无源定标：精确红外遥感的革新方法

撰稿 | 陈博洋（国家卫星气象中心，研究员）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

经典定标

红外遥感为气象与环境灾害监测、地表与海表参数确定、大气温度与湿度信息获取等提供了重要的空间对地观测结果。这其中，定标（名词解释>>>）是将遥感器接收的辐射强度转换为亮度、发射率或温度等物理量的处理过程，是确保观测结果高精度的有效解决办法。

根据地球观测卫星委员会（CEOS）关于定标的定义：在观测谱段范围内，定量化描述系统对已知受控的辐射类型输入信号的响应过程，经典定标是通过对辐射参考源的测量与比较来得到遥感器的辐射响应特性，即有辐射参考源定标（简称有源定标）。

从原理上来说，遥感器的辐射响应是其自身的响应特性，参考源仅是衡量辐射量的“尺子”，提供了一种可供比较的参考，但绝非必由之路。当前，红外有源定标在应用中存在三个方面的局限性：

首先，辐射参考源的非理想特性（如实际黑体发射率小于1），必然增加辐射定标结果的不确定度；

其次，期望所有在轨红外遥感器都装载性能优良的黑体是不现实的，特别是对于未来数量巨大的微小卫星，受体积、重量和功耗等因素的制约，将无法安装黑体参考源；

再次，不同遥感器装载的黑体参考源性能差异巨大，这使得有源定标的精度很难统一，严重影响依托多卫星、多载荷观测的，以全球气候变化监测与研究为代表的高精度定量应用。

为此，突破现有基于测量与比较的有源定标框架，探索影响红外遥感辐射响应的内在因素及其定量化描述方法，发展新的红外遥感定标理论，具有十分重要的科学和应用价值。

无源定标

近日，来自国家卫星气象中心郭强研究员团队和中国科学院上海技术物理研究所陈福春研究员、李向阳研究员团队合作，提出了一种全新的面向红外遥感的无辐射参考源定标（source-independent radiometric calibration，SIRC，简称无源定标）方法。

该研究成果以 High-accuracy source-independent radiometric calibration with low complexity for infrared photonic sensors 为题发表在 Light: Science & Applications。

该团队摒弃了将红外遥感器视为“黑盒”，用黑体作为辐射“尺子”，通过比较来实现定标的经典有源定标思路，转而从红外光探测器工作机理出发，通过对影响其辐射响应特性的决定性因素——背景辐射的精确建模，来实现无源定标。

更为重要的是，该无源定标方法在原理上避免了非理想黑体引入的测量不确定度，相比有源定标，其定标精度更高；同时，省去了传统有源定标需要安装的复杂黑体参考源及其附属装置，无源定标仅需要遥感器光学部件的温度信息，结构简单，易于空间遥感应用。

图1 面向红外遥感的有源定标与无源定标工作机制对比

为了实现面向红外遥感的无源定标，本文针对光导型和光伏型两类基本的碲镉汞（HgCdTe）红外探测器，分别分析并推导了光导型探测器的电导率、光伏型探测器的p-n节电压随背景辐射的变化规律，并进一步给出了上述两类探测器的辐射响应率随背景辐射变化的通用表达式。同时，从碲镉汞探测器光电转换机制出发，给出了由红外遥感器可视光学部件自身热辐射引入的量子化背景辐射计算方法。

为了获取上述无源定标中探测器本底噪声贡献，以及红外遥感器主要光学部件的自辐射贡献系数等定标参数，本文提出了利用已有的精确定标结果（发射前实验室定标或在轨交叉定标），通过构建一组超定方程组来求解的方法。

自2019年1月起，本文提出的无源定标方法已先后在风云二号G星（FY2G）和F星中业务化应用，定标性能达到国际同类卫星最好水平，确保了我国静止气象卫星在全球对地观测系统中的连续稳定运行。

图2 有源定标与无源定标性能对比

前景展望

对于已在轨的红外遥感器，无论是否装载黑体参考源，均可采用该无源定标方法来实现星载辐射定标，定标精度预期可提高0.2-0.5K，且易于实现不同遥感器间的辐射基准统一。同时，对于拟发射的红外遥感器，无需装载黑体及相关定标设备，仅需安装成熟的测温模块，在大幅简化遥感器设计、降低研制成本的同时，可获得更小不确定度的定标性能。

该无源定标新理论与方法，可为我国发展自主的高精度红外微小卫星星座奠定重要的技术基础。

文章信息：

Guo, Q., Chen, F., Li, X. et al. High-accuracy source-independent radiometric calibration with low complexity for infrared photonic sensors. Light Sci Appl 10, 163 (2021).

本文第一兼通讯作者为国家卫星气象中心二级研究员郭强，其他合作作者包括中国科学院上海技术物理研究所陈福春研究员、李向阳研究员和陈桂林院士，以及国家卫星气象中心陈博洋研究员、王新研究员和魏彩英研究员。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00597-4

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编辑 | 赵阳

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