国产卫星传感器在轨 MTF检测方法的评价与研究

调制传递函数(MTF)是光学成像系统成像性能的一种重要的评价指标,其值的高低可以直接反映成像系统成像质量的好坏。本文基于MTF检测的理论基础和通过遥感影像来测定MTF的原理,借鉴国内外的研究经验,讨论了刀刃法、脉冲法、点光源法,以及利用了周期性靶标(辐射状靶标)来在轨检测MTF的方法和流程。使用中巴资源一号02C卫星和中国资源3号卫星的实际数据进行了测试,对上述的几种MTF检测方法进行比较和分析,进而得到卫星传感器在轨MTF检测在不同情况下的最优化方法。     

TDI-CCD在轨成像质量MTF数值模拟

在研究卫星总体参数对TDICCD推扫成像调制传输函数MTF（Modula Transfer Function, MTF）影响关系的基础上,提出了一套模拟卫星在轨成像MTF下降的技术方法。通过这套模拟方法,建立了卫星总体参数与在轨成像质量MTF下降之间的关系,为用户根据对遥感图像质量MTF指标的需求来确立对卫星主要总体参数的要求提供了分析手段。     

高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估

对遥感器及其图像的在轨辐射性能(信噪比、相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度和动态范围)评估是检验遥感器定量应用能力的重要任务之一。本文结合高分五号卫星可见短波红外高光谱相机AHSI (the Advanced Hyperspectral Imager)在轨性能评估任务,依据卫星发射以来的在轨测试数据,介绍了AHSI相机在轨辐射性能评估的原理、方法及相应测试情况。测试结果表明:AHSI信噪比可见近红外最高达到近700,短波红外最高达到近500;相对辐射定标精度误差小于0.5%,星上绝对辐射定标不确定度小于3%,场地绝对辐射定标真实性检验精度误差小于5%;动态范围在轨可见短波均可以256档增益精细调整。AHSI在轨辐射性能良好且稳定,能够有效支持后续定量化应用需求。     

遥感25号无场化相对辐射定标

遥感25号是中国首颗高敏捷亚米级高分辨率光学遥感卫星。常规的偏航相对辐射定标利用卫星或相机偏航90°对地面均匀场进行成像,使得传感器所有探元获取相同的入瞳辐射亮度,实现卫星传感器的相对辐射定标。但拍摄单一地物均匀场并不能实现卫星传感器全动态范围的辐射定标,并降低了该方案的应用效率。本文针对中国遥感25号卫星,提出了不依赖于地面均匀场的无场化偏航辐射定标方法实现遥感25号的高精度高频次相对辐射定标;同时在偏航辐射定标数据处理中提出基于line segment detector(LSD)算法偏航定标数据规定化方法,确保偏航辐射定标图像每一行数据为传感器所有探元对同一地物的成像;采用传感器探元直方图规定化的方法实现遥感25号全动态范围相对辐射定标参数解算。利用遥感25号偏航辐射定标数据进行辐射定标试验并与传统在轨统计辐射定标进行对比,结果表明遥感25号经偏航辐射定标后所有探元平均条纹系数优于0.07%,图像上各种条纹条带噪声以及残余条带噪声得到较好去除,无场化偏航辐射定标方法优于传统在轨统计辐射定标方法。     

高分四号静止轨道卫星高精度在轨几何定标

高分四号是世界上第一颗静止轨道高分辨率光学遥感卫星,高精度的几何定标是确保其成像几何质量的关键。本文分析了静止轨道卫星成像几何误差源及成像区域特点,提出了其严格几何成像模型;并在此基础上提出了静止轨道卫星面阵传感器在轨几何定标模型与定标参数估计方案。本文利用Landsat 8数字正射影像与GDEM2数字高程模型对高分四号卫星进行在轨几何定标,结果表明,通过严格的几何定标,可见光近红外传感器与中红外传感器的内部畸变在沿轨与垂轨方向上均稳定优于1个像素,通过统计分析可知,高分四号静止轨道卫星影像的绝对定位精度会受到成像时间与成像角度的影响而存在显著的波动。     

