王陽(yáng)，鈕新華，張鍔，2，陳帥帥，3，胡秀清，張冬冬，王向華，熊千千

1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083;

2.國(guó)科大杭州高等研究院,杭州 310024;

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;

4.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心 中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

1 引言

紅外遙感技術(shù)正朝著高定量化的方向發(fā)展，特別是在氣候變化監(jiān)測(cè)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)以及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域，其對(duì)定量化水平的要求越來(lái)越苛刻（楊以坤 等，2019）。在經(jīng)歷數(shù)十年發(fā)展之后，目前遙感衛(wèi)星紅外譜段輻射定標(biāo)不確定度為0.2 K 水平（Hilton 等，2012；Hu 等，2013），為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣候變化及有效監(jiān)測(cè)全球氣候變化，遙感衛(wèi)星在地球熱發(fā)射波段的觀測(cè)必須長(zhǎng)期保持在0.1 K 水平（Anderson 等，2004），為了這個(gè)目標(biāo)，美國(guó)和歐洲分別相繼提出了CLARREO 計(jì)劃（Grandmont等，2017）和TRUTHS 計(jì)劃（Fox 等，2017），同時(shí)中國(guó)也提出了空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)星計(jì)劃（盧乃錳 等，2020），所有航天強(qiáng)國(guó)都圍繞在軌紅外定標(biāo)的精度提高開展相關(guān)研究。

基于星上定標(biāo)裝置的方法可對(duì)星載傳感器進(jìn)行快速實(shí)時(shí)定標(biāo)，并不受大氣和地表類型的影響，具有較高的定標(biāo)精度（盛一成 等，2019），該方法一般以星上黑體和深冷空間作為輻射基準(zhǔn)源（Díaz等，2022；Xiong 等，2014），例如IASI、MODIS、VIIRS 等載荷（盛一成 等，2019）。衛(wèi)星發(fā)射前利用標(biāo)準(zhǔn)輻射源對(duì)星載傳感器以及星上黑體進(jìn)行輻射標(biāo)定（趙艷華 等，2021），獲取的紅外定標(biāo)精度也決定了星上黑體能夠發(fā)揮其高精度的在軌定標(biāo)能力（宋健，2019）。隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)星載傳感器發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)精度提出了更高的要求（宋健 等，2019）。目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)射前紅外定標(biāo)試驗(yàn)基本以標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為紅外波段最常用的標(biāo)準(zhǔn)輻射源（Hao 等，2018；Guenther等，1996；Xiong 等，2014），利用星載傳感器將標(biāo)準(zhǔn)面源黑體輻射傳遞到星上黑體上，該定標(biāo)方法在航天紅外遙感載荷以及各種紅外輻射計(jì)輻射定標(biāo)試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。

對(duì)于紅外遙感載荷來(lái)說(shuō)，真空紅外定標(biāo)試驗(yàn)是技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜、要求非常高的試驗(yàn)之一。在標(biāo)準(zhǔn)面源黑體升降溫過(guò)程中，紅外輻射計(jì)會(huì)與面源黑體、空間試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行能量交換（李志勝，2018），紅外輻射計(jì)系統(tǒng)溫度會(huì)受到不同程度的影響?，F(xiàn)有的光學(xué)遙感器載荷對(duì)污染十分敏感，在軌長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，系統(tǒng)的成像質(zhì)量受空間污染物的影響會(huì)有一定程度下降（徐加寬，2000）。紅外遙感載荷發(fā)射前紅外定標(biāo)試驗(yàn)工作在真空罐內(nèi)，可以通過(guò)抽真空和加熱來(lái)去污，但紅外遙感載荷在長(zhǎng)時(shí)間工作后仍然會(huì)受到真空試驗(yàn)環(huán)境的不同程度的污染（李志勝，2018）。紅外探測(cè)器的響應(yīng)度與環(huán)境溫度息息相關(guān)，溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)系統(tǒng)輸出的灰度值的漂移，從而影響紅外定標(biāo)中目標(biāo)輻射的精確測(cè)量（吳越 等，2019）。以上這些因素均會(huì)導(dǎo)致紅外定標(biāo)輻射溯源鏈中系統(tǒng)響應(yīng)度的不一致，甚至?xí)绊懙郊t外遙感載荷定標(biāo)精度和星上黑體輻射傳遞精度。標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為輻射基準(zhǔn)，隨著輻射傳遞鏈路的增長(zhǎng)，不可避免的造成紅外輻射測(cè)量精度的逐級(jí)降低（龔律宇，2017；顧行發(fā) 等，2013）。因此，針對(duì)紅外遙感載荷及星上黑體定標(biāo)，真空紅外定標(biāo)中輻射響應(yīng)一致性校正方法研究是提高發(fā)射前紅外輻射定標(biāo)精度的關(guān)鍵。

