行星大气横亘在航天遥感器和行星表面之间, 尤其是地球大气, 是对地光学定量遥感的重要研究问题。 大气中的气溶胶自身对环境和全球变化有着重大影响, 同时通过与云的相互作用对气候产生影响。 气溶胶是国内外大气遥感的一种重要研究目标。 偏振是电磁波作为横波的一种特性。 太阳发出的光是非偏光, 在辐射传输过程中, 大气起偏能力较强, 而大部分地表起偏能力相对较弱。 偏振探测有利于增强大气的信息而相对抑制地表信息。 为了更准确获取更多气溶胶特征, 多角度、 多光谱探测会增加求解未知数的更多输入信息。 1996年, 由法国国家空间研究中心Centre national d’ é tudes spatiales (CNES) 支持, LILLE大学大气光学实验室研制开发的POLDER (Polarization and Directionality of the Earth’ s Reflectances) 传感器, 搭载在日本的Advanced Earth Observing Satellite 1 (ADEOS-1)卫星发射上天。 POLDER观测地气系统反射的多角度偏振太阳辐射, 可以反演大气气溶胶和云的相关产品, 服务于气候和全球变化研究。 POLDER传感器共三次被发射上天, 因为ADEOS-1和ADEOS-2卫星故障, 前两次在轨运行的时间都只有几个月, 但是获取了大量有意义的对地观测多角度、 多光谱、 偏振遥感数据^[1], 2004年12月8日第三次搭载法国和美国合作的“ 卫星列车(A-Train)” 计划中的Polarization & Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar (PARASOL), 最终成功地长期在轨运行, 肯定了POLDER传感器多光谱多角度偏振观测的独特优势^[2], 形成了多角度偏振观测的理论和方法体系; 2013年PARASOL结束任务, 之后尚无长期运行的大视场航天偏振遥感器^[3]。 中科院遥感所和安光所开展了偏振遥感相机Directional Polarized Camera (DPC)的航空预研工作, 通过实验样机的设计^[4]、 研制^[5]、 定标^{[3, 6]}、 数据处理与反演、 真实性检验等工作, 全面论证DPC升级为航天版发射上天的可行性, 通过航空遥感实验数据训练大气^[7]、 地表^{[8, 9]}、 海洋等相关算法。

我国高分五号卫星(2018年5月9日发射成功)搭载的DPC, 技术指标如表1所示, 是与POLDER同类型的遥感器。 通过滤光片和偏振片组合转轮来实现多光谱偏振观测, 通过大视场沿轨重复拍摄可以在不同观测角度下多次拍到同一地面区域实现多角度观测。 DPC的结构和多角度拍摄模式如图1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 高分五号卫星多角度偏振相机技术指标 Table 1 Technical indexes of the Directional Polarized Camera onborad satellite Gaofen-5 指标名称 技术指标 (P为偏振) 工作谱段/nm 433~453 (443) 480~500 (490, P) 555~575 (565) 660~680 (670, P) 758~768 (763) 845~885 (865, P) 745~785 (765) 900~920 (910) 工作模式 画幅式成像, 转轮波段/偏振调谐 偏振解析 线偏振, 三方向0° , 60° , 120° 多角度观测 沿轨9个角度

表1 高分五号卫星多角度偏振相机技术指标 Table 1 Technical indexes of the Directional Polarized Camera onborad satellite Gaofen-5

后续, 中国^[10]、 欧洲^[11]、 美国^[12]都有多个同类型航天遥感器发射计划, 多角度、 偏振、 多光谱类型载荷的每个产品反演精度都强烈依赖于定标精度, 发射后的持续在轨定标是必需的定量化保障, 也是整个地面处理和应用系统定量化处理的第一步。 我国陆地卫星定标缺乏此类传感器相关运行经验。

