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吴荣华1,2
,
张鹏2
,
杨忠东2
,
胡秀清2
,
丁雷3
,
陈林2
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收稿日期: 2015-06-23; 修订日期: 2015-10-25;
优先数字出版日期: 2015-11-01
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)(编号：2015AA123704, 2011AA12A104)
第一作者简介: 吴荣华(1982-), 男, 博士研究生, 从事遥感仪器可见光谱段辐射定标研究。E-mail: wurh@cma.gov.cn
通信作者简介: 张鹏(1970-), 男, 研究员, 从事遥感仪器定标、卫星大气遥感、卫星资料定量应用研究。E-mail: zhangp@cma.gov.cn
中图分类号: TP701
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)02-0278-12
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摘要
月亮辐照度是可见近红外波段一种稳定的辐射参考基准，对月观测已成为星载遥感仪器辐射定标和验证的一种新方法。风云三号03星(FY-3C)中分辨率光谱成像仪(Moderate Resolution Spectral Imager，MERSI)增加了对月观测功能，改进了太阳反射波段的在轨辐射定标。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据，利用通道间辐照度比值方法移除月相角，日-月-星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响，开展了可见光近红外波段的辐射定标工作，实现了MERSI太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。通过线性回归及统计发现，通道8辐射响应的年衰减率达到了14.55%，通道9达到了8.42%，通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%-4.72%，其余通道未检测到衰减。研究结果可以用于订正MERSI数据的辐射定标系统性偏差，提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。
关键词
亮定标, FY-3C MERSI, 可见光近红外波段, 辐射响应稳定性, 月亮辐照度
WU Ronghua1,2
,
ZHANG Peng2
,
YANG Zhongdong2
,
HU Xiuqing2
,
DING Lei3
,
CHEN Lin2
Abstract
The lunar irradiance reflected from the sun is a benchmark for radiance calibration in the visible and near-infrared spectra. Lunar calibration has become a new method to calibrate and validate satellite-based instruments. The Moderate Resolution Spectral Imager (MERSI) on FY-3C adds a function to monitor the lunar disk to improve the on-orbit calibration of solar reflective bands (SRB) for the MERSI. In this study, 11 groups of the dataset have been collected to record the lunar measurements since the launch of the FY-3C. With the ratio between the target channel and the referred channel, the effects of the lunar phase angle and the relative distance of the solar–lunar satellite have been removed from the measured lunar irradiance. The SRB of the MERSI in the visible and near-infrared spectra have been calibrated from the lunar measurements. The long-term trend of the SRB of the MERSI has been analyzed. The annual attenuation rate has increased to 14.55% and 8.42% for bands 8 and 9, respectively. The annual attenuation rate is between 1.15% and 4.72% for bands 1, 6, 10, 11, 16, and 19. No attenuation is observed for the rest of the bands. The aforementioned results can be used to correct the systemic bias of the radiance calibration of the MERSI. The accuracy of the radiance calibration of the MERSI can be improved on basis of the lifetime of the instrument.
