辐射定标是将遥感传感器的探测值转换为真实物理量(如辐亮度等)的处理过程, 是遥感定量化应用的基础和重要前提, 对定量遥感精度起着至关重要的影响^{[1, 2]}。 定量化遥感应用一般要求传感器定标精度优于5%。 然而即使在发射前卫星传感器的辐射定标精度已经较为完善, 但由于太空环境的影响以及在轨定标系统的退化, 发射升空后卫星辐射定标参数可靠性下降, 使得卫星定量化产品的精度难以保障^{[3, 4]}。 此外, 卫星传感器辐射性能随着时间的逐渐退化是光学遥感器一个非常常见的现象, 因而对传感器辐射性能进行持续的在轨监测, 对定标结果进行验证及传感器性能进行评价具有重要的意义^[5]。 然而传统的场地辐射定标耗时耗力, 且观测次数有限, 受到天气条件影响, 难以提供卫星传感器辐射性能长时间序列连续变化趋势监测^[6]。 因此, 探索一种限制因素少的在轨卫星传感器辐射性能验证方法不仅对持续监测传感器的辐射性能提供支持, 也可为遥感产品的质量分析提供依据, 对于提高遥感定量化水平具有重要意义。

光学传感器的在轨辐射性能跟踪的研究根据其场景不同可以分为四类: 深对流云、 月球、 沙漠及海面耀斑。 深对流云往往存在于对流层顶, 云层较厚, 在可见光-近红外波段具有较高且稳定的反射率, 适合于传感器的定标与跟踪^[7]。 陈林等基于深对流云对FY-3A中分辨光谱成像仪(medium resolution spectral imager, MERSI)和FY-2扫描辐射计(stretched visible and infrared spin scan radiometer, VISSR)的可见光波段进行了长时间序列的稳定性分析, 发现FY-3A/MERSI发射后的4年内蓝光通道衰退达37.4%^[8]。 深对流云定标方法在2011年已被全球天基卫星交叉定标系统(World Meteorological Organization/Global Space-based Inter-Calibration Sytem, WMO/GSICS)列为优先采用的可见光替代定标方案之一^[9]。 月球不受大气影响且较为稳定, 其辐射量也位于大多数卫星传感器的探测动态范围内, 使之成为可用的稳定辐射目标之一, 是传感器长时间响应衰减跟踪的理想目标^[10]。 Sun等通过对MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)每月一次的月球观测数据分析发现, MODIS太阳反射波段的误差情况存在着不同入射镜面不同的情况^[11]。 吴荣华等通过分析FY-3C/MERSI在轨一年内的辐射数据发现, 通道8、 9在第一年内的衰减达到了14.55%和8.42%^[12]。 沙漠地区地表类型均一, 大气状况较为稳定, 一般作为伪不变目标为光学传感器的长时间序列提供定标基准。 早在20世纪90年代, Staylor等利用Libyan沙漠场68个月的反射率数据对NOAA AVHRR的衰减率^[13]。 在此基础上, Rao等计算了NOAA AVHRR的定标精度, 结果显示相对精度约为5%左右, 但是受到地表反射率和大气条件假设的限制, 其精度提升有限^[14]。 海表耀斑区近似镜面反射, 大气影响相对较弱, 波段间差异性较小, 是较理想的稳定目标^[15]。 Kaufman等使用NOAA/AVHRR在海表耀斑区可见光波段的观测值对近红外波段进行校准^[16]。 Hagolle等基于SPOT/VEGETATION传感器在耀斑区的成像数据, 以0.65 μ m耀斑区反射率为基准, 对其他光学波段进行辐射定标, 其不确定度优于5%^[17]。 可以看出, 利用海洋耀斑区作为稳定目标, 可以为光学传感器的辐射定标及其辐射性能长时间序列监测提供依据。

