本发明涉及探测元件定标技术领域，具体来说，涉及一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法。
背景技术：
现有技术方案在处理遥感器多探元的辐射响应不一致问题时，一般采用发射前测试法和对地观测数据统计法。
发射前测试法是基于卫星发射前，遥感器在实验室的测试结果，用于遥感器在轨工作期间的探元间相对定标。遥感器在实验室测试时，使用积分球作为理想辐射定标源，积分球出射光的空间均匀性、角度均匀性和时间稳定性方面都很理想。遥感器对积分球出口观测的计数值，直接可以获取探元间的相对辐射定标系数。存在的问题是遥感器发射后，在轨工作环境与实验室测试环境存在较大差异，遥感器长期在轨工作后，各个探元的辐射响应会发生不同的变化。实验室测试得到的相对辐射定标系数不适用于遥感器全生命期内观测数据的订正，需要在轨更新相对辐射定标系数。
另一种相对定标方法是基于对地观测数据统计特征而计算相对定标系数。统计各个探元的对地观测数据，提取统计量(如平均值，输出码值的累积概率等)，在不同探元间建立联系，计算出相对定标系数。统计法假设了各个探元所观测到的数据在从统计学角度是一致的，但是对于线阵推扫式成像仪，地面图像左侧和右侧的像素在光照上存在系统的差异，因此统计法在针对线阵推扫式成像仪的相对定标问题时，其前提假设不成立，因此需要做出另外的改进。
技术实现要素：
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，该方法包括以下步骤：
s1：基于发射前实验室积分球观测数据，计算遥感器探元相对定标系数初始值；
s2：确定遥感器探元间的相对辐射响应初始状态；
s3：基于卫星在轨后的首次对太阳漫射板观测数据，计算漫射板不同部位反射率的分布订正系数；
s4：分析并评估太阳漫射板不同部位反射率的分布情况；
s5：基于遥感器在轨工作期间对太阳漫射板的观测数据，计算遥感器在轨运行期间的探元间相对定标系数；
s6：更新探元间相对定标系数。
进一步的，所述步骤s1包括以下步骤：
s11：遥感器输出数据，其中，数据表示为
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·e(t，i) n(i，t)，
式中，dn(t，i)表示t时刻第i个探元的输出计数值，a为绝对辐射定标系数，r(i)为第i个探元的相对定标系数，e(t，i)为t时刻第i个探元入瞳处能量，n(t，i)表示t时刻第i个探元的随机误差；
s12：获取并分析发射前实验室积分球数据；
s13：计算探元间相对定标系数；
s14：生成数据初始值。
进一步的，所述步骤s3包括以下步骤：
s31：在轨后卫星首次采集太阳漫射板数据；
s32：分析并输出数据，其中，输出数据表示为
dn(t，i)＝a·r(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)，
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)，
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积，ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数随着i连续缓慢变化，es随着时间t连续缓慢变化；
s33：计算分布订正系数。
进一步的，所述步骤s5包括以下步骤：
s51：获取在轨工作期间太阳漫射板的数据；
s52：分析太阳漫射板的数据；
s53：计算运行期间的探元间相对定标系数。
进一步的，所述步骤s11中，所有探元同分布于均值为0，标准差为σ的正态分布；所有e(t，i)数值相同；标准探元的相对定标系数等于1。
进一步的，所述步骤s3和步骤s5中，参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。
本发明的有益效果：通过该方法，解决了线阵推扫式偏振遥感器在轨工作寿命期内，探元间相对辐射响应随时间发生变化问题，解决了线阵推扫式遥感成像仪图像纵向条纹现象不断恶化的订正问题；同时针对线阵推扫式偏振遥感器的探元间相对定标问题，提供了基于在轨太阳漫射板的相对定标方法，成功应用于云与气溶胶偏振成像仪(capi)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的流程框图；
图2是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的积分球原始观测数据图；
图3是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的初始化的相对定标系数图；
图4是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的首次太阳漫射板观测数据图；
图5是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的全部探元单帧漫射板观测计数值图；
图6是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的漫射板反射率订正系数图；
图7是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的在轨工作后太阳漫射板观测数据图；