2 儀器與試驗(yàn)

在衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)前，紅外掃描輻射計(jì)需要在地面完成真空紅外輻射定標(biāo)試驗(yàn)，測(cè)試正樣產(chǎn)品的性能和為在軌運(yùn)行提供儀器標(biāo)定系數(shù)。本文針對(duì)FY-3B 氣象衛(wèi)星攜帶的光學(xué)遙感載荷—可見光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）的發(fā)射前紅外定標(biāo)歷史數(shù)據(jù)再處理分析。該掃描輻射計(jì)主要用途是監(jiān)測(cè)全球云量，判識(shí)云的高度、類型和相態(tài)，探測(cè)海洋表面溫度，監(jiān)測(cè)高溫火點(diǎn)，識(shí)別地表積雪覆蓋，探測(cè)海洋水色等，擁有10 個(gè)1 km 分辨率的探測(cè)通道，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外、中波和長(zhǎng)波紅外譜段范圍（0.43—12.5 μm）。

針對(duì)掃描輻射計(jì)的3 個(gè)紅外通道（中波3.55—3.93 μm、長(zhǎng)波10.3—11.3 μm 和11.5—12.5 μm），在發(fā)射任務(wù)前完成了紅外定標(biāo)試驗(yàn)。掃描輻射計(jì)的紅外探測(cè)器采用輻射制冷器冷卻，紅外輻射定標(biāo)和性能測(cè)試在F3H 真空設(shè)備中進(jìn)行，它具有液氮和液氦環(huán)境，建立有深冷黑體和冷屏（張勇 等，2006）。如圖1 所示，掃描輻射計(jì)通過(guò)掃描鏡（紅色）依次接收冷空間、面源黑體以及星上黑體的輻射，光學(xué)接收孔徑對(duì)準(zhǔn)面源黑體，探測(cè)頭部進(jìn)行恒溫控制，利用深冷黑體作為空間零輻射基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)面源黑體為空間輻射基準(zhǔn)。在紅外定標(biāo)試驗(yàn)過(guò)程中，掃描輻射計(jì)探測(cè)頭部與星上黑體同時(shí)變溫，具有相同的物理溫度。

圖1 掃描輻射計(jì)掃描順序示意圖Fig.1 Schematic diagram of the scanning sequence for the scanning radiometer

如圖2 所示，在面源黑體變溫階段，探測(cè)頭部/星上黑體控制在一個(gè)固定溫度點(diǎn)上，通過(guò)改變面源黑體溫度（輻射量）得到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出信號(hào)碼值，獲取探測(cè)頭部的定標(biāo)系數(shù)。在面源黑體變溫階段，探測(cè)頭部/星上黑體會(huì)隨著外部溫度環(huán)境變化而受到波動(dòng)。在星上黑體變溫階段，面源黑體控制在一個(gè)固定溫度點(diǎn)上，通過(guò)改變星上黑體/探測(cè)頭部溫度得到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出信號(hào)碼值，通過(guò)探測(cè)頭部的定標(biāo)系數(shù)、星上黑體信號(hào)碼值和星上黑體測(cè)溫鉑電阻碼值獲取測(cè)溫鉑電阻碼值與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，這樣通過(guò)探測(cè)頭部把面源黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)引渡到星上黑體上。

圖2 掃描輻射計(jì)真空紅外定標(biāo)方法原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum infrared calibration method for scanning radiometer

其中，在以上各個(gè)紅外定標(biāo)階段，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都包括溫度數(shù)據(jù)與信號(hào)數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)包括面源黑體溫度、輻冷溫度以及星上黑體/探測(cè)頭部溫度。信號(hào)數(shù)據(jù)包括面源黑體、星上黑體和深冷空間。

