王寧，馬靈玲，劉強(qiáng)，趙永光，騰格爾，劉耀開，高彩霞，劉恩超，張東輝，黎荊梅，王任飛，張貝貝，高海亮，吳驊，韓啟金，張?zhí)┤A，楊燕初，牛沂芳，鄭青川，歐陽(yáng)光洲

1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 中國(guó)科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094;

2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031;

3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100085;

4.中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094;

5.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,包頭 014033

1 引言

衛(wèi)星遙感覆蓋范圍廣、信息獲取速度快，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、環(huán)保、海洋、氣象、測(cè)繪、水文、減災(zāi)、軍事、教育等領(lǐng)域。作為遙感載荷→觀測(cè)數(shù)據(jù)→信息產(chǎn)品這一技術(shù)鏈路的源頭，遙感載荷在軌性能呈現(xiàn)普遍的退化現(xiàn)象，以美國(guó)EO?1/Hyperion 載荷為例，其入軌運(yùn)行前兩年間可見光—近紅外譜段出現(xiàn)8%的漂移，短波紅外譜段漂移更是高達(dá)18%，而在其后的10 年間年際平均變化超過1%（Franks等，2017）。盡管到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了包括星上定標(biāo)（Xiong 等，2003；Markham 等，2014）、交叉定標(biāo)（Chander等，2013）、外場(chǎng)替代定標(biāo)（Thome 等，1997）等多種在軌定標(biāo)方式，然而，將不同定標(biāo)手段追溯至統(tǒng)一的輻射基準(zhǔn)，從而確保不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品間的穩(wěn)定性與一致性，仍是國(guó)際對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。特別面向未來爆炸式增長(zhǎng)的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，該需求更為迫切。

在軌定標(biāo)的核心在于將空天遙感觀測(cè)量與高穩(wěn)定、高可靠、可追溯的輻射定標(biāo)源進(jìn)行比對(duì)，將觀測(cè)量量值追溯至已有的基準(zhǔn)。本世紀(jì)初歐美和中國(guó)先后提出了“TRUTHS”（Fox 等，2003）、“CLARREO”（Wielicki 等，2013）和空間輻射基準(zhǔn)研究計(jì)劃（Zhang 等，2020），將輻射基準(zhǔn)搬至空間衛(wèi)星平臺(tái)形成空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)，通過空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)與其他衛(wèi)星同時(shí)觀測(cè)地面目標(biāo)的方式，由空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)獲得地面目標(biāo)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)其他衛(wèi)星實(shí)施在軌定標(biāo)的方式，保證其他衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)的精度與可追溯性。一般空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)均采用低軌軌道衛(wèi)星平臺(tái)，例如CLARREO 設(shè)計(jì)軌道高度600 km左右，在盡量減少軌道控制燃料消耗的同時(shí)，盡可能降低發(fā)射代價(jià)，并且其低于典型825 km 太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星高度（NPP，JPSS，METOP 等）以盡可能增加與這些衛(wèi)星的交叉匹配機(jī)會(huì)（Wielicki等，2013）。TRUTHS 也出于類似的考慮，采用了609 km 高度90°軌道設(shè)計(jì)（Fox 和Green，2020）。但低軌衛(wèi)星的重訪周期仍較長(zhǎng)，CLARREO 和TRUTHS 的軌道重訪周期都是61 d，考慮到匹配點(diǎn)分布于全球范圍，缺乏局地地表、大氣先驗(yàn)，由此導(dǎo)致實(shí)際地物下墊面均勻性、地表BRF、大氣環(huán)境擾動(dòng)、時(shí)空匹配誤差等將成為基于空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行光學(xué)載荷輻射定標(biāo)的主要誤差源（Fox 和Green，2020），導(dǎo)致輻射基準(zhǔn)傳遞定標(biāo)應(yīng)用效益難以有效發(fā)揮。

從20 世紀(jì)40 年代發(fā)展起來的高空科學(xué)氣球，是在臨近空間進(jìn)行高空科學(xué)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的良好平臺(tái)。高空科學(xué)氣球通常飛行于海拔20—35 km 高空。由于高空科學(xué)氣球造價(jià)低廉、組織飛行便捷、試驗(yàn)周期短，因此越來越受到科學(xué)工作者的青睞。高空科學(xué)氣球被廣泛應(yīng)用于高能天體物理、宇宙線、紅外天文、大氣物理、大氣化學(xué)、地面遙感、高空物理、生理、微重力實(shí)驗(yàn)等方面的研究，同時(shí)也可以作為空間技術(shù)驗(yàn)證的平臺(tái)（Doi等，2019；Takahashi 和Aoki，2018；Mukherjee 等，2016）。高空科學(xué)氣球飛行于平流層中層左右的高度，對(duì)于主要關(guān)注地球出射輻射量的對(duì)地觀測(cè)遙感而言，該高度之下集中了絕大部分空氣質(zhì)量以及幾乎全部的天氣現(xiàn)象。由于大氣時(shí)空變化較為復(fù)雜的對(duì)流層對(duì)大氣輻射傳輸過程的影響，也可被臨近空間高空科學(xué)氣球平臺(tái)搭載的載荷觀測(cè)，也就是說臨近空間傳遞定標(biāo)過程非常逼近空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)的工作狀態(tài)。同時(shí)，相比于低軌空間輻射基準(zhǔn)平臺(tái)而言，高空科學(xué)氣球平臺(tái)還具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）高空科學(xué)氣球通過微調(diào)飛行高度，利用不同高度的風(fēng)速風(fēng)向，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域長(zhǎng)時(shí)駐留式觀測(cè)，增加局部區(qū)域的觀測(cè)量，更加利于不同衛(wèi)星與其進(jìn)行交叉比對(duì)；（2）高空科學(xué)氣球載荷具有可回收的優(yōu)勢(shì)，可以在飛行前后對(duì)其上所搭載的輻射基準(zhǔn)載荷進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)基準(zhǔn)的追溯提供更好的保障；（3）高空科學(xué)氣球平臺(tái)飛行高度比衛(wèi)星低，對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)的分辨率更高，利于與高分辨率遙感衛(wèi)星間的比對(duì)。

NASA 在其CLARREO 探路者任務(wù)（CLARREO Pathfinder mission）中，研制了氣候科學(xué)研究高光譜成像儀HySICS（HyperSpectral Imager for Climate Science）用作空間輻射基準(zhǔn)載荷原理樣機(jī)，于2013 年和2014 年開展了兩次高空科學(xué)氣球搭載HySICS 的飛行試驗(yàn)，為輻射基準(zhǔn)載荷原理驗(yàn)證以及CLARREO 任務(wù)的論證提供了科學(xué)數(shù)據(jù)（Kopp等，2014，2017）。隨著中國(guó)在空間輻射基準(zhǔn)設(shè)施研制方面的不斷推進(jìn)，探索利用高空科學(xué)氣球平臺(tái)進(jìn)行輻射傳遞定標(biāo)系統(tǒng)驗(yàn)證，將有助于空間輻射基準(zhǔn)載荷及空間輻射基準(zhǔn)傳遞方式的改進(jìn)，空間輻射基準(zhǔn)傳遞定標(biāo)方法的驗(yàn)證與完善，以及高空科學(xué)氣球平臺(tái)在新的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

