撰稿 | 陳博洋（國家衛(wèi)星氣象中心，研究員）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

經(jīng)典定標(biāo)

紅外遙感為氣象與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測、地表與海表參數(shù)確定、大氣溫度與濕度信息獲取等提供了重要的空間對地觀測結(jié)果。這其中，定標(biāo)（名詞解釋>>>）是將遙感器接收的輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為亮度、發(fā)射率或溫度等物理量的處理過程，是確保觀測結(jié)果高精度的有效解決辦法。

根據(jù)地球觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）關(guān)于定標(biāo)的定義：在觀測譜段范圍內(nèi)，定量化描述系統(tǒng)對已知受控的輻射類型輸入信號的響應(yīng)過程，經(jīng)典定標(biāo)是通過對輻射參考源的測量與比較來得到遙感器的輻射響應(yīng)特性，即有輻射參考源定標(biāo)（簡稱有源定標(biāo)）。

從原理上來說，遙感器的輻射響應(yīng)是其自身的響應(yīng)特性，參考源僅是衡量輻射量的“尺子”，提供了一種可供比較的參考，但絕非必由之路。當(dāng)前，紅外有源定標(biāo)在應(yīng)用中存在三個方面的局限性：

首先，輻射參考源的非理想特性（如實(shí)際黑體發(fā)射率小于1），必然增加輻射定標(biāo)結(jié)果的不確定度；

其次，期望所有在軌紅外遙感器都裝載性能優(yōu)良的黑體是不現(xiàn)實(shí)的，特別是對于未來數(shù)量巨大的微小衛(wèi)星，受體積、重量和功耗等因素的制約，將無法安裝黑體參考源；

再次，不同遙感器裝載的黑體參考源性能差異巨大，這使得有源定標(biāo)的精度很難統(tǒng)一，嚴(yán)重影響依托多衛(wèi)星、多載荷觀測的，以全球氣候變化監(jiān)測與研究為代表的高精度定量應(yīng)用。

為此，突破現(xiàn)有基于測量與比較的有源定標(biāo)框架，探索影響紅外遙感輻射響應(yīng)的內(nèi)在因素及其定量化描述方法，發(fā)展新的紅外遙感定標(biāo)理論，具有十分重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。

無源定標(biāo)

近日，來自國家衛(wèi)星氣象中心郭強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳福春研究員、李向陽研究員團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種全新的面向紅外遙感的無輻射參考源定標(biāo)（source-independent radiometric calibration，SIRC，簡稱無源定標(biāo)）方法。

 

該研究成果以 High-accuracy source-independent radiometric calibration with low complexity for infrared photonic sensors 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

該團(tuán)隊(duì)摒棄了將紅外遙感器視為“黑盒”，用黑體作為輻射“尺子”，通過比較來實(shí)現(xiàn)定標(biāo)的經(jīng)典有源定標(biāo)思路，轉(zhuǎn)而從紅外光探測器工作機(jī)理出發(fā)，通過對影響其輻射響應(yīng)特性的決定性因素——背景輻射的精確建模，來實(shí)現(xiàn)無源定標(biāo)。

更為重要的是，該無源定標(biāo)方法在原理上避免了非理想黑體引入的測量不確定度，相比有源定標(biāo)，其定標(biāo)精度更高；同時(shí)，省去了傳統(tǒng)有源定標(biāo)需要安裝的復(fù)雜黑體參考源及其附屬裝置，無源定標(biāo)僅需要遙感器光學(xué)部件的溫度信息，結(jié)構(gòu)簡單，易于空間遙感應(yīng)用。

圖1 面向紅外遙感的有源定標(biāo)與無源定標(biāo)工作機(jī)制對比

為了實(shí)現(xiàn)面向紅外遙感的無源定標(biāo)，本文針對光導(dǎo)型和光伏型兩類基本的碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測器，分別分析并推導(dǎo)了光導(dǎo)型探測器的電導(dǎo)率、光伏型探測器的p-n節(jié)電壓隨背景輻射的變化規(guī)律，并進(jìn)一步給出了上述兩類探測器的輻射響應(yīng)率隨背景輻射變化的通用表達(dá)式。同時(shí)，從碲鎘汞探測器光電轉(zhuǎn)換機(jī)制出發(fā)，給出了由紅外遙感器可視光學(xué)部件自身熱輻射引入的量子化背景輻射計(jì)算方法。

為了獲取上述無源定標(biāo)中探測器本底噪聲貢獻(xiàn)，以及紅外遙感器主要光學(xué)部件的自輻射貢獻(xiàn)系數(shù)等定標(biāo)參數(shù)，本文提出了利用已有的精確定標(biāo)結(jié)果（發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)或在軌交叉定標(biāo)），通過構(gòu)建一組超定方程組來求解的方法。

自2019年1月起，本文提出的無源定標(biāo)方法已先后在風(fēng)云二號G星（FY2G）和F星中業(yè)務(wù)化應(yīng)用，定標(biāo)性能達(dá)到國際同類衛(wèi)星最好水平，確保了我國靜止氣象衛(wèi)星在全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)中的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 有源定標(biāo)與無源定標(biāo)性能對比

前景展望

對于已在軌的紅外遙感器，無論是否裝載黑體參考源，均可采用該無源定標(biāo)方法來實(shí)現(xiàn)星載輻射定標(biāo)，定標(biāo)精度預(yù)期可提高0.2-0.5K，且易于實(shí)現(xiàn)不同遙感器間的輻射基準(zhǔn)統(tǒng)一。同時(shí)，對于擬發(fā)射的紅外遙感器，無需裝載黑體及相關(guān)定標(biāo)設(shè)備，僅需安裝成熟的測溫模塊，在大幅簡化遙感器設(shè)計(jì)、降低研制成本的同時(shí)，可獲得更小不確定度的定標(biāo)性能。

該無源定標(biāo)新理論與方法，可為我國發(fā)展自主的高精度紅外微小衛(wèi)星星座奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

文章信息：

Guo, Q., Chen, F., Li, X. et al. High-accuracy source-independent radiometric calibration with low complexity for infrared photonic sensors. Light Sci Appl 10, 163 (2021).

本文第一兼通訊作者為國家衛(wèi)星氣象中心二級研究員郭強(qiáng)，其他合作作者包括中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳福春研究員、李向陽研究員和陳桂林院士，以及國家衛(wèi)星氣象中心陳博洋研究員、王新研究員和魏彩英研究員。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00597-4

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編輯 | 趙陽

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