Способ определения калибровочного коэффициента для калибровки оптического спутникового сенсора высокого пространственного разрешения в абсолютных энергетических единицах

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЛИБРОВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО СПУТНИКОВОГО СЕНСОРА ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В АБСОЛЮТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЕДИНИЦАХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кацев Иосиф Лейбович Прихач Александр Сергеевич Зеге Элеонора Петровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения калибровочного коэффициента для калибровки оптического спутникового сенсора высокого пространственного разрешения в абсолютных энергетических единицах, в котором посредством указанного сенсора получают сигналы с двух тестовых участков земной поверхности, размер каждого из которых соответствует пространственному разрешению сенсора, с известными различающимися альбедо и коэффициентами яркости поверхности, осуществляют подспутниковые измерения оптической толщины атмосферы атм и освещенности, создаваемой солнцем на двух указанных тестовых участках, а затем рассчитывают искомый калибровочный коэффициентв соответствии с выражением 0 0 0 ( ) норм ( 0 )( , 2,1 )0 ( 0 )0 ( ) ( , 2 (,0 , ), 2 )(,1 )(,0 , ),1 ,( 21 ) где 0 косинус зенитного угла солнца 00 освещенность, создаваемая солнечным излучением на верхней границе земной атмосферы, где 1, 2,полученные сенсором сигналы с -го тестового участка 0(т/)коэффициент пропускания атмосферы для прошедшего без рассеяния светакосинус угла наблюдениянорм ( 0 )освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы, и, (,0 , ) , где 1, 2, - средние по поверхности -го тестового участка альбедо поверхности и коэффициенты яркости соответственно 15950 1 2012.06.30 0(0)интегральный коэффициент пропускания атмосферы при зенитном угле солнца, равном 0 азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце. Изобретение относится к области космических технологий, в частности к способам калибровки во время полета спутниковых сенсоров оптического диапазона в абсолютных энергетических единицах, и может быть использовано для калибровки спутниковых сенсоров высокого пространственного разрешения. Известен способ радиационной калибровки спутникового сенсора, включающий измерение сигнала спутниковым сенсором, одновременные подспутниковые наземные измерения параметров атмосферы, коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности и расчет спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) солнечного излучения на входе спутникового сенсора (/ .. //. - 1992. - .41. - . 227- 237--/ . .. //. - 1987. - . 22. - . 11-37). Недостатками данного способа являются необходимость использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы необходимость проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфера подстилающая поверхность отсутствие учета влияния солнечного излучения, отраженного от неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях, на сигнал, регистрируемый от тестового пикселя. Такое влияние имеет место вследствие молекулярного и аэрозольного рассеяния излучения в атмосфере и распространяется на расстояния порядка 5 км ( . ./. - 1980. - .46. - .1173-1180. ./. - 1985. - . 18. - . 21-34). Точность калибровки спутникового сенсора по данному способу зависит неконтролируемым образом от точности модели атмосферы, точности кода расчета переноса излучения в системе атмосфера-подстилающая поверхность, однородности подстилающей поверхности, окружающей тестовый пиксель, и пространственного разрешения спутникового сенсора. Третий из указанных недостатков может приводить к большой погрешности калибровки спутниковых сенсоров высокого пространственного разрешения. Наиболее близким техническим решением (прототип) является способ радиационной калибровки спутникового сенсора, включающий измерение сигнала спутниковым сенсором, одновременные подспутниковые наземные измерения параметров атмосферы, коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности и расчет спектральной плотности энергетической яркости солнечного излучения на входе спутникового сенсора,причем размер тестового участка в семь раз больше, чем пространственное разрешение сенсора ( .-/ . .. - 1997, . 18. -13. - . 