图8是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的全部探元单帧漫射板观测计数值图；
图9是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的相对定标系数更新值图；
图10是根据本发明实施例所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法的在轨相对定标系数与发射前测量值的绝对差异图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，包括以下步骤：
s1：基于发射前实验室积分球观测数据，计算遥感器探元相对定标系数初始值；
s2：确定遥感器探元间的相对辐射响应初始状态；
s3：基于卫星在轨后的首次对太阳漫射板观测数据，计算漫射板不同部位反射率的分布订正系数；
s4：分析并评估太阳漫射板不同部位反射率的分布情况；
s5：基于遥感器在轨工作期间对太阳漫射板的观测数据，计算遥感器在轨运行期间的探元间相对定标系数；
s6：更新探元间相对定标系数。
步骤s1包括以下步骤：
s11：遥感器输出数据，其中，数据表示为
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·e(t，i) n(i，t)，
式中，dn(t，i)表示t时刻第i个探元的输出计数值，a为绝对辐射定标系数，r(i)为第i个探元的相对定标系数，e(t，i)为t时刻第i个探元入瞳处能量，n(t，i)表示t时刻第i个探元的随机误差；
s12：获取并分析发射前实验室积分球数据；
s13：计算探元间相对定标系数；
s14：生成数据初始值。
步骤s3包括以下步骤：
s31：在轨后卫星首次采集太阳漫射板数据；
s32：分析并输出数据，其中，输出数据表示为
dn(t，i)＝a·r(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)，
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)，
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积，ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数随着i连续缓慢变化，es随着时间t连续缓慢变化；
s33：计算分布订正系数。
步骤s5包括以下步骤：
s51：获取在轨工作期间太阳漫射板的数据；
s52：分析太阳漫射板的数据；
s53：计算运行期间的探元间相对定标系数。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤s11中，所有探元同分布于均值为0，标准差为σ的正态分布；所有e(t，i)数值相同；标准探元的相对定标系数等于1。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤s3和步骤s5中，参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本发明基于遥感器对太阳漫射板的观测数据，实现寿命期内探元间辐射响应的相对定标。
本发明主要流程为遥感器探元间相对定标系数的初始值计算，太阳漫射板反射率空间分布模型计算，相对定标系数在轨更新计算。
遥感器输出图像可用如下模型表示：
dn＝coef·e n
式中dn为输出计数值，e为入瞳处能量，coef为探元的辐射响应系数，其描述了遥感器探元对入射能量的辐射响应情况。n为随机噪声，一般为均值为0，标准差为σ的正态分布。
对于线阵推扫式遥感成像仪，其单帧输出数据可表示为：
dn(i)＝a·r(i)·e(i) n(i)
coef(i)＝a·r(i)
r(standard)＝1
式中i为线阵探测器的第i个探元的编号，coef可以表示为绝对定标系数a和相对定标系数r的乘积，绝对定标系数a描述了参考探元对入射能量的输出响应情况，相对定标系数r描述了线阵探元相对于参考探元的相对辐射响应情况，由定义可知标准探元的r(i)等于1。
1.遥感器探元间相对定标系数的初始值计算模块
用于确定遥感器探元间的相对辐射响应初始状态。基于发射前实验室积分球观测数据，计算探元间的相对定标系数。观测积分球时，遥感器输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·e(t，i) n(i，t)
式中，dn(t，i)表示t时刻第i个探元的输出计数值，a为绝对辐射定标系数，r(i)为第i个探元的相对定标系数，e(t，i)为t时刻第i个探元入瞳处能量，n(t，i)表示t时刻第i个探元的随机误差，所有探元同分布于均值为0，标准差为σ的正态分布。考虑到积分球的时间稳定性和空间均匀性，所有e(t，i)数值相同。另外，标准探元的相对定标系数等于1，因此相对定标系数的初始值的最优估计，可以利用下式计算：
考虑到约束条件rprelaunch(standard)＝1，则相对定标系数初始值计算式如下：
2.太阳漫射板反射率空间分布订正系数计算模块