本文利用搭載于臨近空間高空科學(xué)氣球平臺(tái)的參考載荷對(duì)衛(wèi)星光學(xué)載荷進(jìn)行定標(biāo)，通過搭載輻射基準(zhǔn)或參考載荷和待定標(biāo)衛(wèi)星對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行成像，進(jìn)而基于輻亮度基定標(biāo)原理實(shí)現(xiàn)定標(biāo)（Slater 等，1987；王敏 等，2014）。然而，與飛機(jī)平臺(tái)搭載方式相比，由于通常飛行高度有限，還需同步獲取飛機(jī)—衛(wèi)星路徑上消光、探空及常規(guī)氣象觀測(cè)，以進(jìn)一步修正衛(wèi)星與飛機(jī)之間的大氣影響。高空科學(xué)氣球飛行高度上能夠規(guī)避大部分大氣吸收、散射影響，降低大氣輻射傳輸模擬誤差。但高空科學(xué)氣球飛行航跡可控性較弱。因此，在輻亮度基法基礎(chǔ)上，相對(duì)簡(jiǎn)化大氣路徑補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，需要更多考慮到時(shí)空匹配方面的問題。因此，本文開展的衛(wèi)星定標(biāo)試驗(yàn)與傳統(tǒng)基于飛機(jī)平臺(tái)的輻亮度基法替代定標(biāo)工作仍有所差異。本文將介紹高空科學(xué)氣球搭載可見—短波紅外輻亮度計(jì)的并針對(duì)衛(wèi)星光學(xué)載荷進(jìn)行輻射定標(biāo)試驗(yàn)情況，闡述適用于臨近空間獲取的參考數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星光學(xué)載荷進(jìn)行輻射定標(biāo)方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步的分析與總結(jié)。

2 臨近空間輻射定標(biāo)演示系統(tǒng)描述

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成情況

臨近空間輻射定標(biāo)演示系統(tǒng)由高空科學(xué)氣球平臺(tái)分系統(tǒng)、高空科學(xué)氣球有效載荷分系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 臨近空間輻射定標(biāo)演示系統(tǒng)組成圖Fig.1 The composition of stratospheric radiometric calibration demonstration system

高空科學(xué)氣球平臺(tái)分系統(tǒng)在臨近空間平穩(wěn)飛行，有效載荷的搭載平臺(tái)，同時(shí)也為其提供電能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?。高空科學(xué)氣球平臺(tái)分系統(tǒng)包含球體、能源、飛控、測(cè)控等子系統(tǒng)。其中，球體子系統(tǒng)為高空科學(xué)氣球系統(tǒng)升空和駐空飛行提供浮升力，并為有效載荷提供裝載平臺(tái)；能源子系統(tǒng)為平臺(tái)自有設(shè)備和有效載荷提供能源；飛控子系統(tǒng)執(zhí)行飛行控制；測(cè)控子系統(tǒng)對(duì)氣球平臺(tái)實(shí)施跟蹤定位，實(shí)時(shí)遙測(cè)遙控飛行參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)、采集與傳輸飛行數(shù)據(jù)。

有效載荷分系統(tǒng)包括可見—短波紅外高光譜輻亮度計(jì)參考載荷，負(fù)責(zé)在臨近空間實(shí)施對(duì)地觀測(cè)，并采集地表輻射數(shù)據(jù)。高空位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS）與可見—短波紅外高光譜輻亮度計(jì)進(jìn)行固連，負(fù)責(zé)記錄觀測(cè)時(shí)刻載荷的位置以及姿態(tài)信息，用于解算實(shí)際成像的地理空間位置。

2.2 可見—短波紅外高光譜參考輻亮度計(jì)載荷介紹

2.2.1 載荷基本情況

可見—短波紅外高光譜參考輻亮度計(jì)（以下簡(jiǎn)稱輻亮度計(jì)）是系統(tǒng)中最核心的觀測(cè)設(shè)備，用于獲取觀測(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的輻射亮度。輻亮度計(jì)有3 個(gè)分光單元獨(dú)立的模塊，其中：可見近紅外波段（VNIR，0.4—0.95 μm）模塊，探測(cè)通道數(shù)512，光譜分辨率優(yōu)于3.5 nm；短波紅外波段1（SWIR1，0.95—1.65 μm）模塊，探測(cè)通道數(shù)256，光譜分辨率優(yōu)于10 nm；短波紅外波段2（SWIR2，1.65—2.4 μm）模塊，探測(cè)通道數(shù)256，光譜分辨率優(yōu)于12 nm。為實(shí)現(xiàn)載荷球載搭載并保證實(shí)際工作環(huán)境下的穩(wěn)定性，無準(zhǔn)直光路，無運(yùn)動(dòng)部件，元件全固化，保證結(jié)構(gòu)可靠性和波長(zhǎng)穩(wěn)定性。由于該儀器測(cè)量不確定度主要受探測(cè)器溫度的影響，為此設(shè)計(jì)了針對(duì)探測(cè)器的溫控單元，在實(shí)驗(yàn)室以及低溫低壓環(huán)境下均保證了0.1 ℃的控制精度。另外，為避免飛行試驗(yàn)過程惡劣環(huán)境影響，載荷殼體采用全密封設(shè)計(jì)，以防止沙塵、水汽等的影響，保障內(nèi)部光機(jī)電系統(tǒng)正常工作。輻亮度計(jì)結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 可見—短波紅外輻亮度計(jì)Fig.2 The visible?shortwave infrared radiometer

2.2.2 載荷實(shí)驗(yàn)室溯源定標(biāo)

為了完成高空氣球飛行試驗(yàn)中基于輻亮度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，儀器參加試驗(yàn)前分別開展了實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)與輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)輻亮度計(jì)光譜模塊的波段劃分，輻亮度計(jì)的光譜定標(biāo)實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)光學(xué)分光模塊進(jìn)行，分別利用譜線燈作為光源進(jìn)行測(cè)試，獲得波長(zhǎng)—像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖3 所示，根據(jù)圖中結(jié)果可以得到，可見—近紅外光學(xué)模塊光譜范圍為339.7—947.2 nm，短波紅外1模塊的波段范圍為881.4—1698.4 nm，短波紅外2 模塊的波段范圍為1601.6—2525.8 nm。

圖3 輻亮度計(jì)各模塊實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)結(jié)果Fig.3 The laboratory spectral calibration results for the visible?shortwave infrared radiometer