Key words
lunar calibration, FY-3C/MERSI, visible and near-infrared spectra, radiance response stability, lunar irradiance
1 引 言
风云三号03星(FY-3C)是中国新一代极轨气象卫星首颗业务星(Yang等，2012a，2012b)，于2013年9月23日成功发射运行。其主要载荷之一，中分辨率光谱成像仪 MERSI(MEdium Resolution Spectral Imager)继承了前两颗试验星载荷的技术状态，能够生成全球目标的多种产品(Zhang等，2009)。从前两颗试验星以及国内外其他同类遥感仪器的在轨表现来看，该类遥感仪器在轨运行初期，各通道探测器件均会发生一定程度的衰减，辐射定标系数会有相应的变化(Xiong等，2012; Xiong和Barnes，2006)。为了保证数据高质量的定量应用，需要监测并及时评估这种衰减的大小和趋势。
目前，监测遥感仪器定标系数变化主要通过星上定标器、地面典型目标物追踪以及卫星间交叉比对等方法来实现(Wu等，2013; Doelling等，2010; Hu等，2012; Liang和Ignatov，2013)。这些方法都能够实现辐射定标系数的监测，但均有一定的不足。MERSI设置了积分球系统，用于在轨性能监测，但是由于积分球内壁性能也可能发生变化，因此在利用积分球数据监测时，需要从数据总体变化中分离出MERSI各通道自身辐射定标系数的变化情况。地面典型目标物的方法需要在分析中修正观测几何差异以及大气散射的影响，尤其是较难评估大气参数的不确定性对监测结果的影响。卫星间交叉比对需要考虑并修正通道光谱响应差异，同时由于遥感仪器之间通道设置功能的差异，有些通道无法找到合适的遥感仪器作为参考标准。因此，现有方法在复杂因素分析以及全部可见近红外通道监测等方面需要进一步改进。
月亮是除太阳外视张角最大的地外目标物，其反射率的变化率约为10-8/a。如此稳定的反射特性使月亮非常适合作为卫星太阳反射通道的参考辐射基准源(Kieffer，1997; Stone和Kieffer，2006)。同时，遥感仪器对月观测数据具有不受地球大气影响、月亮光谱能够覆盖可见近红外全部谱段等优点，因此基于对月观测数据的研究越来越受到关注。MODIS利用相同月相角下 的观测数据，实现了基于对月观测的辐射响应稳定性跟踪(Xiong等，2011)。为了对星上遥感仪器定标性能进行跟踪监测，提高资料定量观测的精度和稳定性，自FY-3C卫星开始，MERSI增大了冷空视场角范围，实现了对月观测功能。MERSI于2013年10月23日，第一次获取了可见近红外谱段的对月观测定标有效数据。
利用中国极轨遥感仪器开展对月观测并用于辐射定标的工作在本研究之前还是一个空白领域，基于对月观测数据的可见近红外波段定标尚没有相关文献报导。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据，利用通道间辐照度比值方法移除月相角，日-月-星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响，开展了可见光近红外波段的辐射定标工作，实现了MERSI 太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。基于月亮辐射定标的结果可以用于订正遥感仪器在轨衰减引起的辐射定标系统性偏差，提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。
2 原理方法
2.1 MERSI通道设置及对月观测原理
FY-3/MERSI由上海技术物理研究所研制，利用45°镜跨轨扫描，结合卫星运动完成地物目标的全球观测。共设置19个太阳反射波段(可见近红外波段，0.41-2.13 μm)通道和1个红外发射波段(11.25 μm)通道。20个通道中，星下点空间分辨率为250 m的有5个(每个通道为40元探测器阵列并扫)，1000 m的有15个(10元并扫)。在1.5 s的扫描周期内，获取跨轨方向约2900 km，沿轨方向约10 km条带的图像数据。各通道具体技术指标见表 1。
表 1 MERSI通道设计指标
Table 1 Main design specifications of MERSI spectral bands
| 通道 | 中心波长/μm | 通道带宽/μm | 星下点分辨率/m | 动态范围 |
| 1 | 0.47 | 0.05 | 250 | 100% |
| 2 | 0.55 | 0.05 | 250 | 100% |
| 3 | 0.65 | 0.05 | 250 | 100% |
| 4 | 0.865 | 0.05 | 250 | 100% |
| 5 | 11.25 | 2.50 | 250 | 330K |
| 6 | 1.64 | 0.05 | 1000 | 90% |
| 7 | 2.13 | 0.05 | 1000 | 90% |