用于评估太阳漫射板不同部位反射率的分布情况。基于卫星在轨后的首次对太阳漫射板观测数据，计算漫射板不同部位反射率的分布订正系数。参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。在轨对太阳漫射板观测时，其输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积。推扫式成像仪观测漫射板时，不同探元对应于漫射板不同的部位，因此漫射板反射率的空间分布应该考虑到模型中，ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数，随着i连续缓慢变化。由于数据为卫星入轨工作初期获取，这里认为遥感器的探元间相对定标系数与发射前实验室测量结果一致，没有产生变化。由于太阳照到漫射板的角度随着时间变化，因此es随着时间t连续缓慢变化。另外太阳照射到漫射板的能量是均匀地，因此漫射板不同部位受到的太阳照射能量是一致的。
太阳漫射板反射率的空间分布计算可从下式：
考虑到约束条件k(standard)＝1，则太阳漫射板反射率空间订正系数的最优估计如下式：
3.相对定标系数在轨更新计算模块
用于计算在轨工作后，探元间相对定标系数。基于遥感器在轨工作期间对太阳漫射板的观测数据，漫射板反射率分布订正系数不随时间变化，计算遥感器在轨运行期间的探元间相对定标系数。参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。在轨对太阳漫射板观测时，其输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·r(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积。ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数，随着i连续缓慢变化。漫射板的反射率一般不随时间变化。由于太阳照到漫射板的角度随着时间变化，因此es随着时间t连续缓慢变化。另外太阳照射到漫射板的能量是均匀地，因此漫射板不同部位受到的太阳照射能量是一致的。
遥感器探元间相对定标系数计算如下式：
考虑到约束条件k(standard)＝1，则相对定标系数的在轨更新值的最优估计如下式：
在一个实施例中，云与气溶胶偏振成像仪(cloudandaerosolpolarizationimager，capi)是全球二氧化碳监测科学试验卫星(tansat)的载荷之一。其主要功能是为卫星主载荷高光谱二氧化碳探测仪反演二氧化碳柱总量(xco2)提供大气和地表信息。遥感数据可以用于大气气溶胶、云量和地表反射率等参数反演。
capi是线阵推扫式偏振成像仪器，获取紫外到近红外波段的太阳反射能量，在670nm和1640nm波段设置了偏振探测通道，实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能。在380nm、870nm和1375nm等波段设置非偏振通道。capi幅宽为375km，可以得到250m和1000m的两种空间分辨率对地观测数据。
表1通道技术指标：
以870nm波段，即通道5的数据为实施例详述本发明方案。
1.遥感器探元间相对定标系数的初始值计算模块
用于确定遥感器探元间的相对辐射响应初始状态。基于发射前实验室积分球观测数据，计算探元间的相对定标系数。观测积分球时，遥感器输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·e(t，i) n(i，t)
式中，dn(t，i)表示t时刻第i个探元的输出计数值，a为绝对辐射定标系数，r(i)为第i个探元的相对定标系数，e(t，i)为t时刻第i个探元入瞳处能量，n(t，i)表示t时刻第i个探元的随机误差，所有探元同分布于均值为0，标准差为σ的正态分布。考虑到积分球的时间稳定性和空间均匀性，所有e(t，i)数值相同。另外，标准探元的相对定标系数等于1，因此相对定标系数的初始值的最优估计，可以利用下式计算：
考虑到约束条件rprelaunch(standard)＝1，则相对定标系数初始值计算式如下：
实验室测试数据如图2所示。图中横轴为探元编号，纵轴为积分球观测输出码值，以第16、17和18帧数据为例作图。图中可知，积分球输出的能量是均匀的，但各个探元的输出码值存在差异，这种差异就是探元间辐射响应差异引起的。以探元间相对定标系数描述这种探元间相对辐射响应差异。按照相对定标系数初始值计算式，计算得出的发射前相对定标系数如图3所示。
2.太阳漫射板反射率空间分布订正系数计算模块
用于评估太阳漫射板不同部位反射率的分布情况。基于卫星在轨后的首次对太阳漫射板观测数据，计算漫射板不同部位反射率的分布订正系数。
参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。在轨对太阳漫射板观测时，其输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积。推扫式成像仪观测漫射板时，不同探元对应于漫射板不同的部位，因此漫射板反射率的空间分布应该考虑到模型中，ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数，随着i连续缓慢变化。由于数据为卫星入轨工作初期获取，这里认为遥感器的探元间相对定标系数与发射前实验室测量结果一致，没有产生变化。由于太阳照到漫射板的角度随着时间变化，因此es随着时间t连续缓慢变化。另外太阳照射到漫射板的能量是均匀的，因此漫射板不同部位受到的太阳照射能量是一致的。
太阳漫射板反射率的空间分布计算可从下式：
考虑到约束条件k(standard)＝1，则反射率空间订正系数初始值的最优估计如下式：
