FY-3B/VIRR真空紅外定標(biāo)輻射響應(yīng)度一致性校正

王陽，鈕新華，張鍔，2，陳帥帥，3，胡秀清，張冬冬，王向華，熊千千

1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室,上海 200083;

2.國科大杭州高等研究院,杭州 310024;

3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;

4.國家衛(wèi)星氣象中心 中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點開放實驗室,北京 100081

1 引言

紅外遙感技術(shù)正朝著高定量化的方向發(fā)展，特別是在氣候變化監(jiān)測、數(shù)值天氣預(yù)報以及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域，其對定量化水平的要求越來越苛刻（楊以坤 等，2019）。在經(jīng)歷數(shù)十年發(fā)展之后，目前遙感衛(wèi)星紅外譜段輻射定標(biāo)不確定度為0.2 K 水平（Hilton 等，2012；Hu 等，2013），為了準(zhǔn)確預(yù)測氣候變化及有效監(jiān)測全球氣候變化，遙感衛(wèi)星在地球熱發(fā)射波段的觀測必須長期保持在0.1 K 水平（Anderson 等，2004），為了這個目標(biāo)，美國和歐洲分別相繼提出了CLARREO 計劃（Grandmont等，2017）和TRUTHS 計劃（Fox 等，2017），同時中國也提出了空間輻射測量基準(zhǔn)星計劃（盧乃錳 等，2020），所有航天強(qiáng)國都圍繞在軌紅外定標(biāo)的精度提高開展相關(guān)研究。

基于星上定標(biāo)裝置的方法可對星載傳感器進(jìn)行快速實時定標(biāo)，并不受大氣和地表類型的影響，具有較高的定標(biāo)精度（盛一成 等，2019），該方法一般以星上黑體和深冷空間作為輻射基準(zhǔn)源（Díaz等，2022；Xiong 等，2014），例如IASI、MODIS、VIIRS 等載荷（盛一成 等，2019）。衛(wèi)星發(fā)射前利用標(biāo)準(zhǔn)輻射源對星載傳感器以及星上黑體進(jìn)行輻射標(biāo)定（趙艷華 等，2021），獲取的紅外定標(biāo)精度也決定了星上黑體能夠發(fā)揮其高精度的在軌定標(biāo)能力（宋健，2019）。隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，對星載傳感器發(fā)射前的實驗室定標(biāo)精度提出了更高的要求（宋健 等，2019）。目前，國內(nèi)外發(fā)射前紅外定標(biāo)試驗基本以標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為紅外波段最常用的標(biāo)準(zhǔn)輻射源（Hao 等，2018；Guenther等，1996；Xiong 等，2014），利用星載傳感器將標(biāo)準(zhǔn)面源黑體輻射傳遞到星上黑體上，該定標(biāo)方法在航天紅外遙感載荷以及各種紅外輻射計輻射定標(biāo)試驗中被廣泛應(yīng)用。

對于紅外遙感載荷來說，真空紅外定標(biāo)試驗是技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜、要求非常高的試驗之一。在標(biāo)準(zhǔn)面源黑體升降溫過程中，紅外輻射計會與面源黑體、空間試驗環(huán)境進(jìn)行能量交換（李志勝，2018），紅外輻射計系統(tǒng)溫度會受到不同程度的影響?，F(xiàn)有的光學(xué)遙感器載荷對污染十分敏感，在軌長時間運行后，系統(tǒng)的成像質(zhì)量受空間污染物的影響會有一定程度下降（徐加寬，2000）。紅外遙感載荷發(fā)射前紅外定標(biāo)試驗工作在真空罐內(nèi)，可以通過抽真空和加熱來去污，但紅外遙感載荷在長時間工作后仍然會受到真空試驗環(huán)境的不同程度的污染（李志勝，2018）。紅外探測器的響應(yīng)度與環(huán)境溫度息息相關(guān)，溫度波動會導(dǎo)致紅外探測系統(tǒng)輸出的灰度值的漂移，從而影響紅外定標(biāo)中目標(biāo)輻射的精確測量（吳越 等，2019）。以上這些因素均會導(dǎo)致紅外定標(biāo)輻射溯源鏈中系統(tǒng)響應(yīng)度的不一致，甚至?xí)绊懙郊t外遙感載荷定標(biāo)精度和星上黑體輻射傳遞精度。標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為輻射基準(zhǔn)，隨著輻射傳遞鏈路的增長，不可避免的造成紅外輻射測量精度的逐級降低（龔律宇，2017；顧行發(fā) 等，2013）。因此，針對紅外遙感載荷及星上黑體定標(biāo)，真空紅外定標(biāo)中輻射響應(yīng)一致性校正方法研究是提高發(fā)射前紅外輻射定標(biāo)精度的關(guān)鍵。

