本发明涉及光辐射测量、卫星遥感器定标和气象技术领域，尤其涉及一种野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标和辐射定标方法。
背景技术：
野外超光谱辐照度仪是用于全局光谱辐照度、天空漫射光谱辐照度、太阳直射光谱辐照度测量的专业设备，所测得的上述辐照度信息在光辐射测量、气象领域中均具有重要应用。
在卫星遥感器在轨定标中，需要在卫星过顶时刻在外场(一般选择专用的辐射校正场)进行地表反射率、地表接收辐照度或地表辐亮度的现场测量，通过大气辐射传输模型，反演到卫星入瞳辐亮度，实现卫星遥感器的在轨替代定标。目前卫星遥感器在轨替代定标采用的方法主要是反射率基法、辐照度基法和辐亮度基法。辐亮度基法精度最高，但其对定标场地要求严格，一般需要在高海拔、地表均匀、大气清洁、天气状态稳定的地区实施，并且通常需要采用机载载荷飞行试验的方式进行，实施难度较大。反射率基法和辐照度基法方法成熟，实施方便，目前在国内外应用最为广泛。其中，辐照度基法主要应用在太阳反射波段，降低了反射率基法中对气溶胶分布模型假设的依赖，定标精度高于反射率基法。在辐照度基法算法模型中，需要测量天空漫射光谱辐照度和全局光谱辐照度的比值(漫总比)、不同波长大气光学厚度等信息，野外超光谱辐照度仪是业界针对这项应用需求所提出的专用设备。
野外超光谱辐照度仪是一种光谱辐照度测量设备，通过太阳跟踪和挡光机构并利用内部的光谱仪单元，可以实现天空漫射光谱辐照度、全局光谱辐照度的测量，两者之比得到光谱漫总比信息，两者之差得到太阳直射光谱辐照度信息。利用太阳直射光谱辐照度信息，可以反演各个波长上的大气光学厚度。鉴于其功能的多样性和数据产品重要应用价值，野外超光谱辐照度仪已经成为卫星遥感器外场替代定标中的核心设备之一。
目前，野外无人值守的自动化定标技术逐渐成为业界研究热点和发展趋势，例如中国遥感卫星辐射校正场(敦煌)已经入驻一批包括野外超光谱辐照度仪在内的自动化观测设备。这些自动自动化设备长期自动化运行过程中，受外场季节变化引起的大范围温度变化(例如敦煌地区全年温度范围可达-20℃～40℃)、仪器震动和野外恶劣环境的长期侵蚀等因素影响，设备自身的响应度衰变和光谱漂移不可避免，野外超光谱辐照度仪必须定期进行光谱和辐射定标才能确保其测量结果的准确性。如果将设备运回实验室重新定标，路途遥远、时间周期长，所投入的人力、物力等成本也不容忽视。此外，即便是在实验室重新定标，仪器返回实验场地过程中也很避免路途颠簸等因素再次引起设备变化。
技术实现要素：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标和辐射定标方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标和辐射定标方法，首先将现场波长传递标准具安装在野外超光谱辐照度仪的遮光运动机构上，代替其原装太阳直射遮光板，利用太阳直射光作为照明光源，结合野外超光谱辐照度仪的现场实测结果，校准野外超光谱辐照度仪的光谱仪模块的波长，实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标；利用现场辐射传递标准具得到太阳直射光谱辐照度的参考量值，利用野外超光谱辐照度的实测结果得到其光谱辐照度响应度定标系数，实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标。
所述的现场波长传递标准具包括有波长标准板、固定金属框、压圈和金属盖板，将波长标准板放入固定金属框内，并通过压圈压紧固定，所述的金属盖板可拆卸的安装在固定金属框内，并覆盖住波长标准板。