遥感传感器的定标是遥感反演定量化的基础和首要工作^[13]。 首先明确研究定标内容的含义: 建立仪器测量值与已知标准参考值之间的关系。 按照定标的内容可以分为光谱、 辐射、 几何三部分^[14]。 光谱定标的内容是波段宽度、 中心波长、 光谱响应函数等^[15]; 几何定标的内容是主距、 像主点偏移量等内方位元素和畸变参数等^[16]; 而辐射定标则包含了辐射强度和偏振两部分。

POLDER和DPC作为辐射定量化程度很高的载荷, 持续的在轨定标尤为重要^[17], 这类载荷的光学结构可以简化为图2所示的组成。

图1

Fig.1

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	图1 我国多角度偏振相机光机结构示意(a)和多角度成像模式(b)Fig.1 The Optical machine structure (a) and multi-angle imaging mode (b) of the Chinese Directional Polarized Camera

图2

Fig.2

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	图2 多角度偏振相机单个通道的光学结构简化图Fig.2 Schematic diagram of single channel of multi-angle polarized camera

光学传递过程经历4部分: 镜头(lens)、 滤光片(spectral filter)、 偏振片(polarizer)、 电耦合器件(CCD)共同影响入瞳光, 最终在CCD上输出数码值(digital number, DN)。 光的偏振态通常使用Stokes矢量(I, Q, U, V)来表示, 其中I表示总辐射强度(遥感中可等同于辐亮度), Q表示平行或垂直于参考平面的线偏振的强度, U表示与参考平面成45° 角上的线偏振的强度, V表示圆偏振强度。 对地遥感中一般认为V=0^[18]。 多角度偏振相机的实际辐射传递模型^[19]可以表达为式(1)。

NDa=AλTλ, apg(p1(θ)+p2(θ)Q+p3(θ)U)+C(1)

其中

p1(θ)=1+ηε(θ)cos2αap2(θ)=ε(θ)+ηcos2αap3(θ)=ηsin2αa(2)

式(1)和式(2)中包含的参数描述了多角度偏振相机的特性, 构成了待定标系数的体系, DN_a是某波段第a通道探测得到的DN值, C是暗电流探测值(相机直接拍摄获取), α _a偏振片检偏角度(是固定的数值):

A_λ , 绝对辐射定标系数, 该参数取决于相机的光学传递所有过程, 每个波段的绝对辐射定标系数是一个单独的数值;

p, 空间响应低频分量, 描述光学镜头在不同视场角θ 下透过率不同而导致的图像中间像元较亮, 边缘较暗的低频透过特性;

g, 空间响应高频分量, 描述某波段第a通道的电耦合器件为主造成的单个探元(i, j)之间响应差异;

T_a, 相对第2检偏通道的透过率, 该参数描述了同一波段不同检偏通道的偏振片-滤光片组合透过特性差异, 其中a=1, 2, 3, 且T₂=1;

ε _{(θ )}, 光学镜头起偏度, 描述光学镜头在不同视场角θ 下对光线的起偏量, 这是偏振相机作为一个光学仪器对待测量光线引入的偏振偏差;

η , “ 偏振片的检偏程度” , 这是本文给出的名称。 该参数的描述在诸多文献中名称不一^{[19, 20, 21]}。 但从公式中的作用来说, 等于非偏光透过线偏振片后的偏振度数值。

上述6个待定标参数中, 前3个可以归类为辐射强度类定标系数, 后3个可以归类为偏振类定标系数。 而在轨之后, 仅利用自然目标进行替代定标, 很难提供高于传感器偏振测量能力的参考基准, 因此偏振类定标系数在轨替代定标并非全部具有很高精度。

目前认为利用搭载人工参考源的星上定标精度最高, 而不具备星上定标条件的传感器普遍使用场地替代定标。 但大视场的偏振光学遥感器在轨辐射定标却面临挑战。

挑战一: 载荷没有星上定标器。 一般来说旋转扫描型的遥感器在不必要成像的某些扫描范围(超出对地观测视场的部分)可以对准星上定标器工作, 如Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)^[22]。 偏振类型的扫描型传感器也可以使用星上定标, 例如美国多次发射失败的Aerosol Polarimetry Sensor (APS)^[23]和我国在研的偏振扫描仪^[24], 而宽视场多角度的相机很难在星上配备星载定标参考源。 所以卫星上天后只能采用自然的替代参考源进行定标^[21]。