輻亮度計(jì)通過輻射定標(biāo)可獲得其光譜輻亮度響應(yīng)度，主要標(biāo)準(zhǔn)傳遞裝置為“標(biāo)準(zhǔn)燈—參考板輻亮度傳遞裝置”，其中標(biāo)準(zhǔn)燈為NIST提供，其光譜輻照度值溯源于NIST 高溫黑體，參考板為聚四氟乙烯參考板，其方向反射比溯源于中科院CNAS實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)反射比測(cè)量裝置。輻亮度計(jì)利用“標(biāo)準(zhǔn)燈—參考板輻亮度傳遞裝置”進(jìn)行定標(biāo)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 輻亮度計(jì)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Laboratory radiometric calibration for the radiometer

依據(jù)JJF1059－1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，評(píng)估計(jì)算光譜亮度參考輻射儀的輻亮度定標(biāo)不確定度。輻射定標(biāo)的不確定度來源包括：儀器信號(hào)值的測(cè)量不確定度U(S)，標(biāo)準(zhǔn)燈的輻照度不確定度U(Eλd)，參考板的方向反射率測(cè)量不確定度U(ρλ)、儀器的波長(zhǎng)定標(biāo)準(zhǔn)確性U(λc)，距離測(cè)量不確定度U(d)合成不確定度U可以表示為

通過計(jì)算得到的各項(xiàng)不確定度因素貢獻(xiàn)，依據(jù)不確定度計(jì)算式（1），最終計(jì)算得到合成不確定度如表1所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研制的光譜亮度參考輻射儀測(cè)量不確定度優(yōu)于1.42%。

表1 輻亮度計(jì)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)不確定度估計(jì)Table 1 Uncertainty budget of laboratory radiometric calibration of radiometer

2.2.3 輻亮度計(jì)視場(chǎng)、觀測(cè)模式及其影響分析

飛行試驗(yàn)時(shí)，輻亮度計(jì)采用直接對(duì)地連續(xù)觀測(cè)的方式，一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，VNIR、SWIR1 和SWIR2 模塊順次工作，并將10 次觀測(cè)平均作為最終的測(cè)量資料。該模式下VNIR、SWIR1 和SWIR2模塊的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)分別約為10 s、5 s 和5 s，一個(gè)周期總時(shí)長(zhǎng)約20 s。由于模塊順次觀測(cè)的影響，各模塊觀測(cè)視場(chǎng)并不是完全重合，而是與飛行速度（高空風(fēng)速）相關(guān)的函數(shù)。如圖5 所示，輻亮度計(jì)視場(chǎng)角為3°，在飛行海拔高度25 km時(shí)視場(chǎng)直徑為1152.2 m，在32 km 時(shí)為1518.8 m（扣除地表高程影響），在5 m/s 的典型飛行高度風(fēng)速條件下，可見光模塊觀測(cè)像元與紅外1模塊觀測(cè)像元的重疊率約為93.3%，與紅外2 模塊的重疊率約為89.9%，紅外1 模塊與紅外2 模塊的重疊率約為96.6%，兩次相鄰觀測(cè)的重疊率為86.5%。當(dāng)風(fēng)速更小時(shí)，則意味著更高的重疊率。考慮到氣球飛行速度普遍較低，重疊率較高的因素，考慮所經(jīng)過的地面相對(duì)比較均一時(shí)，可以認(rèn)為能夠獲得地面均勻場(chǎng)的重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取情況，也抽取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)下傳與檢查。

圖5 可見—短波紅外輻亮度計(jì)各模塊觀測(cè)足印位置關(guān)系Fig.5 Relative footprint for each module in visible?shortwave infrared radiometer

2.3 高空科學(xué)氣球平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

高空科學(xué)氣球平臺(tái)的組成在2.1節(jié)中有所描述。平臺(tái)設(shè)計(jì)中球體體積非常關(guān)鍵，其與飛行高度、載荷重量直接相關(guān)。從開展衛(wèi)星光學(xué)輻射定標(biāo)的科學(xué)目標(biāo)出發(fā)，飛行高度越高則越能接近衛(wèi)星在大氣層頂（TOA）的觀測(cè)量值。因而，對(duì)不同高度下觀測(cè)的輻亮度與TOA 輻亮度進(jìn)行了模擬，選用中緯度夏季大氣（適用于試驗(yàn)開展地區(qū)一般情況），在400—2500 nm 范圍內(nèi)的比對(duì)情況如圖6（a）所示。可見在對(duì)流層內(nèi)的高度上，藍(lán)光波段（400—500 nm）以及大氣水汽吸收帶內(nèi)還存在較大的差異；當(dāng)平臺(tái)處于海拔18 km 高度以上，整個(gè)可見—短波紅外譜段范圍內(nèi)，與TOA 的觀測(cè)已經(jīng)非常接近。圖6（b）展示了所有波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，18 km 高度與TOA 觀測(cè)的平均差異為2‰，各波段變化的標(biāo)準(zhǔn)差為2.15%；在35 km 高度，平均差異減少為0.5‰，各波段變化標(biāo)準(zhǔn)差可減少到0.12%。

圖6 不同飛行高度下觀測(cè)輻亮度與TOA輻亮度對(duì)比Fig.6 Comparison between radiance at different flight height to that at Top of Atmosphere（TOA）

根據(jù)上述分析，根據(jù)所需搭載的輻亮度計(jì)、飛控、測(cè)控、能源等總負(fù)重計(jì)算，球體體積10000 m3時(shí)，全系統(tǒng)可達(dá)到25 km 高度；當(dāng)球體體積增值50000 m3時(shí)，可進(jìn)一步升至30 km 高度附近。此外，為了實(shí)現(xiàn)部分測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)施下傳，設(shè)計(jì)了包括數(shù)傳和圖傳兩個(gè)通道測(cè)控鏈路。其中，數(shù)傳最大作用距離不小于500 km，速率4.8 kbps；圖傳最大作用距離不小于200 km，速率4 Mbps。最后，除氣球球體外，其他設(shè)備利用降落傘進(jìn)行回收。根據(jù)待回收設(shè)備總重進(jìn)行了傘降設(shè)計(jì)，保證著陸速度不超過7 m/s，以確保設(shè)備的安全。

3 試驗(yàn)區(qū)域與試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)區(qū)域介紹

開展基于臨近空間的衛(wèi)星光學(xué)載荷輻射定標(biāo)試驗(yàn)需要具備氣球放飛的基本氣象和場(chǎng)地條件，本試驗(yàn)選擇氣球發(fā)放基地的位置為37°43'54.19″N，95°20'22.57″E。該基地位于青海格爾木市大柴旦鎮(zhèn)南方近15 km，柳格高速（G3011）旁邊，具有良好的通達(dá)性。試驗(yàn)區(qū)屬于典型的內(nèi)陸高原荒漠氣候，干旱少雨，通過對(duì)當(dāng)?shù)貧v史再分析資料（ERA5數(shù)據(jù)）的統(tǒng)計(jì)，年基本晴空天數(shù)（每日8個(gè)時(shí)刻最大總云量<10%）占比43.2%，比較適合開展輻射定標(biāo)試驗(yàn)。同時(shí)，每年6 月至9 月份，在18—50 km 的高度會(huì)出現(xiàn)有較為穩(wěn)定的零風(fēng)層，也比較利于氣球長(zhǎng)時(shí)駐空飛行。圖7展示了2021年9月下旬的合成風(fēng)速剖面變化情況，可以看到在25 km 到30 km的范圍內(nèi)風(fēng)速接近于0 m/s。根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)資料，該風(fēng)層會(huì)隨著時(shí)間的推遲向升至更高的高度。