2 儀器與試驗

在衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)前，紅外掃描輻射計需要在地面完成真空紅外輻射定標(biāo)試驗，測試正樣產(chǎn)品的性能和為在軌運行提供儀器標(biāo)定系數(shù)。本文針對FY-3B 氣象衛(wèi)星攜帶的光學(xué)遙感載荷—可見光紅外掃描輻射計（VIRR）的發(fā)射前紅外定標(biāo)歷史數(shù)據(jù)再處理分析。該掃描輻射計主要用途是監(jiān)測全球云量，判識云的高度、類型和相態(tài)，探測海洋表面溫度，監(jiān)測高溫火點，識別地表積雪覆蓋，探測海洋水色等，擁有10 個1 km 分辨率的探測通道，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外、中波和長波紅外譜段范圍（0.43—12.5 μm）。

針對掃描輻射計的3 個紅外通道（中波3.55—3.93 μm、長波10.3—11.3 μm 和11.5—12.5 μm），在發(fā)射任務(wù)前完成了紅外定標(biāo)試驗。掃描輻射計的紅外探測器采用輻射制冷器冷卻，紅外輻射定標(biāo)和性能測試在F3H 真空設(shè)備中進(jìn)行，它具有液氮和液氦環(huán)境，建立有深冷黑體和冷屏（張勇 等，2006）。如圖1 所示，掃描輻射計通過掃描鏡（紅色）依次接收冷空間、面源黑體以及星上黑體的輻射，光學(xué)接收孔徑對準(zhǔn)面源黑體，探測頭部進(jìn)行恒溫控制，利用深冷黑體作為空間零輻射基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)面源黑體為空間輻射基準(zhǔn)。在紅外定標(biāo)試驗過程中，掃描輻射計探測頭部與星上黑體同時變溫，具有相同的物理溫度。

圖1 掃描輻射計掃描順序示意圖Fig.1 Schematic diagram of the scanning sequence for the scanning radiometer

如圖2 所示，在面源黑體變溫階段，探測頭部/星上黑體控制在一個固定溫度點上，通過改變面源黑體溫度（輻射量）得到對應(yīng)的系統(tǒng)輸出信號碼值，獲取探測頭部的定標(biāo)系數(shù)。在面源黑體變溫階段，探測頭部/星上黑體會隨著外部溫度環(huán)境變化而受到波動。在星上黑體變溫階段，面源黑體控制在一個固定溫度點上，通過改變星上黑體/探測頭部溫度得到對應(yīng)的系統(tǒng)輸出信號碼值，通過探測頭部的定標(biāo)系數(shù)、星上黑體信號碼值和星上黑體測溫鉑電阻碼值獲取測溫鉑電阻碼值與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，這樣通過探測頭部把面源黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)引渡到星上黑體上。

圖2 掃描輻射計真空紅外定標(biāo)方法原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum infrared calibration method for scanning radiometer

其中，在以上各個紅外定標(biāo)階段，獲取的試驗數(shù)據(jù)都包括溫度數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)包括面源黑體溫度、輻冷溫度以及星上黑體/探測頭部溫度。信號數(shù)據(jù)包括面源黑體、星上黑體和深冷空間。