所述的波长标准板为掺杂稀土氧化物的石英或k9玻璃片，所述的固定金属框为环形框体，固定金属框中心为通孔，通孔一侧口径小于波长标准板外径，通过卡边固定的方式对波长标准板进行限位，通孔另一侧有螺纹，压圈旋入固定金属框体，将波长标准板压紧固定。
所述的波长标准板从固定金属框含螺纹一侧装入，固定金属框内安装并固定波长标准板后，再从螺纹一侧安装金属盖板。
所述的实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标的方法具体如下：首先，利用野外超光谱辐照度仪内置光谱仪模块，通过比值法得到波长标准板的现场实测透过率；其次，实测透过率和经过定标的波长标准板的标准透过率比较，确认吸收峰处标准波长所对应野外超光谱辐照度仪探测器像元编号的对应关系；最后，参照波长标准板的现场实测透过率结果，根据波长标准板的标准波长和野外超光谱辐照度仪像元号的对应关系，实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标。
所述的通过比值法得到波长标准板的现场实测透过率的方法具体如下：第一步，将金属盖板安装在固定金属框上，控制野外超光谱辐照度仪的遮光运动机构运动，当遮光运动机构呈水平状态时，采集得到全局光谱辐照度，当遮光运动机构升起，刚好遮挡太阳直射光时，采集得到天空漫射光谱辐照度，两者相减得到太阳直射光谱辐照度；第二步，将所述的金属盖板拆除，控制野外超光谱辐照度仪遮光运动机构运动，采集得到新的天空漫射光谱辐照度，新的天空漫射光谱辐照度与第一步中测得的天空漫射光谱辐照度相减，得到包含有波长标准板透过率的新的太阳直射光谱辐照度；第三步，第二步得到的太阳直射光谱辐照度与第一步得到的太阳直射光谱辐照度之比即为波长标准板透过率现场比值法实测值。
所述的现场辐射传递标准具包括有经过定标的参考板、经过定标的便携式光谱辐射计、测量杆、观测镜头、便携式计算机和手持式遮光板，所述的测量杆固定在三脚架上，所述的观测镜头和便携式光谱辐射计分别安装在测量杆和三角架上，观测镜头的视场范围全部落在参考板有效工作区域之内且位于参考板的中心区域，所述的观测镜头通过光纤与便携式光谱辐射计连接，便携式光谱辐射计通过数据线与便携式计算机连接，用于控制便携式光谱辐射计采集光谱辐亮度数据，所述的手持式遮光板位于观测镜头前方，用于遮挡太阳直射光。
所述的参考板为聚四氟乙烯制成的漫反射白板。
所述的实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标的方法具体如下：(1)通过便携式计算机控制便携式光谱辐射计采集光谱辐亮度数据，得到半球空间全局光辐射照明参考板产生的光谱辐亮度测量结果，半球空间全局光辐射为太阳直射光和天空漫射光之和；
(2)使用手持式遮光板遮挡太阳直射光，使其阴影完全覆盖参考板，通过便携式计算机控制便携式光谱辐射计采集光谱辐亮度数据，得到天空漫射光照明参考板产生的光谱辐亮度测量结果；
(3)步骤(1)测得的光谱辐亮度测量结果减去步骤(2)测得的光谱辐亮度测量结果，得到太阳直射光照明参考板所产生的光谱辐亮度结果；
(4)利用步骤(3)得到的太阳直射光照明参考板所产生的光谱辐亮度计算结果，联合参考板的方向反射比因子，计算得到参考太阳直射光谱辐照度；
(5)利用步骤(4)得到的参考太阳直射光谱辐照度和权利要求6中第二步得到的太阳直射光谱辐照度，计算得到野外超光谱辐照度仪的光谱辐照度响应度定标结果，实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标。