卫星遥感影像信息缺失检测

随着国产卫星在轨服役时间变长,卫星传感器部件老化导致成像系统拍摄的遥感影像上存在信息缺失,需要在影像生产前对其进行剔除或处理。本文提出了自动化遥感影像信息缺失检测方法,针对国产卫星遥感影像中的横向条带、纵向条带、局部像元信息缺失和图像波段异常4种情况进行检测。实验结果表明,该方法检测精度较高,作为生产预处理的一个环节,可以过滤大量无法满足应用需求的影像,提高影像生产效率。     

面向星载CMOS相机的超时相工作方式研究

随着星载面阵CMOS探测器的广泛使用,使得获取超时相数据成为可能,这为新型对地遥感工作模式带来新的发展机遇。本文不再局限于采用单一技术解决单一技术指标的传统解决问题的方式,系统性地提出一种面向星载面阵CMOS相机的新型成像方式,利用面阵CMOS相机连续快速曝光在极短的时间内获取同一观测区域的超时相序列数据,通过图像重建的方式,实现一揽子的图像质量提升,即同时实现虚拟数字时间延迟积分TDI（Time Delay Integration）、调制传输函数MTF（Modulation Transfer Function）补偿和空间分辨率GSD（Ground Sampling Distance）提升。这种新型成像方式的优点是,可以改善星载光学相机是探测器受限系统的窘境,进而在不改变光学系统的情况下,通过求解一个病态方程,实现对地遥感图像空间分辨率与成像质量的综合提升。基于实验室的靶标仿真实验数据、基于低轨光学遥感卫星OVS-1A、吉林一号视频03卫星和高分四号卫星的真实数据实验结果表明,无论是信噪比,图像清晰度还是空间分辨率都有明显提升。这种新型成像方式已被中国后续某地球同步轨道光学成像卫星所采用,可以预见的是,这种成像方式不仅可以使得在轨卫星发布更高分辨率与更好图像质量的产品,盘活在轨卫星的探测资源;在实现同样空间分辨率与图像质量的前提下,可以有效降低光学相机载荷的体积与重量,进而可以有效降低未来光学卫星的研制成本。     

基于可展开式太阳漫反射板的星上相对辐射定标

相对辐射定标的目的是降低或消除由于探测元件之间响应差异引起的图像高频竖向条纹或条带噪声,是遥感数据定量化应用的前提与基础。针对可展开式太阳漫反射星上定标装置,本文提出利用漫反射板收拢过程一次成像的星上相对辐射定标方法。通过卫星机械结构驱动漫反射板收拢调整传感器入瞳处太阳入射能量,获取覆盖传感器全部灰度动态范围的星上定标图像,采用直方图匹配算法解算相对辐射定标系数。为了验证本文提出的方法,利用在轨运行的吉林一号光谱星多光谱仪进行星上相对辐射定标实验,测试定标系数对原始图像的校正效果并定量分析相对辐射定标精度,实验结果表明定标系数能够有效消除全色与多光谱谱段地物原始图像的竖向高频条纹与条带噪声,定量分析的结果表明本文提出的方法在传感器灰度响应的全动态范围均能达到较好的校正效果,谱段相对辐射定标精度优于2%,为卫星在轨运行期间进行定量化遥感应用提供可靠保障。     

静止气象卫星轨道运动的成像补偿研究

为进一步提高观测频次和信噪比,近年来各国新一代静止气象卫星均采用三轴稳定工作模式对地扫描成像。为了精确提取遥感目标物所在地点关于地表、云和大气状态的定量参数产品,必须要解决图像配准和定位问题。轨道漂移运动引起卫星视轴在地球表面上移动,导致连续图像之间产生相对位移,影响云图动画的图像配准精度。以2016年12月发射的中国风云四号卫星成像仪为研究对象,给出了图像参考基准的严密定义,研究了一种轨道运动补偿OMC(Orbit Motion Compensation)方法。通过给成像仪2维扫描机构增加转角补偿的方法在卫星上实时引导视线扫描路径,卫星相当于在理想轨道位置的视角成像。得到的遥感图像均被配准到地球固定网格FG(Fixed Grid),保持相对固定的几何定位关系。由于这种在卫星上完成的补偿剥离了L0级图像数据与卫星轨道测量信息之间的关系,从根源上保证了原始图像的长周期定位稳定性。为证明方法的正确性,利用风云四号卫星在轨测试的遥感图像L0级数据进行了试验验证。结果表明,云图动画中南北方向相对运动距离由973.0μrad缩小至75.6μrad,东西方向由205.8μrad缩小至81.2μrad。星上轨道运动补偿有效削弱了周期性轨道运动对图像定位与配准的干扰,显著提升图像配准精度。针对未来带有长线阵的新型静止卫星成像仪发展趋势,分析了进行星上轨道运动补偿时引起的长线阵探测器边缘像元误差问题,提出了采用电推进系统对卫星轨道倾角进行高精度保持控制来降低边缘误差的解决方案。     

