一种地球辐射月基观测平台的探测器优选方法及装置

本发明属于成像光谱仪科学设计领域，涉及一种地球辐射月基观测平台的探测器优选方法及装置。

背景技术：

1、作为下一代前沿遥感平台，地球辐射月基观测台站的建立可有效补足现有地基及卫星地球辐射观测系统的不足。作为该台站构建的核心步骤之一，探测器选型工作至关重要，然而目前相关研发工作仍亟待开展。因此，发展地球辐射月基观测探测器优选方法非常必要。

2、传统地面地球辐射观测台站由于分布相当不均且数量非常有限，因而不能满足地球反射短波及自身红外长波辐射全球变化观测的需求。而卫星观测由于能够在一定时间内均匀覆盖全球，因此可为地球辐射能量平衡研究提供一定时间分辨率下的全球尺度数据，从而使得星载平台成为现今地球辐射能量收支观测的主要依托。然而，人造地球卫星测量也还是有诸多不足之处，不同平台观测结果有时甚至互相矛盾。其根本原因在于人造地球卫星平台的一些客观存在的问题，例如：(1)由于不同平台仪器设计及运行标定方式的不同，其同一地区同一参量的观测值会出现偏差，即使是搭载在不同卫星上的相同仪器，由于卫星轨道的不同，仪器老化程度的差异，数据一致性也会有所降低，尽管目前可以通过在轨标定等技术手段对其进行消除，但仍会留存一定偏差；(2)人造卫星寿命有限，从而限制仪器了星载平台的观测年限，不利于获取长期、连续的观测数据；(3)现有低轨卫星平台的瞬时视场较小，过境次数有限，不同地区时间平均数据的采样时间并不相同，从而带来一定误差，(4)低轨卫星平台每日采样次数有限，其时间分辨率不足以捕捉到时间尺度较小的辐射传输过程，如云与地面的辐射传输等；(5)现有地球同步轨道卫星平台无法对极区进行有效观测。因此，非常有必要寻找一个更为稳定，瞬时覆盖更大，极区观测更为有效，可提供更高时间分辨率观测的平台来观测地球能量收支变化，补充现有星载平台的不足。

3、作为地球的天然卫星，月球近地面提供了地球辐射能量观测的绝佳场所。相对于低轨星载观测平台，月基对地辐射能量观测平台(moon-based earth radiationobservatory,mero)具有如下优点：1.较为稳定的轨道使得其上的平台免于搭载平台寿命的限制，月基仪器有望为地球能量平衡研究提供更为长久稳定持续的观测数据。2.月基平台瞬时视场覆盖接近半球，可为全球地球能量平衡，尤其是两极地区的辐射能量收支研究提供更高时间分辨率的数据，可有效减少观测数据因采样时间差异带来的误差，提高时间平均数据的质量，有利于捕捉到现有星载平台无法探测到的时间尺度更小的辐射传输过程，从而深化人们对于地球大气层顶辐射收支变化及机理的认识。3.月球较为稳定的辐射环境及稀薄的大气层能够为其上仪器提供更为精确的原位标定。

4、虽然人们已在地球辐射月基观测仪器的初步概念和基础参数方面开展了一定的探索性工作，但对于该平台核心探测器元件选型的认识仍非常有限。在这一技术背景下，研究地球辐射月基探测器优选方法是非常必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种地球辐射月基观测平台的探测器优选方法及装置。以解决现有地球辐射月基观测科学设计工作对于该平台核心探测器元件优选约束参数的选定、量化、总体优选方法构建的研究仍非常有限，严重阻碍了地球辐射月基观测机理研究及仪器设计工作的开展的问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种地球辐射月基观测平台的探测器优选方法，包括以下步骤：

4、步骤1，确定地球辐射月基观测平台探测器像元配置；

5、步骤2，基于确定的地球辐射月基观测平台探测器像元配置，构建各像元对地物空间视场定位模型；

6、步骤3，根据各像元对地物空间视场定位模型，并基于地球大气层顶辐射非均匀函数，构建地球辐射月基探测器像元尺度入射辐射量化方法，得到像元入射辐射量化值；

7、步骤4，基于像元入射辐射量化值，开展所述像元入射辐射量化值对于月球轨道几何特征、地球大气层顶辐射通量变化、地球大气层顶辐亮度空间分布的敏感度分析，得到地球辐射月基观测平台运行期间探测器各像元入射辐射变化规律；

8、步骤5，基于地球辐射月基观测平台运行期间探测器各像元入射辐射变化规律，根据各探测器备选元件信号特性函数，计算各元件像元响应时间、响应时间非均匀度、平均信噪比、信噪比非均匀度；

9、步骤6，根据所述像元响应时间、响应时间非均匀度、平均信噪比、信噪比非均匀度构建成像质量评价函数，并基于所述成像质量评价函数计算得到最优器件优选结果。

10、进一步的，步骤1中，将基于日-地-月几何关系及月基站几何观测特性，计算获得平台探测器阵列像元空间分布配置。

11、进一步的，步骤2中，基于确定的地球辐射月基观测平台探测器像元配置，构建各像元对地物空间视场定位模型，包括：

12、基于星历数据提供的月基观测站对地观测星下点经纬度及月基观测站与地心距离参数，构建月基观测站-地球几何观测模型，计算获得月基平台各像元物空间视场在月面坐标系下的空间分布，最后通过坐标转换得到地固坐标系下的各像元对地物空间视场定位模型。

13、进一步的，步骤3中，根据各像元对地物空间视场定位模型，并基于地球大气层顶辐射非均匀函数，构建地球辐射月基探测器像元尺度入射辐射量化方法，得到像元入射辐射量化值，包括：

