Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 大气气溶胶多角度偏振成像仪数据校正及检验方法研究 | |
| 涂碧海 | |
| 出版年 | 2020 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 中国科学技术大学 |
| 中文摘要 | 气候与环境是人类赖以生存的基础。大气卫星遥感的长期和全球范围观测能力,使其在全球气候和环境监测中具有独特的技术优势。高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振成像仪(Directional Polarimetric Camera,DPC)在传统光谱维探测基础上,增加了多角度偏振信息的探测能力。DPC信息维的拓展提高了对大气与环境的探测能力,然而,在具有信息获取优势的同时,其采用的广角、分时成像技术,也面临着一些新的问题,如镜头起偏、杂散光、像元响应非均匀性以及在轨观测时地球曲率影响等,这些问题不同程度地降低了偏振遥感数据质量,从而影响对云和气溶胶等大气要素反演能力。需要借助校正与检验等方法,消除或降低这些因素对数据质量的影响。DPC为国内首部以业务化运行为目标的广角偏振成像仪器,为保障该载荷的卫星遥感质量,论文从适应DPC定量化遥感应用的数据校正方法、业务化运行的系统设计以及大视场在轨检验等三个方面开展研究:(1)精确的数学模型和系统集成的校正算法,是数据精度的保障和业务化运行的前提。推导DPC的大视场透射式偏振辐射响应模型,设计电子学系统的探测器校正和光学系统的定标校正两个主模块,避免了误差源混叠。基于温度变化对DPC光谱响应的影响,在进行探测器校正方法研究中,新研制具有温控功能的探测器综合测试设备,采用基于帕尔贴效应的半导体热电制冷器和低温循环机组合的控温方法,温控精度达±0.15℃。针对DPC通过积分时间调整工作模式的方式,设计基于积分时间变化的多参量校正补偿的非均匀性校正方法,在校正暗电流、帧转移、温度漂移误差的基础上,校正了全像面低频不平衡差异,以及领域像元内的高频响应差异。探测器校正后,温度波动产生的辐射测量误差小于0.1%,单帧数据的非均匀性由1.141%下降到0.513%。通过大量实验室测量,获取定标参数,并利用定标校正模块有效控制了 DPC测量误差:近红外波段高反射率云对周边水体高达80%增量的杂散光辐射得到校正;由偏振引起的辐射测量误差减小到0.34%以内;检偏通道分时测量的视场差异通过光楔得到有效补偿,偏差小于0.1像元。数据校正后,DPC辐射测量误差小于5%,通过可调偏振度光源和外场天空光验证偏振测量误差小于2%。数据校正方法满足仪器测量精度要求。(2)在轨运行前,数据校正地面系统与DPC研制同步进行。作为新研系统,缺乏实际在轨数据支持,采用DPC在轨数据模拟的方法,开展系统研制工作,在轨运行后,业务系统得到实际在轨数据验证。基于轨道仿真、矢量辐射传输、光电转换和空间投影等数据模拟方法,研究DPC多角度成像数据特性,实现空间分辨率不一致的多角度、多光谱数据空间匹配,以此为基础设计DPC数据格式、接口。使用分层压缩数据格式,有效管理遥感数据。设计基于分布式处理的计算程序,实现DPC数据校正业务化运行。程序优化了大运算量的杂散光校正卷积运算(计算占比约40%)和几何校正迭代运算(计算占比约30%)。在多种计算运行环境下,数据校正计算均满足1小时以内的时效性要求。在轨测试期间,推送1609轨数据产品,完成数据校正地面系统运行测试。数据校正程序采用模块化可扩展设计,适应未来DPC多角度观测数从9个增加至17～34个的进一步需求。(3)在轨测试期间,针对多角度、大视场检验时效性要求,研究在轨检验方法,并基于云偏振实现了偏振校正关键参量的在轨检验。通过定位精度0.02像元的图像特征点算法评估了光楔补偿效果,满足偏差小于0.1像元的设计目标,同时对多角度、多光谱数据匹配性能进行了检验。由于传统单点统计检验方法难以满足大视场检验时效性需求,研究了 DPC偏振辐射检验方法。通过基于双向反射率拟合的沙漠场反射率法对多角度观测的辐射信息进行检验,场地检验和交叉检验结果一致。通过大范围海洋耀光实现了复杂多云环境下大视场偏振探测性能快速评测。检验表明:DPC在轨性能和实验室保持一致,数据校正方法有效,检验方法满足大视场检验时效性要求。采用沙漠场地对相对辐射校正效果进行检验,相对辐射响应变化量小于4%,像元响应非一致性得到有效校正。基于云偏振特性对偏振参量进行检验,DPC显示了利用偏振信息进行云相态辨识的能力,连续多角度观测,水云的偏振反射率保持一致。偏振参量相对透过率变化小于0.2%,起偏度变化小于0.01。关键参量的检验方法为在轨定标提供了技术参考。 |
| 中文关键词 | 多角度遥感 ; 偏振成像仪 ; 遥感数据校正 ; 遥感数据模拟 ; 在轨检验 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | O436.3;P407 |
| 来源机构 | 中国科学技术大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337998 |
| 作者单位 | 中国科学技术大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 涂碧海. 大气气溶胶多角度偏振成像仪数据校正及检验方法研究[D]. 中国科学技术大学,2020. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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