3 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正原理

針對(duì)VIRR 掃描輻射計(jì)真空紅外定標(biāo)過(guò)程中輻射傳遞的響應(yīng)度非一致性問(wèn)題，本文提出了一種真空紅外定標(biāo)輻射響應(yīng)度一致性校正算法。

3.1 掃描輻射計(jì)信號(hào)響應(yīng)碼值分解函數(shù)

在星上黑體變溫以及面源黑體變溫階段下，冷空信號(hào)扣除后的星上黑體或者面源黑體系統(tǒng)響應(yīng)碼值為

式中，CS 是表示星上黑體變溫定標(biāo)階段或面源黑體變溫定標(biāo)階段，BB 表示掃描輻射計(jì)觀測(cè)的星上黑體或面源黑體，Tm表示面源黑體物理溫度，Tx表示星上黑體/探測(cè)頭部溫度，表示紅外定標(biāo)階段CS、面源黑體物理溫度Tm以及星上黑體/探測(cè)頭部物理溫度Tx的BB 黑體碼值，表示紅外定標(biāo)階段CS、面源黑體物理溫度Tm以及星上黑體/探測(cè)頭部物理溫度Tx的冷空碼值。

在紅外定標(biāo)中，探測(cè)頭部的溫度波動(dòng)、系統(tǒng)試驗(yàn)污染、探測(cè)器溫度波動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)度的變化。探測(cè)系統(tǒng)獲取的響應(yīng)碼值與外部目標(biāo)輻射源輻射變化有關(guān)，而外部目標(biāo)輻射源包括面源黑體或者星上黑體。因此，掃描輻射計(jì)響應(yīng)碼值由3部分組成，包括基準(zhǔn)工況碼值、外部目標(biāo)源輻射函數(shù)以及系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)，如圖3 所示，掃描輻射計(jì)響應(yīng)碼值分解函 數(shù)如下：

圖3 紅外定標(biāo)輻射響應(yīng)一致性方法原理圖Fig.3 Principle diagram of uniformity method of the radiance response in the infrared calibration

3.2 面源黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

3.2.1 星上黑體輻射函數(shù)獲取

當(dāng)探測(cè)頭部和星上黑體控制在溫度Tx時(shí)，面源黑體變溫過(guò)程導(dǎo)致星上黑體溫度和探測(cè)頭部溫度同時(shí)波動(dòng)，其系統(tǒng)響應(yīng)度發(fā)生變化，面源黑體變溫階段星上黑體響應(yīng)碼值分解函數(shù)如式（3）所示。根據(jù)掃描輻射計(jì)紅外通道光譜響應(yīng)函數(shù)、黑體能量光譜分布以及星上黑體發(fā)射率，計(jì)算不同星上黑體溫度Tx對(duì)應(yīng)的輻射能量N(Tx)，以扣除星上黑體溫度波動(dòng)對(duì)星上黑體測(cè)量的系統(tǒng)響應(yīng)影響，具體的計(jì)算過(guò)程如下：

式中，νi為第i個(gè)波數(shù)，R（νi）為通道相對(duì)應(yīng)的相對(duì)光譜響應(yīng)，ε(vi)是星上黑體發(fā)射率（＞0.99），c1=1.1910427×10-5mW/（m2sr1cm-4），c2=1.4387752 cm1K1為輻射常數(shù)。在面源黑體變溫階段，星上黑體輻射函數(shù)計(jì)算如下：

3.2.2 系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)獲取

根據(jù)式（3）中星上黑體響應(yīng)函數(shù)分解公式以及星上黑體輻射函數(shù)，扣除面源黑體變溫階段的星上黑體溫度波動(dòng)對(duì)星上黑體系統(tǒng)響應(yīng)的影響，基于掃描輻射計(jì)線性響應(yīng)系統(tǒng)，獲取掃描輻射計(jì)輻射響應(yīng)一致性函數(shù)

3.2.3 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

針對(duì)面源黑體變溫定標(biāo)階段的面源黑體碼值，利用掃描輻射計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)線性校正面源黑體響應(yīng)碼值，其校正后的面源黑體響應(yīng)碼值為