我国气象卫星发展迅速从20世纪70年代起, 已经发射了21颗风云系列卫星, 包含极轨卫星(FY-1, FY-3)及静止卫星(FY-2, FY-4)两大系列。 其中FY-3是我国第二代极轨气象卫星, 它在FY-1气象卫星的基础上进行了针对性的改进和提高, 功能和技术均有较大的进步。 FY-3搭载了可见光红外扫描辐射计、 红外分光计、 微波温度计及中分辨率光谱成像仪(MERSI)在内的多个传感器, 可实现对大气、 陆地、 海洋的多光谱连续综合观测。 MERSI传感器分为MERSI-Ⅰ 、 MERSI-Ⅱ 、 MERSI-Ⅲ 三代, 其中FY-3A/B/C搭载MERSI-Ⅰ , FY-3D搭载的是MERSI-Ⅱ , FY-3F搭载的是MERSI-Ⅲ ^{[18, 19]}。 FY-3B卫星于2010年11月5日发射成功, 2020年6月1日停止业务运行, 是我国目前在轨业务运行寿命最长的极轨气象卫星, 搭载在其上的MERSI在气象预报、 大气环境监测中发挥了重要作用。 孙凌等^[20]研究表明FY-3BMERSI不同通道随时间出现一定程度的衰减。 因此本研究针对FY-3B MERSI-Ⅰ 传感器在轨辐射性能衰减这一问题, 利用海洋表面耀斑区作为定标场景, 以860 nm波段为基准, 对MERSI-Ⅰ 传感器发射8年内的辐射性能衰减进行分析。

海洋表面耀斑区指的是传感器观测方向位于或接近于海洋镜面反射方向的区域。 在这个区域, 太阳的反射往往是离水辐射的几十倍以上, 使得卫星传感器接收到的辐射主要是海表反射导致。 在海洋表面耀斑区域, 表观反射率较高且光谱平坦, 不同波段间的反射率比值也基本为一个常数, 非常适合于波段间的交叉定标。 在利用耀斑数据进行传感器长时间序列跟踪时, 需要选择一个基准通道, 假定此基准通道辐射特性较为稳定, 并分别计算其他通道与基准通道的反射率比值。 由于基准通道的反射率被认定为长时间稳定的, 因此, 其他通道反射率与基准通道反射率之间比值变化即可反映出待跟踪通道变化情况。 因此, 基准通道需要满足两个条件, 一是基准通道变化相对较为稳定, 衰减较弱; 二是基准通道本身的定标精度较高, 受大气吸收或大气散射影响较小。 865 nm波段和1 640 nm波段的各项特征使之较合适于基准通道, 但是FY-3B/MERSI的1 640 nm波段星上辐冷罩没有完全打开, 导致其辐射性能不稳定。 因此, 采用865 nm波段作为基准通道用以跟踪其他各个波段辐射性能的变化, 总体数据处理流程如图1所示。 首先是对耀斑区的数据进行筛选与合并, 在此基础上筛选取质量合格的纯净耀斑像元, 再对数据进行若干天数据的合并和比值计算, 将多年的比值进行拟合, 得到长时间序列衰减结果并进行分析。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 基于海面耀斑的风云3B中分辨率光谱成像仪在轨衰减跟踪流程图Fig.1 On-orbit attenuation tracking technology route of FY-3B MERSI based on ocean sun glint

1.1 耀斑区数据筛选与合并

耀斑的产生与地表类型、 观测几何相关, 提取耀斑区数据首先需通过读取传感器观测数据中的海陆标志数据集挑出位于海洋的数据, 然后根据耀斑角进行耀斑数据定位。 耀斑角可以定义为太阳光在海平面的入射光线与卫星观测方向之间的夹角, 如式(1)所示:

cos2ω=cosθscosθv+sinθssinθvcos(ϕs-ϕv)(1)

式(1)中, θ _s、 θ _v、 ϕ _s、 ϕ _v分别代表太阳天顶角、 观测天顶角、 太阳方位角、 观测方位角, ω 为耀斑角。 通常当ω 在0° ~36° 范围内时, 认为数据位于耀斑区。 为了进一步提高数据质量, 将耀斑角范围控制在5° ~25° 范围内。 耀斑角在5° 以内的部分可认为是耀斑中心, 这个区域内反射率较高, 有可能会超过某些通道的动态响应范围, 从而导致通道间反射率比值出现异常, 因此予以剔除。 在剔除部分数据后, 将MERSI数据同一轨数据进行合并, 通常一天可提取15个耀斑区, 见图2。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 全球耀斑地理分布情况Fig.2 Geographical distribution of global sun glint

