天基红外测量相机辐射定标及误差估计方法研究

摘要

本课题基于对大气背景特性红外遥感实测数据地面应用处理的需求，对卫星下传的星上定标试验数据开展了系统的研究工作。针对天基红外测量相机特殊的应用目的，提出了全像元辐射定标方案及相应的试验数据处理方法，建立了定标系数与测量相机工况间的线性模型、测量相机灰度响应随在轨工作时间衰减的双指数函数模型、基于定标试验数据的辐射定标误差估计模型，为地面应用处理系统的实际运用提供了理论与技术支持。论文的研究工作从以下五个方面开展：
　　在全像元辐射定标方法研究方面，给出了全像元定标试验的原理、系统组成及试验方案，并利用该定标试验方案，对测量相机进行了实验室定标和星上定标试验，获得了实验室定标各谱段不同工况（增益和积分时间）下近8GB的定标试验数据，以及测量相机在轨工作半年以来近百次的星上定标试验数据。提出了定标试验数据的预处理方法、无效像元的检测原则，建立了全像元定标模型，并对上述海量的定标试验数据进行了定标处理。
　　在全像元辐射定标结果分析方面，利用全像元定标处理结果，对测量相机拍摄得到的灰度图像进行了反演和像质评价；通过比较分析同一谱段不同工况的实验室定标系数，建立了定标系数（斜率和截距）与测量相机工况（增益与积分时间之积）间的线性模型；通过比较分析星上定标系数，发现空间环境对测量相机的性能有较大影响，引起的定标异常数据增多和测量相机灰度响应衰减问题不容忽视。
　　在空间环境对测量相机性能的影响分析方面，针对因空间环境引起的定标异常数据增多的现象，基于定标试验数据的帧信息（像面灰度均值序列）和像元信息（有效像元比例），给出了星上定标数据自动化处理方案；针对测量相机在空间环境下灰度响应衰减的问题，基于空间污染损伤原理，将测量相机在轨工作时间转化为光学损伤因子，建立了测量相机灰度响应衰减的双指数函数模型，并利用星上定标数据对模型参数进行了校正。
　　在辐射定标误差估计建模与处理分析方面，基于实验室定标和星上定标的试验数据，分别建立了相应的辐射定标误差估计模型。利用建立的数学模型，对实验室定标和星上定标的辐射定标误差进行了计算、统计和分析，并对该天基红外测量相机的性能进行了评估。
　　在全像元辐射定标处理分析软件的设计与实现方面，根据卫星地面应用处理系统的需求，在MATLAB编译环境下，采用模块化思想，设计开发基于GUI的全像元辐射定标处理分析软件。该软件包括定标试验数据处理、定标信息浏览比较和定标误差分析及应用三大主要功能模块，实现了上述理论方法与数学模型研究成果的软件工程化，并已纳入地面应用评估系统的处理流程中。
　　通过本文的分析和研究，旨在为天基红外测量相机提供一种可靠、有效的辐射定标方案和相应的数据处理方法，为我国天基红外大气背景特性遥感实测数据的定量化、工程化应用提供理论与技术支持。

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中文摘要

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目录

第1章 绪 论

1.1课题背景、来源及意义

1.2国内外研究发展现状与分析

1.3主要研究内容及结构安排

第2章 全像元辐射定标方法

2.1定标试验原理

2.2定标系统组成及方案

2.3定标数据处理方法

2.4全像元定标结果分析

2.5本章小结

第3章 空间环境对测量相机性能的影响分析

3.1星上定标数据分析

3.2定标数据自动处理方案

3.3相机灰度响应衰减模型

3.4本章小结

第4章 辐射定标误差建模与处理分析

4.1辐射定标误差估计模型的建立

4.2测量误差模型的建立

4.3处理误差模型的建立

4.4辐射定标误差分析

4.5本章小结

第5章 全像元辐射定标处理分析软件的设计与实现

5.1软件总体设计

5.2定标试验数据处理模块

5.3定标信息浏览比较模块

5.4定标误差分析及应用模块

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果

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致谢