热红外传感器辐射响应影响机理与修正模型研究

HJ-1B/IRS is one of the thermal infrared sensors of mid-spatial resolution(≥300m) for civil aerospace, which demonstrate of large application demand and capability. This study aims to enhance the radiometric calibration precision of HJ-1B/IRS, while discovers the cross-affection mechanism in the system random error, mid-infrared optical cross-talk and IRS detector itself degradation. Spatial spectrum is built, griddled and analyzed according to the scan line and frame of both mid-infrared and thermal-infrared to reveal the affection of optical cross-talk. Random error is abstract to singularity, and analyzed by little wave model to extract it from full-optical-chain based on its characters and optimal filter. After the extraction of cross-talk and random error, a relationship between thermal-detector degradation and on-orbit days is correlated. Finally a model relates to the coupling of on-orbit days, random error and cross-talk is established to correct the radiometric effects of these influence items. This model covers the shortage of the two-point calibration method, using a normal temperature and a high temperature, on the radiometric correction aspect to improve its precision and level.

HJ-1B/IRS传感器是目前我国民用航天领域中两颗具有热红外中空间分辨率(≥300m)的在轨传感器之一，具有巨大的应用需求。本项目以提高HJ-1B/IRS在轨辐射校正精度为目标，全面探索全光路成像系统随机性误差、中红外通道串扰和探元自身电子衰变三者耦合对热红外通道辐射响应的影响机理。通过对中红外和热红外各自探元在不同扫描线和不同帧之间的二维空间分布谱的建立、比对和排查，挖掘中红外通道串扰影响；结合随机性误差的特点把它概化为信号检测的奇异点，通过对长期基准黑体观测记录的离散小波变换分析，建立恰当的高通滤波器从频率域中分离随机性误差；通过对随机性误差和通道串扰效应的剥离，分析探元电子衰变与在轨运行天数之间的联系。最终，构建随着在轨运行时间的增长，耦合多源影响要素的传感器辐射响应综合修正模型，弥补当前常温和高温两点阶段性定标模式中辐射校正能力的不足，提高传感器在轨辐射校正精度和水平。

HJ-1B/IRS传感器是目前我国民用航天领域中具有最高热红外空间分辨率(≥300m)的在轨传感器之一，设计运行寿命3年，从2008年10月交付运行起，目前属于超期服役。在轨运行期间，由于星上定标功能的退化，IRS传感器不在具有星上定标的功能，且受到电子元件本身退化的影响，其辐射响应发生了较大的变化，给后续的应用增添了不稳定因素。本项目以提高 HJ-1B/IRS 在轨辐射校正精度为目标，探索全光路成像系统在轨生命周期内（2008年-2015年）的运行变化，结合星上数据、地面试验数据、参考传感器交叉数据以及其它辅助数据，对IRS传感器的辐射响应变化进行理论分析与量化分析，揭示辐射变化规律，并对辐射定标系数进行校正。研究结果表明，IRS传感器在轨生命期间内，传感器辐射响应发生了明显的变化，2009年的辐射响应比2008年要低，在同样的辐亮度输入区间段内，传感器计数值DN区间变小，同时传感器的响应变化在不同输入区间衰变程度不同，当辐亮度从高到低变化时衰变程度从低到高线性增加。2010年的辐射响应比2009年要低，衰变规律与2009年同2008年的比对相同，通过2008-2010三年连续的变化情况来看，传感器辐射响应衰变程度逐年有所增加。通过2008-2011四年连续的变化情况来看，2010年衰变程度最大，2011年次之，2009年最小。通过2008-2012五年连续的变化情况来看，2013年开始发生正向衰变。2014年的辐射响应和2013年相同，但出现整体漂移，即在同样的辐亮度输入区间段内，传感器计数值DN区间长度相同，但区间所在的位置不同。通过对辐射响应进行拟合分析，得到2008-2015年，IRS传感器的增益分别为61.472、59.421、60.713、56.277、47.744、58.61、61.472、51.948，偏移（单位w·m-2sr-1µm-1）分别为-44.598、-25.441、-25.441、12.626、70.185、-10.88、-21.243、46.756。通过本项目的研究，挖掘出了IRS传感器生命周期内的衰变特征，以及对衰变进行校正的方法，有助于提高我国卫星传感器在轨辐射定标的精度。基于研究成果获取的2013-2015年定标系数为IRS数据在的定量应用提供了精度保障，成功应用于地表温度反演、水岸线提取、温排水监测等领域，充分发挥了IRS数据

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