| 8 | 0.412 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 9 | 0.443 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 10 | 0.49 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 11 | 0.52 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 12 | 0.565 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 13 | 0.65 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 14 | 0.685 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 15 | 0.765 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 16 | 0.865 | 0.02 | 1000 | 80% |
| 17 | 0.905 | 0.02 | 1000 | 90% |
| 18 | 0.94 | 0.02 | 1000 | 90% |
| 19 | 0.98 | 0.02 | 1000 | 90% |
| 20 | 1.03 | 0.02 | 1000 | 90% |
MERSI的冷空视场设置在距离星下点右侧70°方向上，在这个方向获取宽1.13°范围内的连续24个采样点数据(1 km通道)。随着卫星围绕地球运行，MERSI的冷空视场在空间中扫描成环面，如图 1所示，当月亮运行至该环面中时，被MERSI观测到。图 1中VMERSI和VMoon分别为MERSI和月球的速度，VP为MERSI在投影到圆环面上的速度，rar为卫星绕地球运行的半径。月亮对地球的张角约为0.5°，所以24个采样点可以满足单通道获取月亮完整图像的需求。
2.2 MERSI观测的月亮辐亮度和辐照度计算
MERSI使用二次多项式对观测计数值DN进行定标，其辐亮度的定标计算公式为：
$L = \left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}^2} + {k_1}{\text{DN}} + {k_0}} \right)Es/\pi $ (1)
式中，L为像元辐亮度，k(k0，k1，k2分别为零次项、一次项和二次项系数，本文选用在轨测试期间获取的定标系数)为定标系数。
在对月观测时，月亮图像像元的月球辐亮度为：
$L = \left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}^2} + {k_1}{\text{DN}} + {k_0}} \right)d{s^2}Es/\pi $ (2)
式中，L为MERSI测量的通道辐亮度，Es为通道太阳常数，ds2为日地距离修正项。
一般使用月亮全圆盘辐照度作为定标基准物理量(Kieffer和Stone，2005; Sun等，2007)，因此需要计算累计积分获取月亮全圆盘图像的辐照度值。本文以月亮的全圆盘辐照度作为基准，则单像元测量到的辐照度为${I_{{\rm{pixel}}}}=d{m^2}{L_{{\rm{pixel}}}}{\omega _{{\rm{pixel}}}}$，${\omega _{{\rm{pixel}}}}$为像元的空间立体张角，dm2为卫星月亮距离修正项。
MERSI可以通过单探元逐帧扫描获取一次对月完整的观测，也可使用多元并扫获取一次对月完整的观测，但是如果采用多元并扫还需考虑探元间的非一致响应订正。对于一次完整的对月观测，MERSI测量到的月亮辐照度通过下式计算得到：
$\begin{gathered} {I_{{\text{moon}}}} = \sum\limits_{{\text{moon}}} {d{m^2}} {I_{{\text{pixel}}}}{\omega _{{\text{pixel}}}} = \hfill \\ \frac{{d{s^2}d{m^2}{\omega _{{\text{pixel}}}}Es}}{\pi }\sum\limits_{{\text{moon}}} {\left[ {\left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}^2} + {k_1}{\text{DN}} + {k_0}} \right)} \right.} - \hfill \\ \left. {\left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}_0}^2 + {k_1}{\text{D}}{{\text{N}}_0} + {k_0}} \right)} \right] = \hfill \\ \frac{{d{s^2}d{m^2}{\omega _{{\text{pixel}}}}Es}}{\pi }\sum\limits_{{\text{moon}}} {\left[ {\left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}^2} + {k_1}{\text{DN}}} \right)} \right.} - \hfill \\ \left. {\left( {{k_2}{\text{D}}{{\text{N}}_0}^2 + {k_1}{\text{D}}{{\text{N}}_0}} \right)} \right] \hfill \\ \end{gathered} $ (3)
式中，DN0为实时的冷空计数值，moon为月亮图像。由于MERSI的定标公式中已经包含了冷空计数值的平均影响效果，在计算月亮辐照度时，要修正掉实时冷空计数值的影响。
3 MERSI对月观测及资料处理
3.1 对月观测事件