3 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正原理

針對VIRR 掃描輻射計真空紅外定標(biāo)過程中輻射傳遞的響應(yīng)度非一致性問題，本文提出了一種真空紅外定標(biāo)輻射響應(yīng)度一致性校正算法。

3.1 掃描輻射計信號響應(yīng)碼值分解函數(shù)

在星上黑體變溫以及面源黑體變溫階段下，冷空信號扣除后的星上黑體或者面源黑體系統(tǒng)響應(yīng)碼值為

式中，CS 是表示星上黑體變溫定標(biāo)階段或面源黑體變溫定標(biāo)階段，BB 表示掃描輻射計觀測的星上黑體或面源黑體，Tm表示面源黑體物理溫度，Tx表示星上黑體/探測頭部溫度，表示紅外定標(biāo)階段CS、面源黑體物理溫度Tm以及星上黑體/探測頭部物理溫度Tx的BB 黑體碼值，表示紅外定標(biāo)階段CS、面源黑體物理溫度Tm以及星上黑體/探測頭部物理溫度Tx的冷空碼值。

在紅外定標(biāo)中，探測頭部的溫度波動、系統(tǒng)試驗污染、探測器溫度波動等因素會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)度的變化。探測系統(tǒng)獲取的響應(yīng)碼值與外部目標(biāo)輻射源輻射變化有關(guān)，而外部目標(biāo)輻射源包括面源黑體或者星上黑體。因此，掃描輻射計響應(yīng)碼值由3部分組成，包括基準(zhǔn)工況碼值、外部目標(biāo)源輻射函數(shù)以及系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)，如圖3 所示，掃描輻射計響應(yīng)碼值分解函 數(shù)如下：

圖3 紅外定標(biāo)輻射響應(yīng)一致性方法原理圖Fig.3 Principle diagram of uniformity method of the radiance response in the infrared calibration

3.2 面源黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

3.2.1 星上黑體輻射函數(shù)獲取

當(dāng)探測頭部和星上黑體控制在溫度Tx時，面源黑體變溫過程導(dǎo)致星上黑體溫度和探測頭部溫度同時波動，其系統(tǒng)響應(yīng)度發(fā)生變化，面源黑體變溫階段星上黑體響應(yīng)碼值分解函數(shù)如式（3）所示。根據(jù)掃描輻射計紅外通道光譜響應(yīng)函數(shù)、黑體能量光譜分布以及星上黑體發(fā)射率，計算不同星上黑體溫度Tx對應(yīng)的輻射能量N(Tx)，以扣除星上黑體溫度波動對星上黑體測量的系統(tǒng)響應(yīng)影響，具體的計算過程如下：

式中，νi為第i個波數(shù)，R（νi）為通道相對應(yīng)的相對光譜響應(yīng)，ε(vi)是星上黑體發(fā)射率（＞0.99），c1=1.1910427×10-5mW/（m2sr1cm-4），c2=1.4387752 cm1K1為輻射常數(shù)。在面源黑體變溫階段，星上黑體輻射函數(shù)計算如下：

3.2.2 系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)獲取

根據(jù)式（3）中星上黑體響應(yīng)函數(shù)分解公式以及星上黑體輻射函數(shù)，扣除面源黑體變溫階段的星上黑體溫度波動對星上黑體系統(tǒng)響應(yīng)的影響，基于掃描輻射計線性響應(yīng)系統(tǒng)，獲取掃描輻射計輻射響應(yīng)一致性函數(shù)

3.2.3 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

針對面源黑體變溫定標(biāo)階段的面源黑體碼值，利用掃描輻射計的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)線性校正面源黑體響應(yīng)碼值，其校正后的面源黑體響應(yīng)碼值為

3.3 星上黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

3.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)獲取

面源黑體響應(yīng)碼值函數(shù)分解如式（9）所示，當(dāng)面源黑體控制在溫度處時，基于掃描輻射計線性響應(yīng)系統(tǒng)和高精度面源黑體控溫系統(tǒng)，利用面源黑體溫度處面源黑體響應(yīng)碼值，計算掃描輻射計探測頭部變溫時系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)：

