一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法

本发明涉及遥感器定标数据处理，尤其涉及一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法。

背景技术：

1、近年来，随着国际上对地观测、大气探测、行星探测等领域的需求推动，偏振遥感探测技术已进入宽光谱覆盖、大动态范围观测、高精度探测阶段。为实现对远距离、弱目标的有效探测，常采用高灵敏度制冷型红外探测器，对热源特别敏感，背景辐射对于系统的影响更加突出，由其引起的偏振响应特性难以忽略，极大程度上影响了偏振定标的效率和精度，已经成为限制偏振遥感器短波红外波段定标精度提升的瓶颈。

2、背景辐射通常是指仪器探测系统接收的非观测目标的辐射能量。背景辐射会直接导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移，从而影响偏振遥感器响应测量值。背景辐射对红外探测的影响随着目标信号的减弱和探测器性能的提高而越显明显。尽管红外通道探测器在常温范围的辐射响应几乎接近线性，但根据研究在真空定标状态下红外通道在低温端和高温端有明显的非线性特征，而准确的低温端目标定标对于云微物理参数反演非常重要。在对地观测和空间弱目标探测中，目标辐射微弱，探测器的响应又较低，此时背景辐射成为制约系统短波红外波段信噪比和偏振测量精度提高的主导因素。

3、相对于可见光系统，短波红外系统采用被动接受目标热辐射的工作方式，因而系统的背景辐射特性更加复杂，不仅包括外部背景辐射，还要考虑系统自身结构产生的杂散辐射即内部背景辐射。内部背景辐射来源比较复杂，依据辐射源类别，内部背景辐射的来源可大体分为三类：光学元件、结构元件、探测器未制冷部分背景辐射。光学元件与机械结构的表面、以及探测器未制冷部分都会产生热辐射，其经多次反射、折射或衍射后会被探测器接收。光学元件辐射主要与材料类别、温度等因素有关，机械结构辐射主要与材料发射率、温度、传输路径等因素有关，探测器未制冷部分辐射主要与材料类别、温度等因素等有关。

4、根据对国内外背景辐射研究的分析，目前探测系统背景辐射的研究方法主要有软件建模分析方法和bat(built-and-test)法。软件建模分析方法是指根据红外物理学原理对背景辐射信号的产生过程进行建模，量化影响目标辐射特性的各种因素，模拟得到不同环境下的背景辐射信号，目前主要有蒙特卡洛法、光线踪迹法、区域法等。由于该方法成本低、不受设备和试验场地条件限制，能同时实现系统级和部件级的准确细致分析，得到了广泛应用。其缺点在于无法验证其准确性和有效性，实际上现场环境比模拟环境要复杂得多，也不可能通过模拟得到准确的目标辐射特性。

5、针对背景辐射响应的测量，主要采用bat法，即建立目标红外辐射特性测量模型，并通过现场辐射测量试验对模型进行试验及修正，这是获得目标真实辐射特性最直接的手段。国外已经形成较为完善的测量体系，例如位于美国加利福尼亚州的田纳西阿诺尔德中心在低温条件和真空环境下对红外系统背景辐射进行准确测量。但是这种实验测试方法实现很困难，误差也很大。

6、现阶段，国内关于背景辐射的研究主要还是以仿真分析为主，还未建立完善的背景辐射测量体系。国内为数不多的以实验方法研究报道有，中科院长春光机所常松涛等人基于辐射定标原理提出一种制冷型红外系统内部背景辐射测量方法，通过标定红外探测器结合红外系统辐射定标结果解算系统内部背景辐射，但该方法并未对背景辐射进行定量化分析。

技术实现思路

1、为了克服已有技术的缺陷，解决背景辐射导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移问题，本发明提供一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，实现偏振遥感器短波红外波段背景辐射精确测量和校正，降低背景辐射对短波红外波段测量结果的影响。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，包括以下步骤：