FY-3C/MERSI自在轨工作以来，对月观测的频率约为每月一次。由于FY-3C为太阳同步卫星，MERSI的冷空视场方向在卫星前进方向的右侧，因此月亮进入冷空视场时，太阳-月亮-卫星之间的相对位置关系是基本固定的。截至2014年12月，共收集到11个月的MERSI对月观测数据，表 2列出了各次对月观测的时间、绝对月相角(太阳-月亮-卫星之间夹角)、太阳月面经度、卫星月面经度、卫星月面纬度信息。MERSI对月观测数据中绝对月相角主要在43°-50°之间变化，仅有一次达到57°，太阳月面经度约为-54°E--42°E，卫星的月面经纬度在± 7°N以内变化。
表 2 MERSI对月观测时间及几何参数
Table 2 Dates of the observations and geometry angles
| 日期 | 月相角/(°) | 太阳月面经度/°E | 卫星月面经度/°E | 卫星月面纬度/°N |
| 2013-10-23 | 48.21 | -46.43 | 1.64 | 3.92 |
| 2013-11-21 | 45.71 | -46.84 | -1.35 | 6.05 |
| 2013-12-21 | 43.18 | -46.88 | -3.92 | 6.72 |
| 2014-01-20 | 44.42 | -50.18 | -5.84 | 5.59 |
| 2014-06-17 | 57.08 | -54.60 | 2.47 | -4.94 |
| 2014-07-16 | 49.15 | -45.34 | 3.81 | -3.96 |
| 2014-08-14 | 47.39 | -42.00 | 5.40 | -1.56 |
| 2014-09-12 | 48.94 | -42.66 | 6.217 | 1.851 |
| 2014-10-12 | 49.58 | -43.74 | 5.683 | 4.728 |
| 2014-11-10 | 48.45 | -44.31 | 3.95 | 6.288 |
| 2014-12-10 | 45.3 | -43.58 | 1.572 | 6.346 |
3.2 单探元逐帧扫描对月观测资料处理
MERSI是多元并扫遥感仪器，250 m分辨率通道为40个探元并扫，即每帧扫描均同时得到40行的扫描数据。对于冷空数据，每次扫描冷空视场时，250 m通道会得到40行96个采样点的数据。连续扫描时，冷空图像呈现为96个采样点，40的整数倍行数不断延展。
对月观测时，由于卫星和月亮的相对运动，月亮往往从冷空视场的一侧运动到另一侧。如图 2所示，图中显示了2013年11月21日对月观测时，通道1的图像，月亮慢慢从卫星前进方向进入冷空视场图像中，达到最大后，再慢慢移出图像。在这个过程中，月亮划过了通道1的所有探元，即每个探元均完成了一次对月亮的完整观测。由于通道探元的辐射响应情况并不完全一致，因此在对月观测数据的处理时，抽取MERSI各个通道中间 探元的观测数据作为研究对象。
基于发射前的定标系数，按照式(3)计算MERSI观测月亮辐照度。将全部可见近红外通道的月亮辐照度按照波长顺序排列作图，可显示月亮的辐照度光谱情况，如图 3所示。月亮反射率光谱较为平缓，太阳光经过月亮反射后，反射能量的光谱与太阳光谱相似。图 3中，测量结果的能量分布趋势为可见光谱段能量最大，靠近紫外和红外波段的能量较小。从定性角度分析，观测结果与理论分析情况相符。
3.3 月亮图像有效性分析
MERSI观测月亮全圆盘时，各通道同时记录扫描信息，但对应的空间位置不完全重合，临近通道相差一个像元的间隔(图 4)。在卫星的对月观测图像中，个别通道会出现不能获取完整的月亮图像的情况。如果只包含部分月亮，则不能准确计算出月亮的辐照度。由于本文选用完整月亮的辐照度作为定标的基准，因此对于未能获取完整月亮的通道数据，在进一步分析中需要剔除。
由于MERSI各通道在焦平面上摆放位置的差异和采样点数的限制，在同一观测时刻，各通道实际观测的月亮图像，如图 5所示。图 5中，上半部分为MERSI 3个焦平面上各个通道探元阵列的摆放顺序，其中焦平面1分别排布通道17、19、4、15、13、3、14、16、18和20；焦平面2分别排布通道12、11、2、1、10、9和8；焦平面3排布通道6和7；下半部分为2013年10月23日各通道的对月观测图像，其中，通道1-4、6、11-13、15、17、和19可以观测到完整的月亮，而其他通道只能观测到部分月亮甚至观测不到月亮。
4 MERSI各通道辐射定标系数衰减分析
4.1 月亮辐照度观测值分析
MERSI历次的对月观测结果的变化情况见图 6(数据见附表 1)，从图中可知，各通道月亮辐照度观测值的相对变化在5%-10%之间。
各通道辐照度的变化表现出一定的相似性，即观测值高时，所有通道均为高值，反之则都是低值。出现这种现象需要分析观测值的变化受哪些因素影响。
MERSI月亮辐照度观测值的相对变化受到两方面因素影响：各次对月观测时，MERSI入瞳处辐照度的变化；MERSI各通道在轨辐射响应的变化。所以为了从月亮辐照度的观测序列中得到通道辐射响应的变化情况，应移除入瞳处辐照度变化的影响。
影响入瞳处辐照度的因素主要是太阳-月亮-卫星距离和月相角大小。可以通过两种方法来移除，一种方法是将各次的观测值归一化到特定的月相角和几何距离上。几何距离的修正取决于太阳、月亮和卫星的位置，这些数据的精度较高，引入的误差可以忽略。在修正月相角影响时，需要月亮辐照度随月相角变化的数学模型，本文工作尚未涉及。
4.2 基准通道和各通道比值辐照度