1.2 耀斑区有效数据筛选

由于云的干扰, 部分耀斑区数据并不能真实反映海洋耀斑的反射性质, 因此需要在实际数据处理中将这部分数据剔除。 此外, 位于浅海或陆地附近的耀斑数据的反射特征中与干净海洋有很大差异, 因此也需要剔除。 原始耀斑区数据需要经过位置筛选、 深海数据筛选、 云筛选和有效数据选择之后才能真实地反映出各通道之间的比值关系。 在全球四大洋中, 太平洋海洋较为辽阔, 深海区域较为广泛, 因而本文将选取太平洋耀斑区进行衰减跟踪。 太阳耀斑一般在一年内随着太阳直射点在地球南北移动, 通过耀斑中心进行定位, 选取位于100° — 180° W之间的耀班。 图3(a)是经过位置筛选后的某个耀斑, 图中的不同颜色代表865 nm通道反射率的大小, 图中有反射率明显偏大的部分, 这些数据可能是干扰数据, 需要进行进一步的筛选。 在进行位置筛选之后的耀斑数据基本位于太平洋洋面上, 但是太平洋中部依然还有部分岛屿会产生一定的影响。 通过MERSI L1数据集中LandSeaMask筛选出海洋深度大于500 m的深海区域数据, 以避免岛屿和浅海的影响。 云的存在会干扰耀斑观测信息, 影响耀斑区信号的质量。 通过变异系数和865 nm反射率来进行云检测, 在晴空时耀斑信息较为均匀, 而云的存在使海洋上空数据变得不平滑, 因此通过计算耀斑区变异系数对云检测具有一定的作用, 如式(2)所示

V=σ/x-(2)

式(2)中, V表示变异系数, σ 为标准差, x-为均值。 根据反复试验, 可通过以下筛选条件进行云检测与去除: (1)865 nm 通道反射率小于75%; (2)412 nm通道和865 nm通道变异系数小于0.008。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 耀斑区865 nm通道反射率分布 (a): 观测几何筛选后的耀斑分布; (b): 各种数据筛选后最终的耀斑区分布Fig.3 Reflectance distribution of 865 nm channel in the glint region (a): Glint distribution after location screening; (b): Final glint distribution after various data screening

在经过位置筛选、 深海数据筛选、 云筛选三个筛选步骤之后大部分数据是有效的耀斑数据, 但是实际中也出现了部分反射率大于100%的数据, 因此, 还需要进行最后一步有效数据选择方可选取有效应用数据。 图3(b)为经过各种筛选处理后耀斑的空间分布, 此时的反射率比较符合耀斑区的特征, 但云筛选还需要进一步进行。

基于地球表面稳定目标之一的海洋表面耀斑, 提取耀斑区有效数据, 以865 nm通道为基准通道, 分别计算其他通道与基准通道之间在耀斑区反射率的比值来跟踪FY-3B/MERSI在2011年— 2018年期间的衰减情况。 结果显示, 太阳反射波段的衰减一般发生在短波波段, 并且波长越短, 衰减和震荡越明显, 其中412 nm通道年衰减率可达7.12%, 而765 nm通道年衰减率仅为0.28%。 1 030 nm通道与其他长波相比虽然震荡较弱, 但衰减却十分迅速。 这种衰减和震荡需要及时在定标系数中得到更新与体现, 对定标系数进行衰减订正, 完成波段间的相互校准, 提高定标精度。 此外我们将此方法用在FY-3C VIRR上, 采用1 640 nm波段作为基准通道进行分析, 结果表明1 640 nm波段同样能够很好的进行波段间的衰减追踪。

本文首次使用海洋耀斑对FY-3B MERSI长时间序列的数据进行波段间的衰减追踪, 本方法也可以用于其他传感器的衰减跟踪和波段间的交叉定标, 具有很强的可移植性。 但是本文得到的衰减跟踪结果只是针对基准通道的相对衰减, 在今后的工作中仍需要继续进行基准通道的绝对定标, 然后依据耀斑区域不同波段间的比值关系完成波段间的绝对定标, 并进行定标精度的评估。