基于点源阵列的绝对辐射定标方法研究

《Remote Sensing》：Research on an Absolute Radiometric Calibration Method Based on a Point Source Array

　　

成像系统诸如光学点扩散函数（PSF）、像元内灵敏度（IPS）和像元间串扰等因素会导致点源响应随位置变化，直接影响遥感器的绝对辐射定标精度。本文研究了一种基于多级点源阵列的绝对辐射定标方法，并定量评估了单个点源与点源阵列响应稳定性随位置变化的差异。该方法通过亚像素采样和平均提高了点源响应获取的稳定性和精度，并通过多级数据的线性回归获得成像系统的定标系数，从而实现了基于点源阵列的宽动态范围定标。测试结果表明，采用6×6阵列的点源响应稳定性优于0.21%，定标系数稳定性优于0.3%。点源定标系数与传统扩展源定标方法计算结果之间的相对差异在1.5%以内，验证了点源阵列定标方法的有效性。基于在轨应用需求的进一步优化表明，2×2至3×3的点源阵列可将成像系统响应波动降低6至10倍；该范围内的点源阵列在保持定标精度的同时具有较高的工程可行性。经不确定度分析，使用多级点源阵列的定标方法实验室测量不确定度为3.2%；当该方法应用于在轨绝对辐射定标时，估计不确定度约为3.9%。多级点源阵列在确保响应稳定性和精度的同时，有效提升了定标精度，为基于点源的在轨绝对辐射定标提供了技术支持。

**论文解读：基于点源阵列的绝对辐射定标方法研究**

**研究背景与问题**
自遥感卫星问世以来，其在国防安全、军事侦察、城市环境监测和矿产资源勘探等领域发挥关键作用。随着遥感技术发展和应用范围扩大，遥感数据从传统定性分析转向高精度定量应用，绝对辐射定标是确保定量遥感信息准确性和可靠性的核心技术环节。目前，以大面积均匀场为观测目标的在轨绝对辐射定标是主流方法，但此类场地选择苛刻、数量稀少且辐射单一。例如，敦煌辐射定标场反射率较低，当遥感器观测高反射率目标时需外推辐亮度，引入误差。辐射定标网络（RadCalNet）可在多个场地获取多个辐亮度级，但难以在同一大气条件下实现宽动态范围在轨定标。多灰度靶标方法可实现同一大气条件下多级目标宽动态范围定标，但部署成本高、覆盖有限、操作复杂且效率较低。反射率基法替代定标的不确定度通常在5%–7%范围内，进一步提高精度受限于地表反射率测量不确定度和大气辐射传输模型固有局限。针对上述问题，发展了以点目标为观测对象的绝对辐射定标方法。恒星定标中，已知光谱辐照度的恒星作为参考点源，卫星通过姿态机动成像，利用恒星光谱信息和成像系统响应确定在轨绝对辐射定标系数，已在IKONOS和PLEIADES等高机动卫星上验证，定标系数与官方值偏差小于3%。但通过旋转卫星平台实现恒星成像对卫星机动性要求高，而常规地球观测卫星机动性有限。地面反射式点源定标方法（如SPARC）利用凸面镜反射太阳光形成已知强度的参考点源，辐射量直接溯源至大气外太阳光谱辐照度，可在常规地球观测期间实现在轨绝对辐射定标，已在IKONOS和Landsat上验证，多光谱波段定标重复性优于2.5%，除红光波段外绝对增益系数与官方值偏差小于5%。该方法仅需大气透过率测量即可完成定标，大幅简化了工作流程。在此基础上发展的FLARE网络部署自动镜阵列，提供按需无人值守替代定标，在KOMPSAT-3/3A的两次独立定标中，可见波段定标系数一致性优于1%。在绝对辐射定标研究中，需建立光源在相机入瞳处等效辐亮度与系统响应之间的定量关系。当观测对象为点源时，成像系统对入射辐射能量的响应表现出显著位置依赖性，即点源质心在像元瞬时视场（IFOV）内亚像素位置变化时响应波动。该现象主要由两个因素引起：一是像元内非均匀响应（IPS），源于填充因子和像元结构等因素导致单个像元内不同位置对入射能量响应变化；二是像元间串扰，主要归因于载流子扩散和电容耦合，使响应能量在像元间重新分配。在上述因素综合作用下，成像系统对点源的能量响应具有位置依赖性。此外，当光学系统能量集中度低时，其光学点扩散函数（PSF）空间展宽更显著，在空间平均效应影响下，上述因素的影响显著减弱。因此，对于高能量集中度的成像系统，减少由点源位置变化引起的响应波动、提高点源响应测量精度，是基于点源的在轨绝对辐射定标的关键。