3.3 星上黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

3.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)獲取

面源黑體響應(yīng)碼值函數(shù)分解如式（9）所示，當(dāng)面源黑體控制在溫度處時(shí)，基于掃描輻射計(jì)線性響應(yīng)系統(tǒng)和高精度面源黑體控溫系統(tǒng)，利用面源黑體溫度處面源黑體響應(yīng)碼值，計(jì)算掃描輻射計(jì)探測(cè)頭部變溫時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)：

3.3.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

為了準(zhǔn)確地計(jì)算星上黑體測(cè)溫鉑電阻與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，需將星上黑體變溫定標(biāo)階段掃描輻射計(jì)響應(yīng)度校正到相同定標(biāo)狀態(tài)（頭部溫度），即頭部溫度Tx時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)度一致性，在保證探測(cè)頭部系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)一致性的情況下，基準(zhǔn)工況下面源黑體輻射變化引起的星上黑體響應(yīng)碼值定義為

基于星上黑體碼值響應(yīng)函數(shù)分解如式（10），利用掃描輻射計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)線性校正星上黑體變溫定標(biāo)階段星上黑體響應(yīng)碼值，即基準(zhǔn)工況下面源黑體輻射變化引起的星上黑體響應(yīng)碼值是：

3.4 輻射傳遞過(guò)程中系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

基于掃描輻射計(jì)單一定標(biāo)狀態(tài)下的輻射響應(yīng)度不變性，利用面源黑體變溫階段與星上黑體變溫階段面源黑體溫度處輻射測(cè)量數(shù)據(jù)，將輻射傳遞過(guò)程中的掃描輻射計(jì)的響應(yīng)度進(jìn)行一致性校正。

根據(jù)式（4）和式（9）基準(zhǔn)工況碼值，以面源黑體變溫階段面源黑體碼值為基準(zhǔn)，計(jì)算面源黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞到星上黑體過(guò)程中的定標(biāo)狀態(tài)一致性系數(shù)?：

通過(guò)以上紅外定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法，保證掃描輻射計(jì)星上黑體變溫和面源黑體變溫階段的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性，獲取校正后星上黑體變溫階段星上黑體碼值為準(zhǔn)確地計(jì)算掃描輻射計(jì)在軌定標(biāo)所需的輻射定標(biāo)系數(shù)提供數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正及檢驗(yàn)

本文針對(duì)VIRR 掃描輻射計(jì)11.5—12.5 μm 通道發(fā)射前真空紅外定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)一致性校正及檢驗(yàn)，真空紅外定標(biāo)數(shù)據(jù)按照面源黑體變溫階段、星上黑體變溫階段以及輻射傳遞階段分別進(jìn)行處理。

4.1 面源黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.1.1 面源黑體變溫定標(biāo)數(shù)據(jù)

在面源黑體變溫階段，掃描輻射計(jì)依次開展面源黑體降溫試驗(yàn)及升溫試驗(yàn)，如圖4（a）所示，降溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)為1—31，升溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)為32—62。面源黑體溫度范圍為180—322 K，星上黑體/探測(cè)頭部控溫在19.3°左右，面源黑體從322 K 降溫到180 K，在從180 K升溫到322 K。由于面源黑體在升溫和降溫過(guò)程中會(huì)烘烤探測(cè)頭部，致使探測(cè)頭部/星上黑體溫度發(fā)生波動(dòng)，此時(shí)面源黑體溫度與探測(cè)頭部/星上黑體溫度的關(guān)系如圖4（a）所示，面源黑體溫度與探測(cè)頭部/星上黑體溫度之間成正相關(guān)。

圖4 面源黑體變溫階段面源黑體溫度與探測(cè)頭部/星上黑體溫度、面源黑體碼值之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the temperature of the surface blackbody and the temperature of the detection head/on-board blackbody or the surface blackbody signal at the variable temperature stage of the surface blackbody

在面源黑體變溫階段，面源黑體響應(yīng)碼值與面源黑體溫度之間的關(guān)系圖4（b）所示，面源黑體響應(yīng)碼值升溫曲線與降溫曲線較為不重合。

如圖5 所示，面源黑體從降溫到升溫過(guò)程中，星上黑體響應(yīng)碼值逐漸變小，同時(shí)星上黑體溫度/探測(cè)頭部溫度受到面源黑體變溫的影響。星上黑體響應(yīng)碼值變化受到系統(tǒng)響應(yīng)度變化和星上黑體溫度的波動(dòng)影響，其中系統(tǒng)的響應(yīng)度主要受到探測(cè)頭部溫度變化及試驗(yàn)污染的影響。本文僅考慮系統(tǒng)響應(yīng)度的變化，針對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)度變化進(jìn)行一致性校正。