圖7 合成風(fēng)速剖面圖Fig.7 Profiles of composed wind speed

在氣球平飛范圍，即氣球發(fā)放基地附近200 km范圍內(nèi)，實(shí)際飛行區(qū)域的地物覆蓋類型以沙漠、戈壁、高山草原等為主，并分布有大柴旦湖、小柴旦湖等湖泊。本文輻射定標(biāo)開展的區(qū)域有兩個(gè)，分別為均勻性較好的沙地區(qū)域和均勻性稍差的山地區(qū)域。利用GF?6 衛(wèi)星WFI 影像對(duì)區(qū)域的均勻性做了分析，采用變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）指標(biāo)評(píng)價(jià)均勻性，其中CV值計(jì)算如下式所示。

式中，σ為10×10像元區(qū)域內(nèi)DN值標(biāo)準(zhǔn)差，為該區(qū)域DN 值的均值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了山脈之外，大部分區(qū)域的CV值在0.1以下（圖8）。

圖8 試驗(yàn)區(qū)域非均勻性Fig.8 Surface uniformity around the flight area

3.2 高空氣球飛行試驗(yàn)

2021 年9 月20 日，在青海省大柴旦鎮(zhèn)開展了基于臨近空間高空氣球的衛(wèi)星光學(xué)載荷輻射定標(biāo)試驗(yàn)。全系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行發(fā)放，并于北京時(shí)間9：41升高至30 km，進(jìn)入平飛狀態(tài)，平飛高度范圍25—32 km。19：30飛行任務(wù)結(jié)束，實(shí)施切割，球傘順利分離，19：50 吊艙在降落傘減速下落地。圖9所示為試驗(yàn)過程中的飛行高度和飛行圖。其中圖9（b）中紅框標(biāo)注的為氣球途徑的均勻區(qū)域

圖9 飛行試驗(yàn)平飛階段航跡圖Fig.9 Track of the flight campaign at a float condition

4 數(shù)據(jù)處理方法

球載輻亮度計(jì)數(shù)據(jù)獲取后，首先進(jìn)行輻射校正，然后利用載荷姿態(tài)信息進(jìn)行幾何足印解算，經(jīng)過這兩步后，即可得到具有明確位置信息的球載觀測(cè)輻亮度數(shù)據(jù)。而后依據(jù)輻亮度基法的原理，在衛(wèi)星及球載觀測(cè)幾何參數(shù)支持下，進(jìn)行數(shù)據(jù)間的時(shí)間和空間匹配，最后進(jìn)行大氣補(bǔ)償并與衛(wèi)星通道響應(yīng)卷積，從而模擬得到通道表觀輻亮度。利用該數(shù)據(jù)即可與衛(wèi)星進(jìn)行比對(duì)?？傮w處理技術(shù)路線如圖10 所示。球載數(shù)據(jù)輻射校正、幾何足印解算、時(shí)空匹配以及大氣補(bǔ)償及通道輻亮度計(jì)算過程中，均引入相應(yīng)的不確定度，本文在后文中將針對(duì)本次試驗(yàn)給出不確定度分析的過程與結(jié)果。

圖10 數(shù)據(jù)處理方法總體流程圖Fig.10 The flowchart for the data processing

4.1 球載對(duì)地觀測(cè)光譜輻亮度數(shù)據(jù)輻射校正

高空科學(xué)氣球平臺(tái)搭載的光譜輻亮度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過輻射校正以及幾何校正預(yù)處理。其中，輻射校正主要借助于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的定標(biāo)系數(shù)開展。輻射校正計(jì)算公式如下：

式中，L是觀測(cè)的輻射亮度；λ表示波長(zhǎng)位置；DN為儀器記錄的原始電信號(hào)數(shù)值；a和b分別是輻射校正增益和偏置系數(shù)。由于輻亮度計(jì)在工作時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整積分時(shí)間，a和b也是不同積分時(shí)間的函數(shù)。

4.2 對(duì)地觀測(cè)輻亮度數(shù)據(jù)幾何足印解算

考慮到輻亮度計(jì)非成像的原因，如何利用POS系統(tǒng)對(duì)其曝光時(shí)刻的足印進(jìn)行精確解算成為關(guān)鍵問題，否則難以進(jìn)行高精度的時(shí)空匹配。足印定位的第一步是獲取精確的位置姿態(tài)信息。本次試驗(yàn)中，高空球載POS 系統(tǒng)與輻亮度計(jì)通過EVENT觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的同步，POS系統(tǒng)記錄下輻亮度計(jì)采集時(shí)刻的觸發(fā)信號(hào)，再通過與地面基準(zhǔn)站進(jìn)行GPS 事后差分的方法，精確計(jì)算每組數(shù)據(jù)采集時(shí)刻的位置及姿態(tài)信息。

而后，需要確定輻亮度計(jì)的光束方向，這也是后續(xù)確定采樣視場(chǎng)的主要輸入。光束方向在輻亮度計(jì)信號(hào)采集時(shí)刻的空間位置信息由GPS 系統(tǒng)提供，姿態(tài)信息由INS系統(tǒng)提供，根據(jù)輻亮度計(jì)和POS系統(tǒng)的相對(duì)位置偏移和旋轉(zhuǎn)幾何關(guān)系，可構(gòu)建嚴(yán)密的球載輻射基準(zhǔn)載荷解算模型，根據(jù)解算模型則可對(duì)所觀測(cè)的地物點(diǎn)進(jìn)行定位并進(jìn)行精度分析。矩陣形式如下：

式中，[XspotYspotZspot]T表示輻亮度計(jì)在地面的足印坐標(biāo)，[Xwgs84Ywgs84Zwgs84]T表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)在WGS84 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Rins2wgs84表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣，ω、φ、κ是組合導(dǎo)航飛行過程中的偏航角、俯仰角和橫滾角，ρ是輻亮度計(jì)瞬時(shí)姿態(tài)方向的測(cè)距值，α為輻亮度計(jì)光路在本體坐標(biāo)系XOY面投影與X軸正方向的夾角、β為輻亮度計(jì)光路與其在XOY面的投影線的夾角。

4.3 基于輻亮度計(jì)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星定標(biāo)方法

利用輻亮度計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的輻射定標(biāo)，需要進(jìn)行兩者之間的時(shí)空匹配、光譜匹配，最后利用輻射傳輸計(jì)算的方式進(jìn)一步消除氣球飛行高度帶來的大氣補(bǔ)償問題。