所述的参考板的方向反射比因子，为现场实测时刻太阳高度角对应角度下的方向反射比因子，所述的太阳高度角由所在场地的经纬度和测试时间信息计算得到。
波长标准的参考量值传递方法如下：
将野外超光谱辐照度仪遮光板更换为现场波长传递标准具，首先安装现场波长传递标准具上的金属盖板，此时现场波长传递标准具与野外超光谱辐照度仪的遮光板无异，控制野外超光谱辐照度仪测量全局光谱总照度et(λ)，天空漫射光谱辐照度ed(λ)，进而得到太阳直射光谱辐照度es(λ)。
es(λ)＝et(λ)-ed(λ)(1)
拆除现场波长传递标准具上的金属盖板，此时现场波长传递标准具为通光状态，控制野外超光谱辐照度仪按照固有采集程序测量天空漫射光谱辐照度e′d
(λ)，由于现场波长传递标准具为通光状态，此时的天空漫射光谱辐照度e′d
(λ)为包含现场波长传递标准具透过率的太阳直射光谱辐照度与真实天空漫射光谱辐照度ed(λ)之和。将包含现场波长传递标准具透过率的太阳直射光谱辐照度记为e′s(λ)。则有如下关系：
e′s(λ)＝e′d(λ)-ed(λ)(2)
其中，ed(λ)为真实的天空漫射光谱辐照度，由于测量时间间隔短，仍使用拆除金属盖板之前的测量结果。
因此使用野外超光谱辐照度仪现场测量得到的现场波长传递标准具透过率结果记为t′(λ)，则有：
根据野外超光谱辐照度仪现场实测t′(λ)的结果可以确定吸收峰位置对应的像元编号，根据现场波长传递标准具的标准透过率结果t(λ)中提供的标准吸收峰波长，可以确定标准吸收峰波长和野外超光谱辐照度仪内置光谱仪像元编号的对应关系，即可实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标。
所述的便携式现场辐射传递标准具，包括便携式的光谱辐射计和参考板。光谱辐射计工作在太阳反射波段，工作波段覆盖或接近待定标的野外超光谱辐照度仪。参考板为聚四氟乙烯制成的漫反射白板，白板表面清洁无污染。
所述的便携式光谱辐射计事先在有相关计量资质的计量实验室进行过光谱定标和辐射定标，通过光谱定标确保便携式光谱辐射计波长的准确性，通过辐射定标得到便携式光谱辐射计的绝对光谱辐亮度响应度。
所述的参考板在各个波长上的方向反射比因子事先在有相关计量资质的计量实验室进行校准。
所述的地表总光谱辐照度的参考量值传递方法如下：
假设便携式光谱辐射计的光谱辐亮度响应度为r(λ)，参考板的方向反射比因子为ρ(θ，λ)。测量时使用水平尺保证参考板摆放水平，测试人员面朝太阳，防止阴影遮挡太阳直射。测试人员记录当前测量时刻，用于计算当前时刻太阳高度角和方位角。对于参考板来说，其方向反射比因子随太阳的高度角变化而变化，但随太阳方位角的变化几乎可以忽略，故太阳高度角信息为关键参数。根据公式(4)所示关系计算得到太阳高度角为θ时参考板竖直方向上的辐亮度l(θ，λ)。
其中，ρ(θ，λ)为太阳高度角为θ时，参考板在该角度上的方向反射比因子。太阳高度角θ值可以由当前位置经纬度和时间信息计算得到。es(θ，λ)为太阳高度角为θ时的太阳直射光谱辐照度。
便携式光谱辐射计竖直对准参考板正中心并控制便携式光谱辐射计测量数据，记为dnt(θ，λ)，该值对应全局光谱辐照度照明到参考板后引起的设备响应值。根据公式(6)，l(θ，λ)的计算采用太阳直射光谱辐照度为佳，原因在于全局光谱辐照度从各个方向照明参考板，参考板的方向反射比因子跟照明角度密切相关，仅根据某一个方向上的辐亮度数据很难准确评估全局光谱辐照度。
使用遮挡板遮挡太阳直射，遮挡板的阴影应当刚好覆盖参考板，控制便携式光谱辐射计采集光谱辐亮度数据，记为dnd(θ，λ)，该值对应天空漫射光谱辐照度照明参考板后引起的设备响应值。故太阳直射光谱辐照度照明参考板引起的设备响应值dns(θ，λ)可用下式计算：