移除入瞳处辐照度变化影响的另一种方法是采用通道比值。由于MERSI在单次对月观测中，各通道对月观测的几何条件完全一致，即月相角是相同的、太阳-月亮-卫星距离相同。
因此选择一个辐射响应变化小的通道作为基准，利用通道间月球辐照度比值的方法回避月相角订正影响，可以实现对其他通道探测响应衰减的长期监视。通道比值辐照度的定义如下：
$\begin{array}{l}F_{{\rm{MERSI}}i}^*=\frac{{{I_{{\rm{MERSI}}i}}}}{{{I_{{\rm{MERSI}}3}}}} =\\ \frac{{\sum\limits_{{\rm{moon}}} {\left[ {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_i^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_i}} \right)} \right.} -\left. {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_{0i}^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{0i}}} \right)} \right]}}{{\sum\limits_{{\rm{moon}}} {\left[ {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_3^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{_{\rm{3}}}}} \right)} \right.} -\left. {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_{03}^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{03}}} \right)} \right]}}\end{array}$ (4)
式中，F*为各通道的比值辐照度。
在选择参考通道时，需要考虑以下因素：参考通道的定标系数波动较小，这样通过比值辐照度能够侦测到其他通道辐射定标系数的异常变化。同时，参考通道应在每次的对月观测中，均有有效数据，这样才能实现每次均能计算出比值辐照度。根据MERSI前两台在轨运行的状态变化情况，可见光谱段内的长波通道辐射定标系数变化相对较小。同时，根据MERSI各通道在焦平面的摆放位置，通道3摆放在焦平面的中间位置，基本每次的对月观测均能获得有效的观测数据。因此选择通道3作为计算比值辐照度的参考通道。
以通道3为基准通道计算出的辐照度比值，见附表 2。各通道比值随时间的变化如图 7所示，各通道的比值变化都比较小，这反应出多数通道辐射响应的相对变化很小。
图 7 月亮辐照度比值序列
Figure 7 Lunar irradiance patio series
移除入瞳处辐照度变化影响的另一种方法是采用通道比值。由于MERSI在单次对月观测中，各通道对月观测的几何条件完全一致，即月相角是相同的、太阳-月亮-卫星距离相同。
因此选择一个辐射响应变化小的通道作为基准，利用通道间月球辐照度比值的方法回避月相角订正影响，可以实现对其他通道探测响应衰减的长期监视。通道比值辐照度的定义如下：
$\begin{array}{l}F_{{\rm{MERSI}}i}^*=\frac{{{I_{{\rm{MERSI}}i}}}}{{{I_{{\rm{MERSI}}3}}}} =\\ \frac{{\sum\limits_{{\rm{moon}}} {\left[ {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_i^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_i}} \right)} \right.} -\left. {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_{0i}^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{0i}}} \right)} \right]}}{{\sum\limits_{{\rm{moon}}} {\left[ {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_3^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{_{\rm{3}}}}} \right)} \right.} -\left. {\left({{k_{_2}}{\rm{DN}}_{03}^2 + {k_{_1}}{\rm{D}}{{\rm{N}}_{03}}} \right)} \right]}}\end{array}$ (4)
式中，F*为各通道的比值辐照度。
在选择参考通道时，需要考虑以下因素：参考通道的定标系数波动较小，这样通过比值辐照度能够侦测到其他通道辐射定标系数的异常变化。同时，参考通道应在每次的对月观测中，均有有效数据，这样才能实现每次均能计算出比值辐照度。根据MERSI前两台在轨运行的状态变化情况，可见光谱段内的长波通道辐射定标系数变化相对较小。同时，根据MERSI各通道在焦平面的摆放位置，通道3摆放在焦平面的中间位置，基本每次的对月观测均能获得有效的观测数据。因此选择通道3作为计算比值辐照度的参考通道。