4、步骤(1)，根据偏振遥感器短波红外波段的响应与其绝对光谱响应度r(λk)、目标光谱辐亮度l(λk)、以及背景辐射响应fbkg(λk)的关系，建立偏振遥感器的响应函数s(λk)；

5、步骤(2)，将偏振遥感器各通道的测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取各通道的背景辐射响应；

6、步骤(3)，通过光谱可调的积分球作为参考光源和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应，利用光谱可调的积分球的参考光源辐射模拟仪器内辐射，获得等效黑体温度；

7、步骤(4)，利用真空高低温环境模拟试验系统的多个温度点，在已知参考温度的条件下，获取该已知参考温度下的背景辐射响应信号与背景辐射等效光谱响应度的比值对应的带内权重辐亮度lm(λj)；

8、步骤(5)，利用评估的权重光谱辐亮度和仪器内部辐射等效光谱响应度，计算背景辐射总响应fbkg(λ)；

9、步骤(6)，采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。

10、进一步地，所述步骤(1)中，所述偏振遥感器的响应函数s(λk)为：

11、

12、其中，λk为偏振遥感器波长λ的第k通道，k为偏振遥感器的通道编号，λmin和λmax为偏振遥感器具有响应的最短和最长波长，l(λk)为波长λ第k通道的光谱辐亮度，r(λk)为波长λ第k通道的绝对光谱响应度，fbkg(λk)为偏振遥感器波长λ第k通道的背景辐射响应。

13、进一步地，所述步骤(2)中，偏振遥感器各偏振通道的背景辐射响应划分为多个温度等级，温度为ti时的背景辐射响应用fbkg(λk,ti)表示：

14、

15、其中，lint(λk,ti)为仪器内部辐射的光谱辐亮度，r(λk,t0)为起始温度点t0的绝对光谱响应度，bi为拟合系数，ti为温度点，i为温度点编号。

16、进一步地，所述步骤(3)包括：首先，根据冷空观测原始光谱sds，即计数值和仪器光谱响应函数r(λk)近似计算仪器内部辐射等效光谱响应度即辐射值；然后，将按对应波段积分，获得该波段积分能量；最后，利用插值方法估算同等能量的黑体温度，如式(3)所示：

17、

18、其中，sds和sict分别表示冷空和参考光源入射时仪器输出信号，lict表示内黑体光谱辐亮度，r(λk)是仪器光谱响应函数，<·>表示取均值。

19、进一步地，所述步骤(4)包括：将偏振遥感器第k通道的工作环境温度按照实际工作环境温度变化分为多个温度等级，假设温度点编号为j的温度tj为已知参考温度，偏振遥感器背景辐射响应信号f(λk,tj)与温度tj下背景辐射等效光谱响应度δbkg(λk,tj)的比值与对应第m通道的带内权重辐亮度lm(λj)近似相等，如公式(4)所示：

20、

21、进一步地，所述步骤(5)中，所述背景辐射总响应fbkg(λk)由所有已知温度点对应的权重辐亮度lm(λj)和背景辐射响应度δbkg(λk,tj)表示，如公式(5)所示：

22、

23、进一步地，所述步骤(6)中，根据背景辐射的测量方法和数学模型b＝f(x1,x2…xn)，确定输入量xi对被测量产生的不确定度u(xi)及其传播率，通过合成不确定度评定方法来分析背景辐射偏振响应校正精度。其中被测量为背景辐射偏振响应；输入量为背景辐射响应度和温度等参数。合成不确定度u(b)评定通过式(6)表示：

24、

25、式中，r(xi,xj)为输入量xi和xj的相关系数，为输入量xi的灵敏系数。

26、本发明的优点是：

27、采用了基于环境模拟试验的背景辐射测量方法，借助于环境模拟试验系统的精细调节功能，进行遥感器真实工作环境的模拟，测量并校准背景辐射响应，有效的解决了背景辐射导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移的问题，降低了背景辐射对偏振遥感器短波红外波段测量结果的影响。