dns(θ，λ)＝dnt(θ，λ)-dnd(θ,λ)(5)
由便携式光谱辐射计的光谱辐亮度响应度r(λ)和计算得到的便携式光谱辐射计信号值dns(θ，λ)计算得到l(θ，λ)。
l(θ，λ)＝r(λ)·dns(θ,λ)(6)
根据公式(7)可以计算得到当前测量时刻的太阳直射光谱辐照度es(θ，λ)。
假设当前测量时刻野外超光谱辐照度仪的实测太阳直射光谱辐照度的信号为dn′s(θ，λ)，则可以计算得到野外超光谱辐照度仪的响应度定标结果如公式(8)所示。
或者，假设当前测量时刻野外超光谱辐照度仪的太阳直射光谱辐照度为es′(θ，λ)，野外超光谱辐照度仪的原始/内置定标系数为r′(λ)，则可以计算得到野外超光谱辐照度仪更新后的响应度系数，见公式(9)。
本发明的优点是：本发明实现了实验室辐射基准到外场自动化设备的光谱和辐射标准传递，解决外场自动化设备的周期性定标问题。本发明提出的定标方法，可以在设备工作现场直接对设备进行定标，无需将设备返回实验室，定标流程简单，操作方便，能够以最少的人力、物力代价解决设备的周期性定标问题，在设备的寿命周期内，可以保证设备永久值守野外，提高设备的工作效益。在气象领域、卫星遥感器自动化定标场的业务化运行中具有重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明中通过现场波长传递标准具进行光谱定标示意图。
图2为本发明现场波长传递标准具作为遮光板时的装配图。
图3为本发明现场波长传递标准具透光工作时的装配图。
图4为本发明中通过现场辐射传递标准具获得全局光谱辐照度示意图。
图5为本发明中通过现场辐射传递标准具获得天空漫射光谱辐照度示意图。
图6为本发明工作原理框图。
具体实施方式
维护人员在野外超光谱辐照度的工作现场利用经过计量实验室定标的便携式现场波长传递标准具3和现场辐射传递标准具，通过现场实测完成实验室光谱和辐射标准的移动传递，进而实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标和辐射定标。具体流程如下：在晴朗无云的天气条件下，在合适的时间段，现场维护人员携带现场辐射传递标准具、现场波长传递标准具和辅助器材至待定标设备值守场地，维护人员首先使用现场波长传递标准具替换野外超光谱辐照度仪上的遮光装置。
如图1、6所示，一种野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标和辐射定标方法，首先将现场波长传递标准具3安装在野外超光谱辐照度仪1的遮光运动机构2上，代替其原装太阳直射遮光板，利用太阳直射光作为照明光源，结合野外超光谱辐照度仪1的现场实测结果，校准野外超光谱辐照度仪1的光谱仪模块的波长，实现野外超光谱辐照度仪1的现场光谱定标；利用现场辐射传递标准具得到太阳直射光谱辐照度的参考量值，利用野外超光谱辐照度的实测结果得到其光谱辐照度响应度定标系数，实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标。
如图2、3所述的现场波长传递标准具3包括有波长标准板4、固定金属框5、压圈6和金属盖板7，将波长标准板4放入固定金属框5内，并通过压圈6压紧固定，所述的金属盖板7可拆卸的安装在固定金属框5内，并覆盖住波长标准板4。
所述的波长标准板4为掺杂稀土氧化物的石英或k9玻璃片，在特定的波长上存在吸收峰，吸收峰值处对应的波长可通过计量实验室的反射率标准装置定标得到，所述的固定金属框5为环形框体，固定金属框5中心为通孔，通孔一侧口径小于波长标准板外径，通过卡边固定的方式对波长标准板进行限位，通孔另一侧有螺纹，压圈6旋入固定金属框体，将波长标准板4压紧固定。固定金属框5内安装并固定波长标准板4后，再从螺纹一侧安装金属盖板7即可作为不透光的遮挡板，此时其作用与野外超光谱辐照度仪的太阳直射遮光板无异。