3.3.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

為了準(zhǔn)確地計算星上黑體測溫鉑電阻與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，需將星上黑體變溫定標(biāo)階段掃描輻射計響應(yīng)度校正到相同定標(biāo)狀態(tài)（頭部溫度），即頭部溫度Tx時的系統(tǒng)響應(yīng)度一致性，在保證探測頭部系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)一致性的情況下，基準(zhǔn)工況下面源黑體輻射變化引起的星上黑體響應(yīng)碼值定義為

基于星上黑體碼值響應(yīng)函數(shù)分解如式（10），利用掃描輻射計的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)線性校正星上黑體變溫定標(biāo)階段星上黑體響應(yīng)碼值，即基準(zhǔn)工況下面源黑體輻射變化引起的星上黑體響應(yīng)碼值是：

3.4 輻射傳遞過程中系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

基于掃描輻射計單一定標(biāo)狀態(tài)下的輻射響應(yīng)度不變性，利用面源黑體變溫階段與星上黑體變溫階段面源黑體溫度處輻射測量數(shù)據(jù)，將輻射傳遞過程中的掃描輻射計的響應(yīng)度進(jìn)行一致性校正。

根據(jù)式（4）和式（9）基準(zhǔn)工況碼值，以面源黑體變溫階段面源黑體碼值為基準(zhǔn)，計算面源黑體輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞到星上黑體過程中的定標(biāo)狀態(tài)一致性系數(shù)?：

通過以上紅外定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法，保證掃描輻射計星上黑體變溫和面源黑體變溫階段的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性，獲取校正后星上黑體變溫階段星上黑體碼值為準(zhǔn)確地計算掃描輻射計在軌定標(biāo)所需的輻射定標(biāo)系數(shù)提供數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正及檢驗

本文針對VIRR 掃描輻射計11.5—12.5 μm 通道發(fā)射前真空紅外定標(biāo)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)一致性校正及檢驗，真空紅外定標(biāo)數(shù)據(jù)按照面源黑體變溫階段、星上黑體變溫階段以及輻射傳遞階段分別進(jìn)行處理。

4.1 面源黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.1.1 面源黑體變溫定標(biāo)數(shù)據(jù)

在面源黑體變溫階段，掃描輻射計依次開展面源黑體降溫試驗及升溫試驗，如圖4（a）所示，降溫試驗對應(yīng)的溫度點序號為1—31，升溫試驗對應(yīng)的溫度點序號為32—62。面源黑體溫度范圍為180—322 K，星上黑體/探測頭部控溫在19.3°左右，面源黑體從322 K 降溫到180 K，在從180 K升溫到322 K。由于面源黑體在升溫和降溫過程中會烘烤探測頭部，致使探測頭部/星上黑體溫度發(fā)生波動，此時面源黑體溫度與探測頭部/星上黑體溫度的關(guān)系如圖4（a）所示，面源黑體溫度與探測頭部/星上黑體溫度之間成正相關(guān)。

圖4 面源黑體變溫階段面源黑體溫度與探測頭部/星上黑體溫度、面源黑體碼值之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the temperature of the surface blackbody and the temperature of the detection head/on-board blackbody or the surface blackbody signal at the variable temperature stage of the surface blackbody

在面源黑體變溫階段，面源黑體響應(yīng)碼值與面源黑體溫度之間的關(guān)系圖4（b）所示，面源黑體響應(yīng)碼值升溫曲線與降溫曲線較為不重合。

如圖5 所示，面源黑體從降溫到升溫過程中，星上黑體響應(yīng)碼值逐漸變小，同時星上黑體溫度/探測頭部溫度受到面源黑體變溫的影響。星上黑體響應(yīng)碼值變化受到系統(tǒng)響應(yīng)度變化和星上黑體溫度的波動影響，其中系統(tǒng)的響應(yīng)度主要受到探測頭部溫度變化及試驗污染的影響。本文僅考慮系統(tǒng)響應(yīng)度的變化，針對紅外探測系統(tǒng)響應(yīng)度變化進(jìn)行一致性校正。