4.3.1 輻亮度計(jì)與衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)空匹配

利用輻亮度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星輻射定標(biāo)，首先需要進(jìn)行兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的時(shí)空匹配。高空科學(xué)氣球在平飛階段，輻亮度計(jì)始終處于觀測(cè)狀態(tài)，獲取的輻亮度數(shù)據(jù)一般情況下能夠覆蓋衛(wèi)星過境時(shí)刻。經(jīng)過輻亮度數(shù)據(jù)幾何足印解算后，即可附帶詳細(xì)的時(shí)間以及空間信息。本研究在進(jìn)行與衛(wèi)星觀測(cè)比對(duì)時(shí)，盡可能選取衛(wèi)星過境附近半小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。但對(duì)于高空氣球來說，較難做到精準(zhǔn)的航跡控制，以實(shí)現(xiàn)氣球和衛(wèi)星同時(shí)經(jīng)過大范圍均勻區(qū)域等適合定標(biāo)的場(chǎng)景。因此，本文放寬了對(duì)時(shí)間同步的要求，但需針對(duì)具有較大時(shí)間差異的數(shù)據(jù)（本次試驗(yàn)經(jīng)過均勻區(qū)域的時(shí)差約3小時(shí)）進(jìn)行時(shí)間訂正，以改正由于太陽(yáng)角度變化導(dǎo)致的影響。在大氣狀況相對(duì)穩(wěn)定的條件下，太陽(yáng)角度變化主要影響大氣路徑，而大氣路徑與太陽(yáng)天頂角的余弦相關(guān)，因此相應(yīng)的校正方式如下式所示。

空間匹配方面，在獲得了輻亮度計(jì)觀測(cè)足印后，將落入足印范圍的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行直接聚合。

4.3.2 大氣補(bǔ)償及通道輻亮度計(jì)算

本次試驗(yàn)中輻亮度計(jì)均以垂直下視的方式觀測(cè)地表，因此主要選擇觀測(cè)天頂角小于10°的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試，以此來減小地物方向性輻射帶來的影響。此外，盡管飛行時(shí)平飛高度在25—32 km 之間，與TOA 觀測(cè)的差異已經(jīng)很?。▓D6），但本文也利用大氣輻射傳輸模型MODTRAN 模擬了氣球平臺(tái)與衛(wèi)星之間的大氣透過率和程輻射信息，并推算至衛(wèi)星高度的入瞳輻亮度，具體公式如下：

式中，Ls為衛(wèi)星高度的入瞳輻亮度；Lb為經(jīng)太陽(yáng)角度校正后的輻亮度計(jì)觀測(cè)輻亮度；τb→s為氣球平臺(tái)與衛(wèi)星之間的大氣透過率；Lp，b→s為氣球平臺(tái)與衛(wèi)星之間的程輻射。在進(jìn)行大氣光學(xué)參數(shù)模擬時(shí)，由于30 km 以上的大氣很難進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，本文利用ERA5（ECMWF Reanalysis v5）再分析數(shù)據(jù)獲取當(dāng)?shù)禺?dāng)月的大氣溫濕廓線背景值作為輻射傳輸模型的輸入。同時(shí)，為了進(jìn)一步明確氣溶膠的影響，利用CAMS（Copernicus Atmosphere Monitoring Service）再分析數(shù)據(jù)中分析了試驗(yàn)區(qū)域近五年（2016 年—2020 年）9 月份氣溶膠的變化情況，從圖11 中可以看出，區(qū)域總體氣溶膠含量均較少，且以沙塵氣溶膠占據(jù)主導(dǎo)，在25 km（約20 hPa）和32 km（約4 hPa）以上，氣溶膠含量與地表氣溶膠含量相差約4個(gè)量級(jí)，利用輻射傳輸模擬，此高度以上的氣溶膠影響也可忽略。

圖11 試驗(yàn)區(qū)域9月份氣溶膠廓線變化Fig.11 The aerosol profile over the flight area in September

由于輻亮度計(jì)的光譜分辨率較高，還需要在衛(wèi)星載荷實(shí)際光譜響應(yīng)函數(shù)的支持下，將計(jì)算得到的衛(wèi)星入瞳輻亮度進(jìn)行卷積得到通道輻亮度，具體公式如下：

式中，L(λ)為輻亮度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，S(λ)為衛(wèi)星寬譜段的光譜響應(yīng)函數(shù)，λ1—λ2為該寬譜段的光譜覆蓋范圍，Lˉ為經(jīng)卷積轉(zhuǎn)換后的通道表觀輻亮度。

5 結(jié)果與分析

5.1 平臺(tái)穩(wěn)定性及其對(duì)足印位置的精度影響分析

臨近空間輻射定標(biāo)演示系統(tǒng)本身姿態(tài)的穩(wěn)定性，是影響載荷觀測(cè)位置的直接影響因素。高空科學(xué)氣球平臺(tái)運(yùn)動(dòng)主要受風(fēng)的影響，其自身對(duì)于偏航、俯仰和橫滾3 個(gè)方向的控制能力較弱。圖12 是飛行實(shí)驗(yàn)中平飛階段3 個(gè)角度的變化情況。其中俯仰角在0—?3°變化，橫滾角在0—3°變化，但短時(shí)間內(nèi)的變化較小，基本的角速度變化為?0.8°/s—0.3°/s。俯仰角和橫滾角不完全為0，與總體重心位置的偏差有一定關(guān)系。偏航角會(huì)在±180°范圍內(nèi)變化，這是由于整個(gè)球體會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)的原因。但偏航角的隨時(shí)間變化也是相對(duì)比較緩慢的，角速度變化在?0.3—0.6°/s 之間，與俯仰角和橫滾角變化在相同的量級(jí)。

圖12 試驗(yàn)平飛階段姿態(tài)信息Fig.12 The attitude at a float condition in the flight campaign

姿態(tài)位置的變化對(duì)足印定位誤差的影響可根據(jù)式（4），結(jié)合誤差傳播定律推出。具體的公式如式（8）所示：

針對(duì)本試驗(yàn)系統(tǒng)，輻射計(jì)安置角α=0°，安裝誤差?α=0.1°，安置角β=90°，安裝誤差?β=0.1°，偏航角ω、俯仰角φ、橫滾角κ直接使用組合導(dǎo)航瞬時(shí)測(cè)量值，根據(jù)組合導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)稱偏航角測(cè)量精度?ω=0.09°，俯仰角測(cè)量精度?φ=0.02°，橫滾角測(cè)量精度?κ=0.02°，距離測(cè)量誤差Δρ=ρtan（ψ/2），ψ為輻亮度計(jì)載荷的視場(chǎng)角3°。

輻亮度計(jì)足印中心受位置姿態(tài)信息影響較大，將載荷平臺(tái)平飛時(shí)段（10：00—19：00）時(shí)段的位置及姿態(tài)瞬時(shí)測(cè)量值和安裝誤差帶入到式（8）中進(jìn)行激光足印定位誤差的計(jì)算。以高空氣球平臺(tái)輻亮度計(jì)視場(chǎng)軸中心在地面的軌跡投影，本次試驗(yàn)輻亮度計(jì)足印中心點(diǎn)在地面腳點(diǎn)的實(shí)際誤差分布情況如圖13 所示。最大平面偏差小于85 m，考慮到實(shí)際飛行海拔高度32 km 時(shí)地面像元足印直徑為1518.8 m，該偏差將導(dǎo)致實(shí)際觀測(cè)像元與真實(shí)像元足印之間有約92.4%的重合，亦即引入約7.6%的空間位置匹配差異。