**研究内容与结论**
研究人员针对上述问题，提出了一种基于多级点源阵列的绝对辐射定标方法，并进行了实验验证，论文发表在《Remote Sensing》。该方法通过亚像素采样和空间平均抑制成像系统像元内响应非均匀性，提高点源响应稳定性和精度，再利用多级辐亮度数据进行线性回归获取定标系数，实现宽动态范围定标。实验室实验采用背照式相机、高精度二维平移台、积分球源和直径0.1mm针孔孔径，在光学暗室中模拟点源成像。通过控制平移台以1+1/6倍地面采样间隔（GSD）步长扫描，获取6×6点源阵列在4个辐亮度级下的响应数据，并利用孔径测光提取响应值。实验结果表明，6×6点源阵列的响应波动从单个点源的3.0%降至0.21%，定标系数稳定性优于0.3%；与扩展源定标系数对比，相对差异小于1.5%，验证了方法的有效性。进一步优化分析表明，2×2至3×3点源阵列可将成像系统响应波动降低6至10倍，在此范围内定标系数稳定性优于1%，与扩展源定标系数相对误差小于2.5%，在工程可行性和定标精度之间取得平衡。不确定度分析显示，实验室点源绝对辐射定标相对不确定度为3.2%，在轨应用估计不确定度约为3.9%。

**主要关键技术方法**
研究人员采用的核心方法包括：利用点源阵列进行亚像素采样，通过控制高精度二维平移台以指定步长移动相机，使点源在不同亚像素位置成像，实现对像元内响应非均匀分布的密集采样；通过空间平均计算阵列平均响应，抑制响应波动，获得稳定的点源响应值；采用多级积分球源提供不同辐亮度级，利用线性回归建立响应与等效辐亮度之间的关系，获取定标系数；通过与扩展源定标结果对比验证准确性，并基于采样定理和响应分布对称性分析优化点源数量，建议2×2至3×3阵列布局。实验在光学暗室（温度25°C）中进行，使用背照式相机，成像距离10m，GSD为3.00mm，点源孔径0.1mm，积分球源能量稳定性优于0.05%，相机暗电流稳定性优于0.06%。

**研究结果**
**3.2 实验分析**：通过6×6点源阵列密集采样，获取了成像系统对点源在单个像元IFOV内不同位置的响应非均匀分布图。响应在像元中心最高，两像元交界处次之，四像元交界处最低，波动幅度达3.0%。采用6×6阵列平均响应后，响应波动降至0.21%，表明阵列配置有效抑制了探测器响应波动。基于4个辐亮度级的响应均值和等效辐亮度进行线性回归，重复100次随机选择，定标系数变化小于0.3%，线性拟合精度优于0.9999。

**4.1 点源定标结果验证**：与扩展源绝对辐射定标结果对比，6×6点源阵列平均响应得到的定标系数与扩展源定标系数相对差异小于1.5%，验证了点源阵列定标方法的有效性。扩展源响应空间均匀性优于1%，表明探测器像元间响应一致性高。

**4.2 点源阵列优化**：基于采样定理和像元内响应分布对称性，评估了2×2、5点、7点、3×3、4×4、5×5、6×6共7种阵列布局的响应波动抑制效果。在20%、40%、60%三个代表性响应级下，2×2布局将响应波动从3.0%降至0.51%以下（降低约6倍），3×3布局降至0.33%以下（降低约9倍）。随着点源数量增加，响应波动整体呈下降趋势，但收益递减。2×2和3×3布局下，定标系数稳定性分别优于0.7%和0.5%，与扩展源定标系数相对误差分别小于2.5%和2.0%。综合考虑工程实现复杂度和定标精度，推荐2×2至3×3阵列布局。

**4.3 不确定度预算**：实验室点源绝对辐射定标的不确定度来源包括积分球源辐亮度测量（2.0%）、像元分辨率计算（1.0%）、点源面积测量（2.0%）、探测器响应（1.0%），合成相对不确定度为3.2%。在轨应用时，额外考虑太阳光谱辐照度不确定度（1.0%）、凸面镜反射率（2.0%）、大气透过率（2.0%）、气体吸收透过率（1.0%）、GSD（1.0%）、成像系统响应（2.0%）等，估计在轨不确定度为3.9%。

**结论与讨论**
研究人员在实验室中验证了基于多级点源阵列的绝对辐射定标方法，点源阵列通过亚像素采样和平均有效抑制了成像系统对点源响应的位置依赖性，提高了响应稳定性和定标精度。实验结果表明，6×6密排阵列可将响应波动从3.0%降至0.21%，定标系数稳定性优于0.3%，与扩展源定标系数差异小于1.5%。优化后2×2至3×3阵列可将响应波动降低6至10倍，定标系数稳定性优于1%，与扩展源定标系数相对误差小于2.5%，在工程可行性和定标精度间取得平衡。实验室不确定度3.2%，在轨估计3.9%。该方法为基于点源的在轨绝对辐射定标提供了一种简洁实用的技术途径，具有较高工程价值。未来工作将开展高分辨率光学遥感卫星与地面点源阵列的星地同步实验，进一步研究复杂在轨环境和探测器类型差异对响应的影响。