以通道3为基准通道计算出的辐照度比值，见附表 2。各通道比值随时间的变化如图 7所示，各通道的比值变化都比较小，这反应出多数通道辐射响应的相对变化很小。
4.3 测量的各通道比值辐照度变化
分析在轨运行日计数和比值辐照度的线性回归结果，可以判断通道辐射响应是否存在趋势性变化。图 8为比值道辐照度与在轨日计数的线性回归情况。回归结果的一次项系数为日衰减率，由于日衰减率很小，因此换算成年衰减率，用于比较各通道的衰减情况，年衰减率=一次项系数/零次项系数×365×100%。从变化趋势的角度可知，一些通道，如通道8存在明显的衰减；一些通道，如通道4，变化趋势并不明显。
利用方差分析及F检验，可以判断回归结果是否显著(费业泰，2010)。回归系数及方差检验结果如表 3所示。
表 3 MERSI月亮辐照度比值线性回归结果
Table 3 Regress results of the lunar irradiance ratio
| 通道 | 线性回归一次项系数 | 线性回归零次项系数 | F检验显著性水平 | 年衰减率/% |
| 1 | -6.56E-05 | 9.28E-01 | 0.00230 | 2.58 |
| 2 | 1.44E-05 | 1.02E+00 | 0.15822 | -0.51 |
| 3 | - | - | - | - |
| 4 | 2.15E-06 | 7.62E-01 | 0.88208 | -0.1 |
| 6 | -5.08E-05 | 3.93E-01 | 0.00223 | 4.72 |
| 7 | -9.16E-06 | 1.60E-01 | 0.24369 | 2.09 |
| 8 | -2.55E-04 | 6.40E-01 | 0.00000 | 14.55 |
| 9 | -1.80E-04 | 7.82E-01 | 0.00009 | 8.42 |
| 10 | -9.40E-05 | 9.59E-01 | 0.00057 | 3.58 |
| 11 | -4.16E-05 | 9.33E-01 | 0.03141 | 1.63 |
| 12 | -2.38E-06 | 1.02E+00 | 0.93479 | 0.09 |
| 13 | -1.00E-05 | 9.63E-01 | 0.45506 | 0.38 |
| 14 | -1.60E-05 | 9.34E-01 | 0.40373 | 0.63 |
| 15 | -1.09E-05 | 8.64E-01 | 0.44799 | 0.46 |
| 16 | -6.73E-05 | 7.03E-01 | 0.03354 | 3.49 |
| 17 | 2.29E-05 | 5.99E-01 | 0.16314 | -1.4 |
| 18 | -1.74E-05 | 6.34E-01 | 0.71147 | 1 |
| 19 | -1.65E-05 | 5.23E-01 | 0.00784 | 1.15 |
| 20 | -1.04E-05 | 3.97E-01 | 0.52340 | 0.96 |
| 注：黑色斜体字表示高度显著的通道，黑色字体为显著通道。 | ||||
表 3中的第一列为通道号，第二三列为线性回归系数的一次项和零次项。其中一次项为比值辐照度的日变化率，零次项为初始辐照度值。F检验显著性水平，小于0.01表示高度显著；0.01-0.05为显著；大于0.05表示线性回归结果不显著，不建议采信。第5列为年衰减率，说明通道辐射响应在一年内的衰减情况。
表中黑色斜体字通道为高度显著的通道，黑色加粗字体通道为显著通道，这些通道存在不同程度的衰减。其中通道8的年衰减率达到了14.55%，通道9达到了8.42%，这两个通道的衰减比较大。通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%-4.72%。灰色字通道的回归结果不显著，表明这10个通道定标系数的波动随时间没有明显的趋势，衰减情况不能通过本方法得到。
通道辐射响应的衰减是遥感仪器入轨后的常见现象。可见光波段通道的衰减一般发生于短波蓝光附近的通道，并且波长越短，这种衰减越明显。一般认为这种衰减是由于探测阵列在轨工作期间的衰减引起的。近红外通道使用铟镓砷探测器，而可见光通道为硅探测器，所以近红外通道衰减机理与可见光通道是不一样的。但是，目前没有星上数据或手段用于区分近红外通道的衰减发生于哪个环节。
由于月亮等效反射率最大不超过10%，因此本文所得到的结论能够反映低反射率附近MERSI辐射定标系数的变化情况。
4.4 深对流云方法结果的对比
由于传统的外场同步观测定标方法受到试验次数和时间的影响，每年只有一个时间段的观测结果，无法为本结果的验证提供足够的比较数据。本文采用深对流云DCC(Deep convective cloud)定标方法进行验证和检验。
DCC是赤道附近的一种反射特征稳定的云，云体反射率随季节和空间分布变化不大，是一种理想的辐射观测基准。利用DCC开展遥感仪器的定标和辐射响应特征变化监测已经成为一种新的定标方法(Chen等，2013)。利用深对流云的方法，FY-3C/ MERSI通道的辐射响应变化情况如图 9所示。由于MERSI部分通道在高亮度目标上出现饱和现象，因此，图中只给出通道6和7的DCC定标结果。