圖13 輻亮度計(jì)足印中心點(diǎn)的定位誤差Fig.13 The positioning error of the center point of the radiometer’s footprint

5.2 輻亮度計(jì)工作穩(wěn)定性分析

輻亮度計(jì)封裝在獨(dú)立的殼體內(nèi)，其工作的穩(wěn)定程度與探測(cè)器的工作溫度直接相關(guān)。輻亮度計(jì)內(nèi)共有5個(gè)溫度監(jiān)測(cè)探頭，用于監(jiān)測(cè)VNIR、SWIR1和SWIR2 共3 個(gè)探測(cè)模塊，以及SWIR1 和SWIR2模塊中探測(cè)器溫度的變化情況。

圖14 展示了從地面準(zhǔn)備到停止工作期間的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖中橫坐標(biāo)均表示北京時(shí)間。從圖14（a）中可以看出，在氣球進(jìn)入平飛狀態(tài)后，3 個(gè)模塊的溫度隨著時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，特別在14 時(shí)之后上升的速率較快，這可能是由于白天期間輻亮度計(jì)受到太陽(yáng)照射增溫以及載荷自身工作產(chǎn)熱兩方面的原因共同造成。另外，當(dāng)天飛行高度附近的大氣環(huán)境溫度在?50 ℃—?30 ℃，模塊真實(shí)工作溫度控制在5 ℃—30 ℃，也展現(xiàn)了載荷總體保溫方式有效性。

圖14 輻亮度計(jì)工作溫度監(jiān)測(cè)情況Fig.14 The radiometer working temperature monitoring results

圖14（b）顯示了短波紅外探測(cè)器溫度，其更與工作穩(wěn)定性的保持有著密切的關(guān)系。從圖14 中可見，盡管測(cè)量模塊的總體溫度有著上升的趨勢(shì)，大部分時(shí)間里探測(cè)器溫度仍控制在相當(dāng)平穩(wěn)的狀態(tài)。自16 時(shí)后SWIR1 探測(cè)器溫度有上升趨勢(shì)，與SWIR1 模塊15 時(shí)左右的工作溫度急劇上升有關(guān)，但至最終結(jié)束測(cè)量仍在相對(duì)較為合適的工作溫度范圍內(nèi)。短波紅外探測(cè)器溫度均控制在了設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（16：00 后SWIR1 探測(cè)器模塊漂移除外），其中，SWIR1 溫度范圍?10.98 ℃—?9.41 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差0.18 ℃；SWIR2 溫度范圍?21.57 ℃—?18.43 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差0.31 ℃。從圖中也可以看出，探測(cè)器溫度劇烈變化時(shí)間段在上午8：00—10：00之間，該時(shí)間段內(nèi)高空氣球處于升空過程中，10：00之后完全進(jìn)入平飛狀態(tài)后，SWIR1探測(cè)器溫度波動(dòng)在?10.39 ℃—?9.8 ℃之間，SWIR2探測(cè)器溫度波動(dòng)在?20.39 ℃—?20.0 ℃之間。由于實(shí)際飛行中的工作狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)時(shí)工作狀態(tài)保持一致，因而在本文后續(xù)分析中采信了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果及觀測(cè)不確定度測(cè)量結(jié)果。

5.3 定標(biāo)比對(duì)結(jié)果及不確定度分析

5.3.1 與Terra/MODIS的比對(duì)結(jié)果

考慮到Terra/MODIS 自身具有較高的輻射精度，本文選用MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)與飛行獲取輻亮度信息進(jìn)行了結(jié)果比對(duì)分析。

MODIS 衛(wèi)星成像時(shí)間為北京時(shí)間2021 年9 月20日13：00，選取了氣球飛行路線中均勻性較好的沙地區(qū)域（圖15 紅框所示）和嚴(yán)格時(shí)空同步觀測(cè)的山地區(qū)域（圖15綠框所示），其中氣球過境均勻沙地區(qū)域的時(shí)間為10：15—10：45，過境山地區(qū)域的時(shí)間為13：00—13：15。

圖15 MODIS圖像（紅框表示氣球飛行經(jīng)過的均勻區(qū)域，綠框表示氣球與衛(wèi)星時(shí)空匹配的飛行區(qū)域）Fig.15 MODIS imagery（The red box indicates the flat area，the green box indicates the relative uniform area in the mountain）

根據(jù)衛(wèi)星過境時(shí)刻的大氣參數(shù)，模擬氣球高度到衛(wèi)星高度的大氣透過率，再結(jié)合模擬的大氣程輻射數(shù)據(jù)，得到衛(wèi)星入瞳處模擬輻亮度，具體MODIS 觀測(cè)輻亮度與模擬輻亮度的對(duì)比及相對(duì)差異如表2所示。

表2 氣球觀測(cè)與MODIS觀測(cè)的比對(duì)結(jié)果Table 2 Comparison between balloon observation to MODIS

可以看出，在均勻沙地場(chǎng)景開展輻射定標(biāo)模擬的入瞳輻亮度與MODIS 衛(wèi)星觀測(cè)輻亮度的相對(duì)差異明顯小于在山地區(qū)域開展的輻射定標(biāo)結(jié)果。對(duì)于均勻場(chǎng)景，MODIS 觀測(cè)輻亮度與模擬輻亮度相對(duì)差異在所有的波段上均小于10%，平均絕對(duì)偏差為4.98%。但在山地區(qū)域，盡管氣球與衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)空同步性較好，但兩者之間的差異明顯增加，其中B1（645 nm）、B3（469 nm）和B5（1240 nm）的偏差超過了10%，且7個(gè)波段的平均絕對(duì)偏差增加為7.49%。

5.3.2 與GF-6衛(wèi)星的比對(duì)結(jié)果

GF?6 衛(wèi)星于2018 年6 月2 日發(fā)射，其搭載了一個(gè)全色多光譜相機(jī)（PMS）和一個(gè)多光譜寬幅相機(jī)（WFI）。本次氣球飛行試驗(yàn)中與WFI 實(shí)現(xiàn)了時(shí)空匹配。WFI空間分辨率16 m，具有8個(gè)波段，波段響應(yīng)如圖16所示。

