form of all bore, full FOV and full optical path for near infrared space camera with large FOV. The onboard radiometric calibration system consists of a diffuse reflection plate and a stability monitoring ratio radiometer. The diffuse reflection plate is placed in front of entrance. When the plate deploys during calibration, the sun illuminates the plate, and then an approximate Lambertian surface light source with known spectral radiance is formed, so as to direct carry out the radiometric calibration in the form of all bore, full VOF and full optical path. The stability monitoring ratio radiometer is used to monitor the stability of the diffuse reflection plate and make its BRDF correction onboard, to ensure absolute accuracy of data products of space optical camera in long-term in-orbit operation. Through analysis, the absolute radiometric calibration accuracy of this method is better than 5.0%.

V474.2

: A

: 1009-8518(2016)02-0092-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.012

赵艳华，女，1977年生，2010年获中国空间技术研究院研究生部飞行器设计专业工学硕士学位，研究方向为航天光学遥感器总体设计、辐射定标技术。Email：zhaoyh304@sina.com。

（编辑：王丽霞）

2015-12-01

科工局“十二·五”民用航天预研项目（D030101）