圖5 面源黑體溫度與探測頭部/星上黑體溫度、面源響應(yīng)碼值之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the temperature of the surface blackbody and the temperature of the detection head/on-board blackbody or the response signal of the surface blackbody

4.1.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

通過以上計算，分別獲取面源黑體變溫階段星上黑體輻射函數(shù)、星上黑體碼值歸一化函數(shù)以及系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)，三者曲線如圖6（a）所示，降溫試驗對應(yīng)的溫度點序號1—31，升溫試驗對應(yīng)的溫度點序號32—62。由圖6（a）中星上黑體輻射函數(shù)可知，星上黑體溫度引起的輻射變化約為0.7%。由圖6（a）中系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)可知，在面源黑體升溫階段紅外系統(tǒng)響應(yīng)度逐漸變小，系統(tǒng)的響應(yīng)度變化約2%左右。

圖6 面源黑體變溫階段面源響應(yīng)碼值一致性校正Fig.6 Uniformity correction of the response signal of the surface blackbody at the variable temperature stage of the surface blackbody

在面源黑體變溫階段，面源黑體升溫和降溫試驗的原始響應(yīng)碼值與面源黑體溫度關(guān)系如圖6（b）中的上圖所示。由式（8）可知，利用獲取的系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)對面源黑體碼值進(jìn)行響應(yīng)度一致性校正。如圖6（b）中的下圖所示，其校正后的面源黑體升降溫曲線重合性要明顯優(yōu)于原始數(shù)據(jù)的升降溫曲線重合性。

4.1.3 升溫和降溫校正碼值一致性檢驗

在面源黑體變溫階段，面源黑體升溫和降溫數(shù)據(jù)具有相同面源黑體控溫點，因此，在不同溫度點上面源黑體降溫與升溫的響應(yīng)碼值差如圖7所示，黑點表示原始響應(yīng)碼值差，藍(lán)點表示校正響應(yīng)碼值差，其原始數(shù)據(jù)升降溫的碼值差在高動態(tài)位置能達(dá)到18 DN。

圖7 面源黑體升降溫響應(yīng)碼值一致性校正前后差異Fig.7 The difference of the response uniformity between before and after correction for heating-up and cooling-down signal for the surface blackbody

經(jīng)過掃描輻射計響應(yīng)度一致性校正后，在所有控溫點上其校正數(shù)據(jù)的最大碼值偏差為0.7 DN，大幅度提高面源黑體升降溫響應(yīng)曲線的輻射響應(yīng)一致性。

4.2 星上黑體變溫階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.2.1 星上黑體變溫定標(biāo)數(shù)據(jù)

在星上黑體變溫階段，面源黑體控溫在300 K，控溫精度優(yōu)于0.1 K，探測頭部/星上黑體從35°降溫到0°，在從0°升溫到35°，此時探測頭部/星上黑體溫度與星上黑體響應(yīng)碼值的關(guān)系如圖8（a）所示。

圖8 星上黑體變溫階段探測頭部/星上黑體溫度與響應(yīng)碼值之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between temperature of the detection head/on-board blackbody and the response signal at the variable temperature stage of the on-board blackbody

如圖8（b）所示，在星上黑體定標(biāo)階段，掃描輻射計依次開展星上黑體降溫試驗及升溫試驗，降溫試驗對應(yīng)的溫度點序號1—17，升溫試驗對應(yīng)的溫度點序號18—33。探測頭部在星上黑體變溫階段獲取星上黑體碼值和面源黑體碼值，此時面源黑體溫度保持不變。當(dāng)探測頭部和星上黑體同時變溫時，紅外探測系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)度會發(fā)生變化，從圖8（b）可知，探測頭部溫度和300 K面源黑體碼值成反比關(guān)系。

4.2.2 系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正

在星上黑體變溫階段，探測頭部掃描星下點位置處的面源黑體。探測頭部溫度變化引起探測頭部的響應(yīng)度發(fā)生變化，如圖9（a）所示，基于式（11）利用300 K 面源黑體響應(yīng)碼值計算星上黑體升溫及降溫階段系統(tǒng)響應(yīng)一致性函數(shù)HXSBWin(Tm，Tx)。