圖16 GF?6/WFI光譜響應(yīng)Fig.16 The spectral response function of GF?6/WFI

與和MODIS比對(duì)類似，在與GF?6/WFI進(jìn)行比對(duì)時(shí)，也同樣選擇了兩個(gè)區(qū)域（圖17）。其中，均勻區(qū)域與MODIS選擇范圍相同，而GF?6/WFI過境時(shí)刻為北京時(shí)間12：52，因此均勻區(qū)域上氣球觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)也存在約3小時(shí)的差異。山地區(qū)域選擇時(shí)，由于GF?6/WFI 空間分辨率較高，因而選擇了山地中較為平坦的小塊區(qū)域進(jìn)行比對(duì)。表3展示了與GF?6/WFI 的比對(duì)結(jié)果（表中波段序號(hào)依據(jù)波長(zhǎng)重新排列）。

表3 氣球觀測(cè)與GF-6/WFI觀測(cè)的比對(duì)結(jié)果Table 3 Comparison between balloon observation to GF-6/WFI

從表3 中可以看出，與GF?6/WFI 在均勻區(qū)域的比對(duì)差異相較山地區(qū)域大，均勻區(qū)域相對(duì)偏差最小為B3 波段6.28%，最大為B7 波段16.73%，平均絕對(duì)偏差9.72%；山地區(qū)域相對(duì)偏差最小為B6波段?0.77%，最大為B7波段19.99%，平均絕對(duì)偏差6.67%。其中，B7 波段在兩個(gè)位置上都呈現(xiàn)出最大的相對(duì)偏差。

5.3.3 比對(duì)結(jié)果分析與討論

前兩個(gè)小節(jié)展示了氣球與MODIS 以及GF?6/WFI 的比對(duì)結(jié)果。對(duì)比表2 和表3 可以發(fā)現(xiàn)，相比于MODIS，GF?6/WFI 的差異相對(duì)較大，可能與衛(wèi)星載荷自身定標(biāo)精度有關(guān)。另外則是對(duì)于MODIS而言，均勻區(qū)域的定標(biāo)結(jié)果優(yōu)于山地區(qū)域，盡管山地區(qū)域具有更好的時(shí)間匹配，這在一定程度上說明對(duì)于類似于MODIS 具有較粗空間分辨率的載荷，下墊面均勻性會(huì)在更大程度上影響到比對(duì)結(jié)果；然而，對(duì)于GF?6/WFI，則呈現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，可能的原因是隨著空間分辨率的提升，在公里級(jí)尺度上相對(duì)均勻的場(chǎng)地，其非均勻性及由此關(guān)聯(lián)的角度效應(yīng)影響更為顯著，同時(shí)，在圖16 中山地區(qū)域選擇了相對(duì)平坦且均勻的地物，由此以上原因?qū)е翯F?6/WFI 在山地區(qū)域的比對(duì)結(jié)果相對(duì)較好。

為了進(jìn)一步量化分析比對(duì)，根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)情況及比對(duì)過程，分別給出了均勻區(qū)域和山地區(qū)域的不確定度估計(jì)表。其中，鑒于輻亮度計(jì)在飛行試驗(yàn)中處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此其獲取的入瞳輻射亮度測(cè)量不確定度為0.83%—1.42%（采信實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果）。各區(qū)域均勻性根據(jù)GF?6/WFI高分辨率影像進(jìn)行估算，其中，均勻區(qū)均勻性為0.8%—1.6%，山地區(qū)為6%—10%，由此導(dǎo)致的最終結(jié)果不確定度貢獻(xiàn)通過其聚合為公里級(jí)像元后區(qū)域非均勻性（即標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值）來決定。相應(yīng)的，本次飛行試驗(yàn)輻亮度計(jì)足印位置解算精度約為90 m，將導(dǎo)致足印范圍內(nèi)約7.6%的誤差，利用GF?6/WFI 影像分析，由于空間位置匹配誤差導(dǎo)致的后續(xù)輻亮度計(jì)算不確定度，在均勻區(qū)和山地區(qū)分別約為1%和1.5%。角度差異方面，10°的觀測(cè)角度差異對(duì)于均勻區(qū)域和山地區(qū)域引起的不確定度分別為2%和3%。時(shí)間差異方面，均勻地區(qū)有3小時(shí)的時(shí)間差異，利用MODTRAN 模擬太陽(yáng)輻照修正的不確定度為2%，山地區(qū)域由于未進(jìn)行MODTRAN 模擬修正，考慮15 min的時(shí)間差異，期間太陽(yáng)天頂角變化（約0.5°）導(dǎo)致的入射太陽(yáng)輻照度變化較小，穩(wěn)定大氣狀況下大氣透過率變化也很小，因此，時(shí)間差異引入的不確定度估計(jì)小于0.5%。最終均勻區(qū)和山地區(qū)進(jìn)行定標(biāo)的不確定度為3.15%—3.35%和4.60%—4.75%（表4和表5）。

表4 均勻區(qū)域衛(wèi)星高度輻亮度計(jì)算不確定度分析表Table 4 The uncertainty budget of the flat area calibration

表5 山地區(qū)域衛(wèi)星高度輻亮度計(jì)算不確定度分析表Table 5 The uncertainty budget of the mountain area calibration

為了便于更好的分析比對(duì)結(jié)果，將氣球觀測(cè)結(jié)果疊加不確定度后如圖18 所示，圖中誤差棒為將氣球觀測(cè)輻亮度與本節(jié)所分析不確定度進(jìn)行合成后的范圍。

圖18 結(jié)果比對(duì)及不確定度分析結(jié)果圖Fig.18 Results comparison and uncertainty analysis

從圖18（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在僅考慮氣球觀測(cè)及計(jì)算過程不確定度的情況下，已經(jīng)表現(xiàn)出了與MODIS 良好的一致性。考慮到MODIS TOA 輻亮度還存在約5%的觀測(cè)不確定度（Xiong 等，2019），可以初步推斷本次試驗(yàn)獲取的輻亮度觀測(cè)資料精度在理論分析的范圍之內(nèi)。但從表4 中可以發(fā)現(xiàn)，即使直接采信了輻亮度計(jì)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果，其輻亮度測(cè)量仍帶來了最大1.42%的不確定度，嚴(yán)格來說，由于實(shí)際工作環(huán)境下溯源鏈路的斷裂，此項(xiàng)存在低估的可能，因此未來如何進(jìn)一步降低其不確定度并實(shí)現(xiàn)有效溯源，也是進(jìn)一步提升最終精度的關(guān)鍵之一。另外比對(duì)表4 和表5，地表非均勻性自身很大程度上影響到總體精度外，還會(huì)導(dǎo)致與其關(guān)聯(lián)的幾何定位、角度差異等不確定度的增加。特別對(duì)于本文所使用的MODIS 幾個(gè)通道，空間分辨率為250 m 和500 m，此分辨率下，受山地地形影響，除足印解算誤差增加自身表現(xiàn)出的對(duì)衛(wèi)星通道輻亮度不確定度貢獻(xiàn)相應(yīng)增加之外，由于山地區(qū)域像元異質(zhì)性及非均勻性表現(xiàn)更為明顯，根據(jù)區(qū)域均勻性估計(jì)的該項(xiàng)不確定度成為最大的影響因素。此外，山地地形也會(huì)地表BRDF效應(yīng)影響相對(duì)增強(qiáng)。以上因素均是導(dǎo)致山地區(qū)MODIS 觀測(cè)值與氣球觀測(cè)存在較大的偏差的原因。