双星敏感器在轨相对热变形分析及修正

为了获取高质量的对地观测遥感图像,除了有效载荷成像的高分辨率外,还需要卫星平台姿态具有高精度。在双星敏联合姿态确定时,星敏感器之间的相对热变形会对姿态确定带来不利影响,需对热变形误差进行辨识与修正。通过对某遥感卫星在轨遥测数据进行分析,建立了星敏感器在轨结构热变形模型,并对星敏感器热变形进行了在轨修正。采用辨识得到的傅里叶级数的热变形模型参数,对星敏热变形进行在轨修正后,提高了星敏感器的测量精度,减小了星敏感器之间的热变形误差对姿态确定精度的影响,对得到高质量的对地观测遥感图像具有很大的工程应用价值。     

HJ-1卫星CCD图像信噪比评估

采用基于边缘块剔除的局部方差法对我国HJ-1环境卫星CCD图像的信噪比进行了评估,选取满足噪声评估环境的图像,分析了HJ-1/CCD影像各个波段的信噪比特征。结果表明,HJ-1/CCD影像第3波段信噪比最高,第4波段相对较低;与美国Landsat/TM图像相比,HJ-1/CCD图像信噪比整体上更高。     

星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标方法

星载传感器在轨辐射定标是定量遥感的核心和基础,其定标精度将直接决定定量遥感产品的质量。但是对于多相机拼接成像传感器而言,现有在轨辐射定标方法无法实现各相机绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理。因此,本文以高分一号(GF-1)卫星宽视场(WFV)传感器为例,提出了一种基于改进型辐射区域网平差的在轨辐射定标方法。该方法首先利用传统的交叉定标方法获取WFV传感器各相机的辐射控制点信息,然后在同轨相邻相机影像重叠区域中提取辐射连接点信息,最后在考虑相机间相对辐射校正与绝对辐射定标之间的耦合关系后,采用整体平差的方式同时获取各相机在轨绝对辐射定标系数及辐射约束条件方程参数。试验结果表明采用该方法获得的各波段在轨绝对辐射定标系数的相对误差均优于9.34%,同时利用该定标系数能够实现同轨相邻相机影像间相对辐射校正处理,其重叠区域各波段表观辐亮度差异绝对值的平均值均小于1.63 W·m~(-2)·sr~(-1)·μm~(-1)。     

大气折射对光学卫星遥感影像几何定位的影响分析

采用ISO国际标准大气模型和Owens大气折射系数算法,根据大气层内不同纬度和海拔高度处的大气折射系数分布规律,把地球大气简化为对流层和同温层的双层均匀球形大气,从在轨光学卫星CCD探元视线出发,使用视线跟踪几何算法,计算不同侧视角下大气折射产生的几何位置偏差。结果表明,大气折射几何偏差随卫星观测角的增加而非线性迅速增加。当卫星运行在650km的太阳同步轨道,侧视30°成像时,大气折射产生约2.5m的几何偏差;卫星侧视45°成像时,大气折射产生约9m的几何偏差。在高分辨率敏捷卫星成像和宽视场卫星遥感图像的严密几何定位处理中,使用本文提出的大气折射几何偏差算法和严密几何定位大气折射校正模型,在地心地固坐标系下补偿严密几何模型中存在的大气折射偏差,能够进一步提升高分辨率卫星遥感图像的无控几何定位精度,应用于我国高分系列卫星遥感图像地面几何定位处理。     