capi的首次在轨太阳漫射板观测于2017年5月24日完成。太阳漫射板观测数据的分布存在以下特点。以通道5的标准探元(第800号探元)所观测到的数据为例。随着卫星的姿态机动，太阳照射太阳漫射板的角度发射变化，导致进入遥感器的能量随着时间发生变化，如图4所示。
另外，在同一帧内，各个探元对太阳漫射板的观测数据分布如图5所示。输出码值存在差异，这一方面是探元间的相对辐射响应差异的影响，另外，太阳漫射不同部位的反射率也存在差异。利用首次对太阳漫射板的观测数据，提取出不同部位反射率的订正系数。
按照太阳漫射板反射率空间订正系数的计算式处理以上数据，结果如图6所示。
3.相对定标系数在轨更新计算模块
用于计算在轨工作后，探元间相对定标系数。基于遥感器在轨工作期间对太阳漫射板的观测数据，漫射板反射率分布订正系数不随时间变化，计算遥感器在轨运行期间的探元间相对定标系数。参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。在轨对太阳漫射板观测时，其输出数据可以表示为：
dn(t，i)＝a·r(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积。ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数，随着i连续缓慢变化。漫射板的反射率一般不随时间变化。由于太阳照到漫射板的角度随着时间变化，因此es随着时间t连续缓慢变化。另外太阳照射到漫射板的能量是均匀的，因此漫射板不同部位受到的太阳照射能量是一致的。
遥感器探元间相对定标系数计算如下式：
考虑到约束条件k(standard)＝1，则相对定标系数的在轨更新值的最优估计如下式：
capi于2017年9月7日再次实现太阳漫射板观测。与首次太阳漫射板观测数据相比，此次数据分布相似。以通道5的标准探元(第800号探元)所观测到的数据为例。随着卫星的姿态机动，太阳照射太阳漫射板的角度发射变化，导致进入遥感器的能量随着时间发生变化，如图7所示。
另外，在同一帧内，各个探元对太阳漫射板的观测数据分布如8图所示。输出码值存在差异，这一方面是探元间的相对辐射响应差异的影响，另外，太阳漫射不同部位的反射率也存在差异。利用首次对太阳漫射板的观测数据，提取出不同部位反射率的订正系数。
按照太阳漫射板反射率空间订正系数的计算式处理以上数据，结果如图9所示。
与发射前相对定标系数的相对差异如图10所示。相对定标系数变化集中于-0.2到0.4之间。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过该方法，解决了线阵推扫式偏振遥感器在轨工作寿命期内，探元间相对辐射响应随时间发生变化问题，解决了线阵推扫式遥感成像仪图像纵向条纹现象不断恶化的订正问题；同时针对线阵推扫式偏振遥感器的探元间相对定标问题，提供了基于在轨太阳漫射板的相对定标方法，成功应用于云与气溶胶偏振成像仪(capi)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：基于发射前实验室积分球观测数据，计算遥感器探元相对定标系数初始值；
s2：确定遥感器探元间的相对辐射响应初始状态；
s3：基于卫星在轨后的首次对太阳漫射板观测数据，计算漫射板不同部位反射率的分布订正系数；
s4：分析并评估太阳漫射板不同部位反射率的分布情况；
s5：基于遥感器在轨工作期间对太阳漫射板的观测数据，计算遥感器在轨运行期间的探元间相对定标系数；
s6：更新探元间相对定标系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下步骤：
s11：遥感器输出数据，其中，数据表示为
dn(t，i)＝a·rprelaunch(i)·e(t，i) n(i，t)，
式中，dn(t，i)表示t时刻第i个探元的输出计数值，a为绝对辐射定标系数，r(i)为第i个探元的相对定标系数，e(t，i)为t时刻第i个探元入瞳处能量，n(t，i)表示t时刻第i个探元的随机误差；
s12：获取并分析发射前实验室积分球数据；
s13：计算探元间相对定标系数；
s14：生成数据初始值。
3.根据权利要求1所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：
s31：在轨后卫星首次采集太阳漫射板数据；
s32：分析并输出数据，其中，输出数据表示为
dn(t，i)＝a·r(i)·ρ·k(i)es(t) n(i)，
e(t，i)＝ρ·k(i)·es(t)，
式中t为帧时间，对应到图像上即为行号，i为第i个探元的编号，入瞳处能量可以表示为太阳漫射板的反射率与照射到漫射板上的太阳能量的乘积，ρ为参考探元对应太阳漫射板部分的反射率，k(i)为反射率空间订正系数随着i连续缓慢变化，es随着时间t连续缓慢变化；
s33：计算分布订正系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：
s51：获取在轨工作期间太阳漫射板的数据；
s52：分析太阳漫射板的数据；
s53：计算运行期间的探元间相对定标系数。
5.根据权利要求2所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，所述步骤s11中，所有探元同分布于均值为0，标准差为σ的正态分布；所有e(t，i)数值相同；标准探元的相对定标系数等于1。
6.根据权利要求1所述的一种基于星载太阳漫射板的探测元件间相对定标方法，其特征在于，所述步骤s3和步骤s5中，参考探元对应的太阳漫射板反射率订正系数等于1。
技术总结