圖9 星上黑體變溫階段星上黑體響應(yīng)碼值一致性校正Fig.9 Uniformity correction of the response signal of the on-board blackbody at the variable temperature stage of the on-board blackbody

在星上黑體變溫階段，以探測頭部溫度19.45 ℃面源黑體300 K 基準(zhǔn)工況為基準(zhǔn)，利用式（13）校正星上黑體響應(yīng)碼值，即保證探測頭部響應(yīng)度的一致性。如圖9（b）所示，黑點代表星上黑體升降溫原始響應(yīng)碼值，紅點代表校正后的星上黑體升降溫響應(yīng)碼值，紅線為該校正數(shù)據(jù)的多項式擬合線。

4.3 輻射傳遞階段系統(tǒng)響應(yīng)度一致性

4.3.1 輻射傳遞階段響應(yīng)碼值一致性校正

為保證面源黑體輻射基準(zhǔn)到星上黑體輻射傳遞過程中掃描輻射計系統(tǒng)響應(yīng)度一致性，需計算兩種定標(biāo)狀態(tài)下的響應(yīng)一致性系數(shù)?：

面源黑體溫度300 K，星上黑體/探測頭部溫度19.45 ℃作為紅外定標(biāo)的基準(zhǔn)工況，以該基準(zhǔn)工況下的星上黑體碼值為基準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)面源黑體變溫時的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)，以校正面源黑體升降溫碼值，表1是面源變溫階段面源黑體碼值和星上黑體碼值校正表。

表1 面源變溫階段面源黑體和星上黑體碼值校正表Table 1 The correction table of the signal of the surface blackbody and on-board blackbody in the variable temperature stage of the surface blackbody

表2是星上變溫階段面源黑體碼值和星上黑體碼值校正表，以面源黑體變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體碼值為基準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)星上黑體變溫階段的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)，以校正星上黑體變溫響應(yīng)碼值。

表2 星上變溫階段面源黑體和星上黑體碼值校正表Table 2 The correction table of the signal of surface blackbody and on-board blackbody in variable temperature stage of the on-board blackbody

4.3.2 輻射傳遞階段系統(tǒng)響應(yīng)一致性檢驗

在面源黑體變溫階段和星上黑體變溫階段，面源黑體和星上黑體碼值經(jīng)過的系統(tǒng)響應(yīng)度的一致性函數(shù)和定標(biāo)狀態(tài)一致性系數(shù)校正后，在基準(zhǔn)工況下其校正碼值比對結(jié)果如表3所示。

表3 面源黑體和星上黑體碼值基準(zhǔn)工況下校正碼值對比表Table 3 Comparison table between correction signal of surface blackbody and on-board blackbody in reference condition

（1）在面源黑體變溫階段，基于基準(zhǔn)工況下的星上黑體數(shù)據(jù)，校正面源黑體升降溫時的面源黑體數(shù)據(jù)，獲取基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.67和677.41），其校正碼值偏差為0.3 DN。

（2）基于面源變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.67和677.41），計算星上黑體變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值（677.54）?；谛巧虾隗w變溫階段基準(zhǔn)工況下的面源黑體校正碼值與星上黑體變溫階段面源黑體碼值（671.37和673.58），校正星上黑體變溫階段的星上黑體碼值，獲取其基準(zhǔn)工況下星上黑體校正碼值（602.81），與面源變溫階段星上黑體碼值（602.55）偏差為0.3 DN。

4.4 星上黑體等效黑體溫度比對分析

在星上黑體變溫階段，星上黑體測溫鉑電阻碼值與其等效黑體溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)準(zhǔn)確性主要由星上黑體碼值對應(yīng)的等效黑體溫度反演精度決定的，本文采用3種方法計算星上黑體碼值對應(yīng)等效黑體溫度。