14、探测器阵列(fpa)像元的焦平面短波入射辐射(ψsw)及长波入射辐射(ψlw)可由下式得到：

15、

16、

17、其中，flwi和fswi分别为像元对地视场内toa节点i处长波和短波辐射通量，可利用节点i的经纬度值从ceres syn-1toa辐射通量数据中检索获得，其中节点i的经纬度值已由上述的像元物空间视场时空分布方法给定。式(1)及式(2)中，mn是像元n物空间视场内所有节点的集合，sln是该视场内所有被太阳照亮的节点的集合，rswi及rlwi分别为toa短波及长波辐射非均匀因子，该因子可由本研究成像质量影响因素分析中确定的地球toa辐亮度空间分布规律给定。式(1)及(2)中ai是节点i代表的1纬度×1经度面积。op为系统有效光学效率，其中βi(月基平台对节点i的观测天顶角)、ηi(月基平台对节点i的地心观测偏离角)和dli(月基平台与节点i的距离)为几何参数，可以从基本星历数据集中获取。

18、进一步的，步骤4中，基于像元入射辐射量化值，开展所述像元入射辐射量化值对于月球轨道几何特征、地球大气层顶辐射通量变化、地球大气层顶辐亮度空间分布的敏感度分析，得到地球辐射月基观测平台运行期间探测器各像元入射辐射变化规律,包括：

19、在计算像元入射辐射量化值对于地球toa辐射通量变化敏感度时，将结合地球大气层顶辐射通量数据、美国同步轨道环境观测卫星(goes)及欧盟同步轨道地球辐射观测卫星(gerb)的观测数据对地球各区域长期的大气层顶反射短波及发射长波通量进行计算，而后再结合地面反射短波辐射，发射长波辐射及云的长波辐射对该趋势进行约束校正。

20、在计算像元入射辐射量化值对于地球大气层顶辐亮度空间分布敏感度时，首先将基于美国云与地球辐射观测系统(ceres)的角度分布函数(adms)研究不同下垫面和云类型云量下的地球toa辐亮度空间分布规律，而后基于构建的像元对地物空间视场定位模型，结合中分辨率成像光谱仪(modis)全球云参数数据，研究不同像元在不同观测几何特征(与物空间视场间的角度，距离)，不同物空间视场云参数(云类型，云量，光学厚度)及不同物空间视场下垫面类型下的入射辐射变化规律。

21、进一步的，所述几何特征包括与物空间视场间的角度，距离；

22、所述云参数包括云类型，云量，光学厚度。

23、进一步的，探测器阵列平均像元信噪比可由下式得到:

24、

25、其中，m为像元总数，si为i像元最终输出的信号强度，ni为i像元系统总体噪声强度，可由下式得到：

26、si＝rdi[ret(ψi)]

27、ni＝ngfi(ψi)   (4)

28、其中rdi为i像元所在读出电路的信号特性函数，rei为i像元所在光电信号探测元件的信号光电流特性函数，ngfi为i像元所在光电探测器和读出电路整体系统噪声特性函数，该函数可利用探测器系统的比探测率计算得到。ψi为i像元的短波或长波入射辐射，可由式(1)及式(2)给定。

29、进一步的，探测器阵列像元噪声的非均匀度unf可由下式得到：

30、

31、响应时间代表了探测器探测入射辐射的快慢程度及探测后恢复初始状态的能力，响应时间越短，探测器探测越快，入射信号时间间距就越短，生成数据的时间分辨率就越高。

32、数据质量越好，探测器阵列平均像元响应时间可由下式得到：

33、

34、其中m为像元总数，rsi为第i号像元的响应时间与入射辐射功率之间的关系函数，

35、为该像元入射辐射功率，可由ψi除以响应时间得到。

36、进一步的，探测器阵列像元响应时间的非均匀度unt可由下式得到：

37、

38、进一步的，步骤6中，根据所述像元响应时间、响应时间非均匀度、平均信噪比、信噪比非均匀度构建成像质量评价函数，并基于所述成像质量评价函数计算结果得到最优器件优选结果，包括：

39、利用地球辐射月基观测任务设计周期对应的长时序星历数据，以像元响应时间、响应时间非均匀度、平均信噪比、信噪比非均匀度为基础组建评价函数ev对地球辐射月基探测器阵列成像质量进行定量评价：

40、

41、其中n为任务设计周期内总共的时间样本数，j为时间样本号，为探测器阵列平均像元信噪比，unf为探测器阵列像元噪声的非均匀度，为探测器阵列平均像元响应时间，unt为探测器阵列像元响应时间的非均匀度；

42、利用上述质量评价函数，分别计算各备选探测器方案的评价函数ev,最大ev值所对应的探测器方案即为器件优选结果。

43、第二方面，本发明提供一种地球辐射月基观测平台探测器优选装置，包括处理器及存储介质；

44、所述存储介质用于存储指令；

45、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。

46、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

47、1、本发明构建地球辐射月基平台探测器元件优选方法，首先对地球辐射月基探测信号(探测器像元尺度入射辐射)开展量化，而后以上述计算结果为基础构建以入射辐射的数字成像(灰度图像)质量为依据的地球辐射月基探测器优选方法，弥补现有不足，为地球辐射月基观测平台仪器研发工作提供助力。

48、2、本发明构建地球辐射月基观测平台像元尺度入射辐射量化方法，补足现有相关研究的缺陷，为该系统焦平面阵列器件选型、光学系统设计、标定系统设计等研究提供核心约束参数，从而助力于地球辐射月基观测机理研究及仪器研发工作的推进。