夜间卫星看的准不准，微光成像仪辐射定标是关键

封面解读：

微光成像仪是卫星开展夜间光学探测不可或缺的眼睛，而这颗眼睛看到的准不准就取决于仪器的辐射定标精度。国内外研究团队一直在探索提高微光成像仪夜间辐射定标精度的方法，目前的一个重要思路是设计研制用于星载微光成像仪外场定标的积分球灯光源设备，能够在地面反射率均一的场地内向上半球空间发出各向均匀辐射，通过对比大气层顶上行辐射的定量计算值与卫星实测值，开展星载微光成像仪的辐射定标试验。

封面文章| 《光学学报》2021年第15期封面文章 | 胡申森; 马烁; 江 军; 艾未华; 严卫. 星载微光成像仪辐射定标与资料应用研究进展[J].光学学报, 2021, 41 (15):1500001.

1、研究背景

微光成像仪是可见光通道通过光电倍增管等技术增强其灵敏度，从而实现夜间四分之一以上月光等低照度条件下成像的载荷仪器。在实现精确辐射定标后，微光成像仪独特的微光探测能力能够极大地拓展夜间低照度条件下气象海洋环境遥感应用，具有重要的应用前景和科学研究意义，逐渐成为气象海洋环境卫星上的基本配置。

过去星载可见光波段探测载荷只能在白天使用，无法探测到夜间的环境信息。近年来众多搭载微光成像仪的探测卫星发射升空，带领我们进入了夜间微光遥感的纪元。卫星视角的微光图像呈现在人们面前，有明有暗的各个像元点表征在光谱范围内的辐亮度信息。

受制于当前技术条件，星载微光成像仪的辐射定标难度比较大，往往达不到白天可见光载荷的水平，导致探测数据的辐亮度信息不准确，限制了微光资料在各方面的拓展应用。国内外研究团队一直在探索提高微光成像仪夜间辐射定标精度的方法。

2、星载微光成像仪

国防科技大学气象海洋学院严卫教授课题组多年来一直从事星载微光成像仪辐射定标及资料应用的研究工作。针对微光成像仪辐射定标，课题组沿用并完善白天常用的场地替代定标方法，通过对2012年8月~2013年7月期间国际上通用的Dome C和RVP地区长达1年的观测，利用SCIATRAN开展大气辐射传输计算，将模拟计算的入瞳辐亮度与卫星入瞳辐亮度对比，结果表明平均相对偏差分别为-7.41%和-4.14%。

为了验证国内敦煌辐射校正场的可行性，以敦煌辐射校正场作为夜间替代定标试验场地，利用2012年9月到2014年7月近两年时间的DNB观测数据，选取符合标准的14组有效观测事件，结果表明观测辐亮度和模拟辐亮度总体上还是比较吻合的，相对误差范围为-6.2%±8.6%（1σ）。为了避免大气效应对定标结果的可能影响，选取发展深厚、具有较高反射率的深对流云作为替代定标场地，利用2012年8月~2013年7月近一年时间全球范围的深对流云进行替代定标，近满月条件下日平均的相对误差范围为-4.9%±8.8%（2σ）。

在微光成像仪主动灯光源定标方法方面，课题组也一直在开展相关研究。选取中国的杭州湾大桥和东海大桥上的夜间桥面路灯作为灯光源，分析目标区域从2012年8月到2014年7月长达2年时间的卫星观测数据，结果表明基于杭州湾大桥的微光定标方案相对误差为-2.9±9.3%（1σ），基于东海大桥的微光定标方案相对误差为-3.9%±7.2%（1σ）。

通过前期研究发现，基于地面灯光源的微光定标方法需要使用能够长期稳定工作并且直接向天空发射辐射的灯光源，因此课题组总结了灯光源设计过程中需要满足的关键要求，设计并研制了一套适用于微光定标的地面灯光源，具有一定的辐射强度各向均匀性，并且于2017年5月27日到5月29日新月期间在安徽省明光市东南的大黄寨地区进行了连续三天的微光定标试验，三次试验的相对误差分别是14.8%、13.4%和5.4%，初步验证了基于特制灯光源的微光定标方案的可行性。

为进一步提高定标精度和具有更好的适用性，课题组又联合研制了基于积分球的外场微光定标灯光源，具有良好的辐亮度各向均匀性以及稳定的发射辐射，在2018年10月6日到11月12日于敦煌场内开展了连续38天的基于积分球灯光源的微光定标实验（如图1所示），计算得到观测辐亮度差值与模拟辐亮度差值的平均相对误差为-8.30%，合成不确定度为8.35%。

图1 积分球灯光源定标实验 。（a）实物图；（b）工作场景

此外，基于卫星微光资料，课题组也针对夜间低云大雾监测、夜间火情监测（如图2所示）、夜间闪电监测、夜间气溶胶反演、夜间大气重力波监测、夜间海洋内波监测开展了一系列资料应用研究，取得了一些比较领先的研究成果。

图2 夜间火情监测：2018年6月2日18:12 UTC的DNB局部微光图像

3、总结

微光成像仪凭借其独特的夜间成像能力在环境遥感等诸多领域具有广泛的应用。在目前微光成像仪的辐射定标技术中，将深对流云作为替代目标的场地替代定标方法以及积分球灯光源定标方法理论上能够取得较高的定标精度，但是前提条件分别是更为准确的月亮辐照度模型以及点光源在大气中的辐射传输模型。目前课题组正在开展相关工作的深入研究。