月亮辐照度比值方法与DCC方法得到的结果趋势相同，具体数值结果存在差异。本文方法通道6和7的年衰减率分别为4.72%和2.09%，而DCC方法得到的结果分别为5.7%、2.9%。DCC方法利用的是深对流云的反射特点，属于高亮度目标；月亮属于低亮度目标。MERSI在高低动态范 围内的辐射响应存在一定的非线性现象，这是DCC跟踪结果与月亮定标结果之间差异的原因之一。另外，DCC方法参考了MODIS针对深对流云的观测结果，因此，其定标溯源至MODIS的星上 太阳漫射板；本文方法中，月亮的作用与MODIS 的太阳漫射板作用类似。MODIS太阳漫射板与月 亮的反射特性是不同的，是两种不同的参考辐射基准源，因此，两种方法定标溯源不同也会引起跟踪结果的差异。不过衰减的总体趋势是相同的，即MERSI部分通道辐射响应出现了不同程度 的衰减。
5 结论
FY-3C/MERSI可以实现周期性的对月亮观测，得到月亮的辐照度。各次对月观测数据的观测几何基本相似，因此各通道的月亮辐照度协同变化，相对变化幅度基本相同。利用比值辐照度，移除由于月相角、日月距离、星月距离等因素对全部通道相同的影响，仅保留月亮辐照度光谱形状信息。在假设月亮的反射率光谱形状不随相角变化的情况下，可以监测MERSI各通道间辐 射响应的相对变化。
通过分析FY-3C/MERSI在轨一年多以来的比值辐照度可以发现，通道8、9的辐射响应衰减较大，分别达到了14.55%和8.42%的年衰减率。通道1、6、10、11、16和19的年衰减率在1.15%到4.72%之间。在现有精度条件下，其余10个通道的辐射响应变化没有通过显著性检验，无法通过本方法准确监测。另外月亮反射率一般不超过10%，因此本文的结论反映了MERSI在低反射率下的辐 射响应情况。
目前中国的遥感仪器在太阳反射通道还没有可用的星上定标系统，主要采用外场同步观测、地球稳定目标观测等传统的方法。上述传统定标方法均利用对地观测目标进行定标，而本文采用对月观测辐亮度数据进行定标，可以避开大气扰动的影响。此外，传统的外场同步试验定标方法受观测时间和次数的限制，定标频次一般仅为一年一次。本文采用对月观测数据定标的方法，在提高定标精度的基础上，显著提高了定标的频次，可以实现对遥感仪器辐射定标响应的全寿命动态监测。
本文利用月亮反射光谱稳定不变这一特性开展研究，使用通道间的比值辐照度作为主要研究变量，不依赖于月球反射的经验模型，避免引入经验模型的系统偏差，但由此使得本文方法不能实现通道的绝对定标。如果能够掌握月亮辐照度的理论值，则可以实现对MERSI的绝对定标，在这一方面可以引入现有定量模型(Kieffer和Stone，2005; Wu等，2013)型作为月亮辐照度的基准源实现绝对定标。但在此之前，需要在月相角及日-月-星距离订正等方面做更深入细致的研究。
志 谢 感谢论文撰写过程中，孙凌、徐娜和闵敏的宝贵建议。
参考文献
-
Chen L, Hu X Q, Xu N and Zhang P. 2013. The application of deep convective clouds in the calibration and response monitoring of the reflective solar bands of FY-3A/MERSI(medium resolution spectral imager). Remote Sensing, 5(12):6958-6975[DOI:10.3390/rs5126958]
-
Doelling D R, Hong G, Morstad D, Bhatt R, Gopalan A and Xiong X X. 2010. The characterization of deep convective cloud albedo as a calibration target using MODIS reflectances//Proceedings of Earth Observing Missions and Sensors:Development, Implementation, and Characterization. Incheon, Republic of Korea:SPIE:78620I[DOI:10.1117/12.869577]
-
Fei Y T. 2010. Error Theory and Data Processing. Bejing:China Machine Press:132-139(费业泰. 2010. 误差理论与数据处理. 北京:机械工业出版社:132-139)
-
Hu X Q, Sun L, Liu J J, Ding L, Wang X H, Li Y, Zhang Y, Zheng Z, Xu N and Chen L. 2012. Calibration for the solar reflective bands of medium resolution spectral imager onboard Fy-3A. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 50(12):4915-4928[DOI:10.1109/TGRS.2012.2214226]
-
Kieffer H H. 1997. Photometric stability of the lunar surface. Icarus, 130(2):323-327[DOI:10.1006/icar.1997.5822]
-
Liang X M and Ignatov A. 2013. AVHRR, MODIS, and VⅡRS radiometric stability and consistency in SST bands. Journal Geophysical Research-Oceans, 118(6):3161-3171[DOI:10.1002/jgrc.20205]