温室气体星载被动遥感探测载荷研究进展

应对CO₂和CH₄等温室气体含量增加导致的全球气候变暖问题,促进碳减排已成为全球共识。建立完善的碳监测体系,利用星载平台进行被动遥感探测是当前温室气体观测的主要手段之一。本文以在轨成功应用的星载被动遥感探测载荷3种技术体制为基线,介绍了有效载荷的仪器指标,分析比较了各种技术的优缺点,结合未来温室气体探测计划,总结了温室气体星载被动遥感探测的发展趋势。将高分五号卫星大气主要温室气体监测仪在轨表现与新型干涉成像光谱技术相结合,分析其在高光谱分辨、高信噪比基础上进一步实现高空间分辨率的可行性,为研制具有实时动态、不同细分程度区域的碳监测能力的下一代温室气体载荷提供可能。     

高分辨率遥感卫星传感器严格成像模型的建立及验证

本文对高分辨率遥感卫星传感器严格成像模型进行了深入研究。分析了星载线阵CCD传感器严格成像模型的一般建立方法与过程,针对SPOT 5 HRS/HRG、ALOS PRISM、资源三号TLC等典型的高分辨率遥感卫星传感器特点,分别给出了3种改化的严格成像模型;设计了基于光束法区域网平差的模型验证方法。利用登封遥感实验场区域的3种卫星影像及相关辅助数据,对严格成像模型的正确性进行了验证。结果表明3种改化模型可有效实现卫星影像的平差定位。     

运用分段仿射变换模型拼接分片TDICCD图像

介绍了多片非共线TDI CCD传感器,并分析了该类传感器的成像特点。用SIFT算法提取片间连接点,用分段仿射变换模型描述分片CCD图像的平移、旋转和缩放,利用大量连接点构建误差方程,求解仿射变换系数,最终实现分片TDI CCD图像的几何拼接。采用某高分辨率卫星遥感图像对提出算法进行实验验证,结果表明:分段仿射变换拼接算法总体拼接精度达到子像素级。     

北京1号小卫星遥感器性能在轨测试

北京1号小卫星是中国第一颗实用型对地观测微小卫星,也是"国际灾难监测星座(DMC)"的第五颗星,该卫星于2005年10月27日在俄罗斯发射成功,设计寿命5年.在北京1号小卫星发射成功后,中英双方开始对卫星进行在轨测控和调试.在分析光学遥感器成像模型基础上,参考国际典型卫星在轨测试内容和北京1号卫星的特点,提出了北京1号小卫星在轨测试的内容、指标体系和技术方法,全面评价了北京1号小卫星的辐射性能、几何性能、光谱性能和图像综合质量,评价结果表明北京1号小卫星具有良好的性能.     

利用区域辐射特性优化获取光学遥感数据

通过分析成像过程及其影响因素,提出了对成像积分时间进行控制的优化成像方法。首先建立成像参数模型,探讨了模型参数计算、成像过程中模型参数的选择,分析了图像后处理问题,并利用北京一号小卫星进行了遥感数据优化获取实验。实验结果表明,根据地物特性进行成像参数优化后获取的图像具有更宽的动态范围和更高的辐射分辨率,信息量和信噪比也大幅增强。     

北京1号小卫星图像噪声评估

从理论和试验方面对图像的噪声评估方法进行了分析。结合北京1号小卫星特性, 进行了该类方法应用效能的评价, 讨论了分块评估噪声方法的最佳参数设置。选取满足噪声评估环境的图像, 实现了综合不同地表覆盖条件的北京1号小卫星图像噪声的评估。噪声评估结果与在轨测试情况的对比表明, 北京1号小卫星经过近3年的运行, 仍保持了较好的性能。     

重复轨道SIR-C极化干涉SAR数据植被覆盖区土壤水分反演研究

从理论和试验方面对图像的噪声评估方法进行了分析。结合北京1号小卫星特性, 进行了该类方法应用效能的评价, 讨论了分块评估噪声方法的最佳参数设置。选取满足噪声评估环境的图像, 实现了综合不同地表覆盖条件的北京1号小卫星图像噪声的评估。噪声评估结果与在轨测试情况的对比表明, 北京1号小卫星经过近3年的运行, 仍保持了较好的性能。