本文在圖18（b）中，也將氣球觀測(cè)輻亮度疊加了相同的不確定范圍?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于GF?6/WFI，均勻區(qū)域和山地區(qū)域B7 波段明顯超出了理論估計(jì)的不確定度范圍，均勻區(qū)域比對(duì)中B4、B5、B8 也超出了范圍，但這幾個(gè)波段在山地區(qū)域仍在預(yù)估的范圍之內(nèi)。從表3 以及圖18（b）中，能明顯的發(fā)現(xiàn)GF?6/WFI 存在觀測(cè)輻亮度低估的趨勢(shì)，造成這一現(xiàn)象的原因可能是GF?6/WFI 運(yùn)行期間性能變化（官方定標(biāo)系數(shù)一年更新一次）。此外，由于當(dāng)前尚缺少GF?6/WFI 運(yùn)行期間自身測(cè)量不確定度評(píng)估的相關(guān)資料，因此圖17（b）中未展示觀測(cè)輻亮度的不確定度信息。從整體結(jié)果來看，除了B7 通道存在較大偏差外，其他通道與球載觀測(cè)也具有較好的一致性。

6 結(jié)論

在臨近空間利用高空科學(xué)氣球作為平臺(tái)，搭載光學(xué)輻射參考載荷開展飛行試驗(yàn)，可充分發(fā)揮此高度下集中了大部分空氣質(zhì)量與天氣現(xiàn)象，從輻射傳輸過程的層面看與衛(wèi)星觀測(cè)十分接近的優(yōu)勢(shì)，從而削弱大氣因素對(duì)輻射傳輸模擬的影響。本文全面系統(tǒng)的介紹了臨近空間輻射定標(biāo)演示系統(tǒng)組成及主要的設(shè)計(jì)要素，對(duì)所開展的飛行試驗(yàn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)與MODIS和GF?6/WFI進(jìn)行的初步比對(duì)結(jié)果進(jìn)行了說明與分析，得到的結(jié)論如下：

（1）高空科學(xué)氣球平臺(tái)在平飛過程中，其俯仰與橫滾姿態(tài)能夠保持相對(duì)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。由于本試驗(yàn)中未增加偏航角穩(wěn)定的裝置，導(dǎo)致球體整體存在旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（偏航角在±180°內(nèi)變化）。但該現(xiàn)象對(duì)本試驗(yàn)搭載的非成像輻亮度計(jì)影響可忽略；

（2）整個(gè)試驗(yàn)過程中，輻亮度計(jì)自身的溫度控制較為成功，特別在外界太陽(yáng)輻照與儀器自身發(fā)熱的共同作用下，仍將探測(cè)器穩(wěn)定在最優(yōu)工作溫度附近近10 個(gè)小時(shí)，確保儀器各項(xiàng)指標(biāo)及不確定度仍可追溯至實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)；

（3）本文初步探索了對(duì)地觀測(cè)輻亮度數(shù)據(jù)幾何足印解算、以及基于輻亮度計(jì)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星輻射定標(biāo)方法。利用實(shí)際飛行數(shù)據(jù)對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并初步給出了不確定度分析結(jié)果，給出了均勻區(qū)和山地區(qū)輻亮度觀測(cè)的合成不確定度分別為3.15%—3.35%和4.60%—4.75%。并利用MODIS、GF?6/WFI 的同步觀測(cè)初步證實(shí)了不確定度分析的可靠性。

然而，利用高空科學(xué)氣球平臺(tái)開展此類應(yīng)用與研究仍處于初步探索階段，面向未來在臨近空間平臺(tái)搭載光學(xué)輻射基準(zhǔn)載荷并實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)傳遞的目標(biāo)尚有很多工作要做。具體包括：

（1）基準(zhǔn)載荷實(shí)際工作狀態(tài)下高精度追溯至SI（國(guó)際單位制）的工作仍有待研究開展。本次試驗(yàn)僅利用輻亮度計(jì)探測(cè)器溫度控制的穩(wěn)定性，判斷升空后與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量狀態(tài)近似一致，進(jìn)而應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室溯源不確定度表征臨近空間試驗(yàn)中的觀測(cè)不確定度，仍存在溯源鏈路斷裂的問題。且本次實(shí)驗(yàn)中最后階段SWIR1探測(cè)器溫度出現(xiàn)增高現(xiàn)象，雖仍處于正常工作溫度內(nèi)，但必然會(huì)對(duì)探測(cè)精度造成影響，由于沒有同平臺(tái)搭載的基準(zhǔn)源，實(shí)際上這部分影響仍是難以量化說明。并且本次實(shí)驗(yàn)輻亮度計(jì)溯源不確定度仍然有限，仍是最終合成不確定度中最大的貢獻(xiàn)量。在未來的工作中需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)；

（2）高空科學(xué)氣球或類似臨近空間可運(yùn)行平臺(tái)的控制能力需要進(jìn)一步改善。一方面，為了充分發(fā)揮臨近空間平臺(tái)的區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間駐留觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星交叉匹配的傳遞定標(biāo)應(yīng)用，本身即需要臨近空間浮空平臺(tái)在長(zhǎng)時(shí)駐空飛行、區(qū)域飛行航跡控制等方面能力的提升；另一方面，由于高空科學(xué)氣球球體側(cè)面受力不平衡導(dǎo)致自旋的問題，偏航角會(huì)出現(xiàn)很大變化，因此，如何從平臺(tái)總體姿態(tài)控制層面考慮，盡量消除平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)載荷觀測(cè)的影響，為未來成像類載荷的搭載提供可行的方案，也是需要進(jìn)一步研究的工作；

（3）探索臨近空間與衛(wèi)星高度觀測(cè)下的地表狀態(tài)及數(shù)據(jù)間時(shí)空匹配導(dǎo)致的不確定度精準(zhǔn)評(píng)估方法。臨近空間浮空器可控制在一定區(qū)域范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)飛行，區(qū)域范圍內(nèi)地表均勻性的差異、不同太陽(yáng)及觀測(cè)幾何下的BRDF特性等，也是最終合成不確定度的主要貢獻(xiàn)。氣球飛行航跡跨度仍然在百公里量級(jí)，因此，在這樣的范圍內(nèi)精確評(píng)估下墊面特性，關(guān)聯(lián)獲取不同空間位置上臨—星載荷觀測(cè)匹配不確定度，也是未來進(jìn)一步提升臨近空間光學(xué)載荷輻射傳遞定標(biāo)精度的關(guān)鍵。

志 謝感謝中國(guó)科學(xué)院鴻鵠先導(dǎo)專項(xiàng)大柴旦試驗(yàn)基地為本次高空科學(xué)氣球飛行試驗(yàn)提供的重要保障和支持，感謝歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的數(shù)據(jù)支持了氣球飛行預(yù)測(cè)與控制。