所述的波长标准板4从固定金属框5含螺纹一侧装入，固定金属框5内安装并固定波长标准板4后，再从螺纹一侧安装金属盖板。
所述的实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标的方法具体如下：首先，利用野外超光谱辐照度仪1内置光谱仪模块，通过比值法得到波长标准板4的现场实测透过率；其次，实测透过率和经过定标的波长标准板的标准透过率比较，确认吸收峰处标准波长所对应野外超光谱辐照度仪1探测器像元编号的对应关系；最后，参照波长标准板的现场实测透过率结果，根据波长标准板的标准波长和野外超光谱辐照度仪像元号的对应关系，实现野外超光谱辐照度仪的现场光谱定标。
所述的通过比值法得到波长标准板的现场实测透过率的方法具体如下：第一步，将金属盖板7安装在固定金属框5上，控制野外超光谱辐照度仪1的遮光运动机构2运动，当遮光运动机构2呈水平状态时，采集得到全局光谱辐照度，当遮光运动机构2升起，刚好遮挡太阳直射光时，采集得到天空漫射光谱辐照度，两者相减得到太阳直射光谱辐照度；第二步，将所述的金属盖板7拆除，控制野外超光谱辐照度仪1遮光运动机构运动，采集得到新的天空漫射光谱辐照度，新的天空漫射光谱辐照度与第一步中测得的天空漫射光谱辐照度相减，得到包含有波长标准板透过率的新的太阳直射光谱辐照度；第三步，第二步得到的太阳直射光谱辐照度与第一步得到的太阳直射光谱辐照度之比即为波长标准板透过率现场比值法实测值。
所述的现场辐射传递标准具包括有经过定标的参考板8、经过定标的便携式光谱辐射计9、测量杆10、观测镜头11、便携式计算机12和手持式遮光板13，所述的测量杆10固定在三脚架14上，所述的观测镜头11和便携式光谱辐射计9分别安装在测量杆10和三角架14上，观测镜头11的视场范围全部落在参考板8有效工作区域之内且位于参考板8的中心区域，所述的观测镜头11通过光纤与便携式光谱辐射计9连接，便携式光谱辐射计9通过数据线与便携式计算机12连接，用于控制便携式光谱辐射计9采集光谱辐亮度数据，所述的手持式遮光板13位于观测镜头前方，用于遮挡太阳直射光。
所述的参考板8为聚四氟乙烯制成的漫反射白板。
如图4、5所示，所述的实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标的方法具体如下：(1)通过便携式计算机12控制便携式光谱辐射计9采集光谱辐亮度数据，得到半球空间全局光辐射照明参考板8产生的光谱辐亮度测量结果，半球空间全局光辐射为太阳直射光和天空漫射光之和；
(2)使用手持式遮光板13遮挡太阳直射光，使其阴影完全覆盖参考板8，通过便携式计算机12控制便携式光谱辐射计9采集光谱辐亮度数据，得到天空漫射光照明参考板8产生的光谱辐亮度测量结果；
(3)步骤(1)测得的光谱辐亮度测量结果减去步骤(2)测得的光谱辐亮度测量结果，得到太阳直射光照明参考板所产生的光谱辐亮度结果；
(4)利用步骤(3)得到的太阳直射光照明参考板8所产生的光谱辐亮度计算结果，联合参考板的方向反射比因子，计算得到参考太阳直射光谱辐照度；
(5)利用步骤(4)得到的参考太阳直射光谱辐照度和权利要求6中第二步得到的太阳直射光谱辐照度，计算得到野外超光谱辐照度仪的光谱辐照度响应度定标结果，实现野外超光谱辐照度仪的现场辐射定标。
所述的参考板的方向反射比因子，为现场实测时刻太阳高度角对应角度下的方向反射比因子，所述的太阳高度角由所在场地的经纬度和测试时间信息计算得到。