圖5 面源黑體溫度與探測(cè)頭部/星上黑體溫度、面源響應(yīng)碼值之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the temperature of the surface blackbody and the temperature of the detection head/on-board blackbody or the response signal of the surface blackbody

4.1.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

通過(guò)以上計(jì)算，分別獲取面源黑體變溫階段星上黑體輻射函數(shù)、星上黑體碼值歸一化函數(shù)以及系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)，三者曲線如圖6（a）所示，降溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)1—31，升溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)32—62。由圖6（a）中星上黑體輻射函數(shù)可知，星上黑體溫度引起的輻射變化約為0.7%。由圖6（a）中系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)可知，在面源黑體升溫階段紅外系統(tǒng)響應(yīng)度逐漸變小，系統(tǒng)的響應(yīng)度變化約2%左右。

圖6 面源黑體變溫階段面源響應(yīng)碼值一致性校正Fig.6 Uniformity correction of the response signal of the surface blackbody at the variable temperature stage of the surface blackbody

在面源黑體變溫階段，面源黑體升溫和降溫試驗(yàn)的原始響應(yīng)碼值與面源黑體溫度關(guān)系如圖6（b）中的上圖所示。由式（8）可知，利用獲取的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)對(duì)面源黑體碼值進(jìn)行響應(yīng)度一致性校正。如圖6（b）中的下圖所示，其校正后的面源黑體升降溫曲線重合性要明顯優(yōu)于原始數(shù)據(jù)的升降溫曲線重合性。

4.1.3 升溫和降溫校正碼值一致性檢驗(yàn)

在面源黑體變溫階段，面源黑體升溫和降溫?cái)?shù)據(jù)具有相同面源黑體控溫點(diǎn)，因此，在不同溫度點(diǎn)上面源黑體降溫與升溫的響應(yīng)碼值差如圖7所示，黑點(diǎn)表示原始響應(yīng)碼值差，藍(lán)點(diǎn)表示校正響應(yīng)碼值差，其原始數(shù)據(jù)升降溫的碼值差在高動(dòng)態(tài)位置能達(dá)到18 DN。

圖7 面源黑體升降溫響應(yīng)碼值一致性校正前后差異Fig.7 The difference of the response uniformity between before and after correction for heating-up and cooling-down signal for the surface blackbody

經(jīng)過(guò)掃描輻射計(jì)響應(yīng)度一致性校正后，在所有控溫點(diǎn)上其校正數(shù)據(jù)的最大碼值偏差為0.7 DN，大幅度提高面源黑體升降溫響應(yīng)曲線的輻射響應(yīng)一致性。

4.2 星上黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.2.1 星上黑體變溫定標(biāo)數(shù)據(jù)

在星上黑體變溫階段，面源黑體控溫在300 K，控溫精度優(yōu)于0.1 K，探測(cè)頭部/星上黑體從35°降溫到0°，在從0°升溫到35°，此時(shí)探測(cè)頭部/星上黑體溫度與星上黑體響應(yīng)碼值的關(guān)系如圖8（a）所示。

圖8 星上黑體變溫階段探測(cè)頭部/星上黑體溫度與響應(yīng)碼值之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between temperature of the detection head/on-board blackbody and the response signal at the variable temperature stage of the on-board blackbody

如圖8（b）所示，在星上黑體定標(biāo)階段，掃描輻射計(jì)依次開展星上黑體降溫試驗(yàn)及升溫試驗(yàn)，降溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)1—17，升溫試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)序號(hào)18—33。探測(cè)頭部在星上黑體變溫階段獲取星上黑體碼值和面源黑體碼值，此時(shí)面源黑體溫度保持不變。當(dāng)探測(cè)頭部和星上黑體同時(shí)變溫時(shí)，紅外探測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)度會(huì)發(fā)生變化，從圖8（b）可知，探測(cè)頭部溫度和300 K面源黑體碼值成反比關(guān)系。