（1）原始碼值定標(biāo)系數(shù)亮溫計算方法（原始法）

通過面源黑體變溫階段面源黑體定標(biāo)曲線（原始碼值）計算的定標(biāo)系數(shù)（2 次擬合），進(jìn)而計算星上黑體變溫階段星上黑體碼值（原始碼值）對應(yīng)的等效黑體溫度。

（2）校正碼值定標(biāo)系數(shù)亮溫計算方法（校正法）

通過4.1 章到4.3 章節(jié)獲得的紅外定標(biāo)過程中的響應(yīng)度一致性系數(shù)，對其定標(biāo)獲得的碼值進(jìn)行一致性校正，利用面源黑體變溫階段面源黑體校正定標(biāo)曲線計算的定標(biāo)系數(shù)（2次擬合）計算星上黑體變溫階段星上黑體校正碼值對應(yīng)的等效黑體溫度。

（3）面源黑體300 K目標(biāo)+冷空方法（兩點法）

利用星上黑體變溫階段300 K 面源黑體目標(biāo)和冷空兩點法（原始碼值）計算不同頭部溫度下的定標(biāo)系數(shù)，實時計算星上黑體變溫階段星上黑體碼值（原始碼值）對應(yīng)的等效黑體溫度。

圖10（a）所示，3 條曲線分別表示利用以上3 種方法計算的星上黑體變溫階段不同頭部溫度下星上黑體碼值對應(yīng)的等效黑體溫度。圖10（b）所示，兩條曲線是校正法和原始法分別與兩點法計算的等效黑體溫度之間的偏差。由圖10（b）中可以看出，在頭部溫度0—35°變化范圍內(nèi)，比對3種計算等效黑體溫度的結(jié)果，兩點法和校正法一致性在0.06 K 以內(nèi)，原始法相對于其他兩種方法計算的結(jié)果偏差約為1.35 K。原始法考慮了計算黑體等效溫度中的非線性項，但沒有考慮頭部變溫等因素引起的響應(yīng)度變化。兩點法和校正法都考慮了頭部溫度等因素變化引起的響應(yīng)度變化，但兩點法并沒有考慮系統(tǒng)的非線性引入的誤差。相對于兩點法來說，校正法考慮了定標(biāo)系數(shù)中的非線性項，所采用的非線性項也是經(jīng)過響應(yīng)度一致性校正后的計算結(jié)果。從以上分析結(jié)果來看，采用校正法計算星上黑體碼值對應(yīng)的等效黑體溫度更加準(zhǔn)確。

圖10 星上黑體碼值等效黑體溫度多種計算方法比對Fig.10 Comparison of various calculation methods for the equivalent blackbody temperature from the signal of the on-board blackbody

5 結(jié)論

為保證紅外定標(biāo)各階段數(shù)據(jù)的系統(tǒng)響應(yīng)度一致性和輻射準(zhǔn)確性，基于掃描輻射計線性響應(yīng)系統(tǒng)、掃描輻射計單一系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性以及空間輻射基準(zhǔn)源輻射穩(wěn)定性，本文建立了紅外遙感載荷真空紅外定標(biāo)輻射傳遞過程中的輻射響應(yīng)度一致性校正算法。針對FY-3B 可見光紅外掃描輻射計，利用真空紅外定標(biāo)中面源黑體及星上黑體數(shù)據(jù)獲取輻射一致性函數(shù)，經(jīng)過掃描輻射計系統(tǒng)響應(yīng)度一致性校正后，在面源黑體變溫階段所有控溫點上面源黑體升降溫響應(yīng)碼值一致性優(yōu)于0.7 DN，在基準(zhǔn)工況上面源黑體輻射基準(zhǔn)到星上黑體輻射傳遞過程中響應(yīng)碼值一致性優(yōu)于0.3 DN?；诩t外定標(biāo)過程中原始碼值和校正后的碼值，開展校正算法和其他傳統(tǒng)方法在星上等效黑體溫度計算結(jié)果的比對及分析。該算法為實現(xiàn)衛(wèi)星紅外定標(biāo)歷史資料數(shù)據(jù)再定標(biāo)處理，以及紅外遙感載荷的定量化發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。