挑战二: 难以使用场地定标。 POLDER和DPC定量化要求高, 需要快速、 省力的定标方法来保障高定标频次, 场地定标较为费时费力, 在人工测量的情况下定标频次不足。 法国发展“ La Crau” 定标场也很早^[25], 这类载荷具有很大的视场和刈幅, 分光器件(滤光片)和检偏器件(滤光片)也会使到达光电转换器的光被削弱^[26], 且空间分辨率低, 为7 km× 6 km。 法国La Crau定标场只有15 km× 10 km^[25], 不具备使用场地定标条件。 我国用于气象、 资源^[27]、 高分^[28]、 环境^[29]等系列卫星的敦煌定标场(如图3), 均一戈壁滩不足20 km× 20 km, 边长仅对应3个POLDER像元, 即使我国DPC分辨率提升(约为3.5 km), 也难以完成星地数据匹配。

图3

Fig.3

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	图3 敦煌遥感卫星辐射校正场(40.08° N, 94.4° E)Fig.3 The Dunhuang radiometric calibration site for satellite (40.08° N, 94.4° E)

挑战三: 单一场地(场景)不适用于所有参数。 辐射强度和偏振的多个定标系数, 无法使用单一场地来完成定标, 需要各种具有在特定条件下提供高精度辐射参考的多种自然场景来完成。

受限于以上原因, 星上定标法和场地定标法难用于多角度偏振相机在轨定标。 利用其他面积更大的、 均一的自然景物作为替代参考光源的方法成为其主要在轨定标方法。

2016年9月, 我国的天宫二号空间站发射上天, 搭载多角度偏振相机该载荷主要测试工程系统, 未介绍在轨定标^[48]。 在未来几年里, 我国在国家民用空间基础设施中规划的多颗卫星将搭载多角度偏振相机上天, 例如“ 大气环境卫星” 、 “ 陆地碳卫星” 等。 而我国高分辨率对地观测系统重大科技专项第五颗卫星高分五号, 现已发射并进行在轨测试, 是最新的在轨大视场多角度偏振相机^[49]。 欧洲气象卫星应用组织 (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT) 也计划2021年开始发射欧洲第二代增强型的多角度偏振相机3MI (Multi-Viewing-Channel-Polarisation Imager)^[50], 计划发射3颗。 根据EUMETSAT和法国LILLE大学计划, 3MI将继续使用瑞利散射和太阳耀光定标方法; 美国计划在2021年发射Multi-Angle Imager for Aerosols (MAIA)多角度偏振相机^[12]用于探测PM2.5等大气污染状况。

多角度偏振相机在轨期间需要使用自然景物开展替代定标。 即使拥有星上定标器, 替代定标作为一种独立的方法, 仍具有第三方质控监督的重要作用。 如此众多的中外多角度偏振相机即将服务于地气系统的遥感探测, 其在轨定标应充分挖掘新卫星新载荷的特色, 发展具有更高精度的方法, 创新定标手段。 在轨定标还有很多工作可以拓展, 例如在实验室定标比较容易实现的偏振片装配角度、 温度对各波段的辐射响应影响系数、 面阵CCD数据采集产生的帧转移效应等, 需要联合实验室定标经验、 卫星平台的姿轨参数和环境参数等进行在轨定标方法研究。

当然, 光学遥感器的在轨替代定标发展经历几十年, 方法体系相对成熟, 在这种情况下, 也应该针对现有方法深化研究, 提出提高精度的新方法。 尤其偏振相机作为新型遥感器列入多个航天计划^[53], 其在轨定标理论和方法体系将补充航天光学遥感定标领域短板, 通过模拟分析厘清误差规律, 通过研究优选方法、 高精度过程质控方法和实验检验分析减小系统性和随机性误差, 使现有方法具有更好的精度和稳定性。