4.2.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

在星上黑體變溫階段，探測(cè)頭部掃描星下點(diǎn)位置處的面源黑體。探測(cè)頭部溫度變化引起探測(cè)頭部的響應(yīng)度發(fā)生變化，如圖9（a）所示，基于式（11）利用300 K 面源黑體響應(yīng)碼值計(jì)算星上黑體升溫及降溫階段系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)HXSBWin(Tm，Tx)。

圖9 星上黑體變溫階段星上黑體響應(yīng)碼值一致性校正Fig.9 Uniformity correction of the response signal of the on-board blackbody at the variable temperature stage of the on-board blackbody

在星上黑體變溫階段，以探測(cè)頭部溫度19.45 ℃面源黑體300 K 基準(zhǔn)工況為基準(zhǔn)，利用式（13）校正星上黑體響應(yīng)碼值，即保證探測(cè)頭部響應(yīng)度的一致性。如圖9（b）所示，黑點(diǎn)代表星上黑體升降溫原始響應(yīng)碼值，紅點(diǎn)代表校正后的星上黑體升降溫響應(yīng)碼值，紅線為該校正數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合線。

4.3 輻射傳遞階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.3.1 輻射傳遞階段響應(yīng)碼值一致性校正

為保證面源黑體輻射基準(zhǔn)到星上黑體輻射傳遞過(guò)程中掃描輻射計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)度一致性，需計(jì)算兩種定標(biāo)狀態(tài)下的響應(yīng)一致性系數(shù)?：

面源黑體溫度300 K，星上黑體/探測(cè)頭部溫度19.45 ℃作為紅外定標(biāo)的基準(zhǔn)工況，以該基準(zhǔn)工況下的星上黑體碼值為基準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)面源黑體變溫時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)，以校正面源黑體升降溫碼值，表1是面源變溫階段面源黑體碼值和星上黑體碼值校正表。

表1 面源變溫階段面源黑體和星上黑體碼值校正表Table 1 The correction table of the signal of the surface blackbody and on-board blackbody in the variable temperature stage of the surface blackbody

表2是星上變溫階段面源黑體碼值和星上黑體碼值校正表，以面源黑體變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體碼值為基準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)星上黑體變溫階段的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)，以校正星上黑體變溫響應(yīng)碼值。

表2 星上變溫階段面源黑體和星上黑體碼值校正表Table 2 The correction table of the signal of surface blackbody and on-board blackbody in variable temperature stage of the on-board blackbody

4.3.2 輻射傳遞階段系統(tǒng)響應(yīng)一致性檢驗(yàn)

在面源黑體變溫階段和星上黑體變溫階段，面源黑體和星上黑體碼值經(jīng)過(guò)的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)和定標(biāo)狀態(tài)一致性系數(shù)校正后，在基準(zhǔn)工況下其校正碼值比對(duì)結(jié)果如表3所示。

表3 面源黑體和星上黑體碼值基準(zhǔn)工況下校正碼值對(duì)比表Table 3 Comparison table between correction signal of surface blackbody and on-board blackbody in reference condition

（1）在面源黑體變溫階段，基于基準(zhǔn)工況下的星上黑體數(shù)據(jù)，校正面源黑體升降溫時(shí)的面源黑體數(shù)據(jù)，獲取基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.67和677.41），其校正碼值偏差為0.3 DN。

（2）基于面源變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.67和677.41），計(jì)算星上黑體變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.54）。基于星上黑體變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值與星上黑體變溫階段面源黑體碼值（671.37和673.58），校正星上黑體變溫階段的星上黑體碼值，獲取其基準(zhǔn)工況下星上黑體校正碼值（602.81），與面源變溫階段星上黑體碼值（602.55）偏差為0.3 DN。

4.4 星上黑體等效黑體溫度比對(duì)分析

在星上黑體變溫階段，星上黑體測(cè)溫鉑電阻碼值與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)準(zhǔn)確性主要由星上黑體碼值對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度反演精度決定的，本文采用3種方法計(jì)算星上黑體碼值對(duì)應(yīng)等效黑體溫度。

（1）原始碼值定標(biāo)系數(shù)亮溫計(jì)算方法（原始法）

通過(guò)面源黑體變溫階段面源黑體定標(biāo)曲線（原始碼值）計(jì)算的定標(biāo)系數(shù)（2 次擬合），進(jìn)而計(jì)算星上黑體變溫階段星上黑體碼值（原始碼值）對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度。