-
Stone T C and Kieffer H H. 2006. Use of the moon to support on-orbit sensor calibration for climate change measurements//Proceedings of Earth Observing Systems XI. San Diego, CA, United states:SPIE:62960Y[DOI:10.1117/12.678605]
-
Sun J Q, Angal A, Wu A S, Chen H D, Choi T, Madhavan S, Geng X, Link D, Wang Z P, Toller G, Barnes W and Salomonson V. 2012. Overview of Aqua MODIS 10-year On-orbit calibration and performance//Proceedings of Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites Xvi. Edinburgh, United Kingdom:SPIE:853316[DOI:10.1117/12.973769]
-
Sun J Q, Xiong X X, Barnes W L and Guenther B. 2007. MODIS reflective solar bands on-orbit lunar calibration. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45(7):2383-2393[DOI:10.1109/TGRS.2007.896541]
-
Wu A S, Xiong X X, Doelling D R Morstad D, Angal A and Bhatt R. 2013. Characterization of Terra and Aqua MODIS VIS, NIR, and SWIR spectral bands' calibration stability. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 51(7):4330-4338[DOI:10.1109/TGRS. 2012.2226588]
-
Xiong X X, Geng X, Angal A, Sun J Q and Barnes W. 2011. Using the moon to track modis reflective solar bands calibration stability//Proceedings of Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XV. Prague, Czech republic:SPIE:817611[DOI:10.1117/12. 897784]
-
Xiong X X, Wenny B, Xiong X X and Barnes W. 2006. An overview of MODIS radiometric calibration and characterization. Advances in Atmospheric Sciences, 23(1):69-79[DOI:10.1007/s00376-006-0008-3]
-
Yang J, Zhang P, Lu N M, Yang Z D, Shi J M and Dong C H. 2012a. Improvements on global meteorological observations from the current Fengyun 3 satellites and beyond. International Journal of Digital Earth, 5(3):251-265[DOI:10.1080/17538947.2012. 658666]
-
Yang Z D, Lu N M, Shi J M, Zhang P, Dong C H and Yang J. 2012b. Overview of FY-3 payload and ground application system. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 50(12):4846-4853[DOI:10.1109/TGRS.2012.2197826]
-
Zhang P, Yang J, Dong C H, Lu N M, Yang Z D and Shi J M. 2009. General introduction on payloads, ground segment and data application of Fengyun 3A. Frontiers of Earth Science in China, 3(3):367-373[DOI:10.1007/s11707-009-0036-2]
-
Kieffer H H and Stone T C. 2005. The spectral irradiance of the moon. Astronomical Journal, 129(6):2887-2901[DOI:http://dx.doi.org/10.1086/430185]