（2）校正碼值定標(biāo)系數(shù)亮溫計(jì)算方法（校正法）

通過(guò)4.1 章到4.3 章節(jié)獲得的紅外定標(biāo)過(guò)程中的響應(yīng)度一致性系數(shù)，對(duì)其定標(biāo)獲得的碼值進(jìn)行一致性校正，利用面源黑體變溫階段面源黑體校正定標(biāo)曲線計(jì)算的定標(biāo)系數(shù)（2次擬合）計(jì)算星上黑體變溫階段星上黑體校正碼值對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度。

（3）面源黑體300 K目標(biāo)+冷空方法（兩點(diǎn)法）

利用星上黑體變溫階段300 K 面源黑體目標(biāo)和冷空兩點(diǎn)法（原始碼值）計(jì)算不同頭部溫度下的定標(biāo)系數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算星上黑體變溫階段星上黑體碼值（原始碼值）對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度。

圖10（a）所示，3 條曲線分別表示利用以上3 種方法計(jì)算的星上黑體變溫階段不同頭部溫度下星上黑體碼值對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度。圖10（b）所示，兩條曲線是校正法和原始法分別與兩點(diǎn)法計(jì)算的等效黑體溫度之間的偏差。由圖10（b）中可以看出，在頭部溫度0—35°變化范圍內(nèi)，比對(duì)3種計(jì)算等效黑體溫度的結(jié)果，兩點(diǎn)法和校正法一致性在0.06 K 以內(nèi)，原始法相對(duì)于其他兩種方法計(jì)算的結(jié)果偏差約為1.35 K。原始法考慮了計(jì)算黑體等效溫度中的非線性項(xiàng)，但沒(méi)有考慮頭部變溫等因素引起的響應(yīng)度變化。兩點(diǎn)法和校正法都考慮了頭部溫度等因素變化引起的響應(yīng)度變化，但兩點(diǎn)法并沒(méi)有考慮系統(tǒng)的非線性引入的誤差。相對(duì)于兩點(diǎn)法來(lái)說(shuō)，校正法考慮了定標(biāo)系數(shù)中的非線性項(xiàng)，所采用的非線性項(xiàng)也是經(jīng)過(guò)響應(yīng)度一致性校正后的計(jì)算結(jié)果。從以上分析結(jié)果來(lái)看，采用校正法計(jì)算星上黑體碼值對(duì)應(yīng)的等效黑體溫度更加準(zhǔn)確。

圖10 星上黑體碼值等效黑體溫度多種計(jì)算方法比對(duì)Fig.10 Comparison of various calculation methods for the equivalent blackbody temperature from the signal of the on-board blackbody

5 結(jié)論

為保證紅外定標(biāo)各階段數(shù)據(jù)的系統(tǒng)響應(yīng)度一致性和輻射準(zhǔn)確性，基于掃描輻射計(jì)線性響應(yīng)系統(tǒng)、掃描輻射計(jì)單一系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性以及空間輻射基準(zhǔn)源輻射穩(wěn)定性，本文建立了紅外遙感載荷真空紅外定標(biāo)輻射傳遞過(guò)程中的輻射響應(yīng)度一致性校正算法。針對(duì)FY-3B 可見光紅外掃描輻射計(jì)，利用真空紅外定標(biāo)中面源黑體及星上黑體數(shù)據(jù)獲取輻射一致性函數(shù)，經(jīng)過(guò)掃描輻射計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正后，在面源黑體變溫階段所有控溫點(diǎn)上面源黑體升降溫響應(yīng)碼值一致性優(yōu)于0.7 DN，在基準(zhǔn)工況上面源黑體輻射基準(zhǔn)到星上黑體輻射傳遞過(guò)程中響應(yīng)碼值一致性優(yōu)于0.3 DN?；诩t外定標(biāo)過(guò)程中原始碼值和校正后的碼值，開展校正算法和其他傳統(tǒng)方法在星上等效黑體溫度計(jì)算結(jié)果的比對(duì)及分析。該算法為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星紅外定標(biāo)歷史資料數(shù)據(jù)再定標(biāo)處理，以及紅外遙感載荷的定量化發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。