28272833). Увеличение размера тестового участка в семь раз по сравнению с пространственным разрешением сенсора позволяет уменьшить неконтролируемое влияние неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал, регистрируемый сенсором от тестового пикселя, и тем самым повысить точность абсолютной калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения. 15950 1 2012.06.30 Недостатками данного способа, как и аналога, являются необходимость использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы, необходимость проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфера-подстилающая поверхность, а также неполный учет влияния неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал,регистрируемый сенсором от тестового пикселя, что приводит к погрешности калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения. Задачей изобретения является повышение точности абсолютной энергетической калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения и упрощение процедуры калибровки. Задача решается за счет того, что в предлагаемом способе определения калибровочного коэффициента для калибровки оптического спутникового сенсора высокого пространственного разрешения в абсолютных энергетических единицах, в котором посредством указанного сенсора получают сигналы с двух тестовых участков земной поверхности,размер каждого из которых соответствует пространственному разрешению сенсора, с известными различающимися альбедо и коэффициентами яркости поверхности, осуществляют подспутниковые измерения оптической толщины атмосферы атм и освещенности,создаваемой солнцем на двух указанных тестовых участках, а затем рассчитывают искомый калибровочный коэффициентв соответствии с выражением 0 ( ) норм ( 0 )(, 2,1 ) где(1, 2) - измеряемые спутниковым сенсором сигналы для -го тестового участка, , (,0 , ) и , (1, 2) - средние по поверхности -го тестового участка коэффициенты яркости и альбедо поверхности соответственно, норм (0 ) - освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы,00 - освещенность, создаваемая солнечным излучением на верхней границе земной атмосферы,0(т/), атм - оптическая толщина атмосферы,- длина волны излучения, 0 - косинус зенитного угла солнца, - косинус угла наблюдения, - азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце. Сущность изобретения состоит в следующем. Регистрируемый спутниковым сенсором сигналпропорционален СПЭЯ (0,) солнечного излучения на входе спутникового сенсора, где- длина волны излучения, 0 косинус зенитного угла солнца,- косинус угла наблюдения,- азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце. То есть(0,),где- искомый калибровочный коэффициент. СПЭЯ солнечного излучения на входе спутникового сенсора равна(, ,0 , )0 0(, ,0 , ) , где 00 - спектральная плотность потока солнечного излучения, падающего на верхнюю границу земной атмосферы, (0,) - спектральный коэффициент яркости на верхней границе системы атмосфера-подстилающая поверхность. Ниже для сокращения записи параметрбудет опускаться. 15950 1 2012.06.30 В общем случае коэффициент яркости на верхней границе атмосферы можно записать в виде( 0 )0 ( 0 )0(,0 , )бок (,0 ) , (,0 , )атм (,0 , )0 где атм(,0,)- коэффициент яркости излучения, отраженного атмосферой, (0) - интегральный (по углам) коэффициент пропускания атмосферы при зенитном угле солнца 0, 0 - коэффициент пропускания атмосферы для прямопрошедшего (без рас сеяния) света, атм - сферическое альбедо атмосферы при освещении ее снизу, пов - сред нее сферическое альбедо окружающей поверхности,(,0 , ) и- средние по поверхности пикселя коэффициенты яркости и альбедо поверхности. В формуле (3) первый член учитывает вклад излучения, рассеянного в атмосфере без взаимодействия с поверхностью, второй и третий члены в сумме описывают вклад излучения, отраженного от тестового пикселя, причем третий член учитывает поправку на неламбертовость поверхности. Четвертый член учитывает вклад излучения, отраженного от окружающей поверхности, который часто называют вкладом бокового подсвета. В частном случае ламбертовской подстилающей поверхности, для которой коэффициент яркости не зависит от угла падения и угла диффузного отражения, т.е.(,0 , ), из формулы (3) имеем 0 ( 0 ) 1 атм пов С учетом соотношений (1)-(3) измеренный спутниковым сенсором сигнал можно записать в виде(6)атм (, 0, )бок (, 0). Заметим, что здесь величина 0 есть пропускание прямопрошедшего света, которое определяется оптической толщиной атмосферы атм, т.е.- освещенность тестового участка поверхности. Т.е. величина есть освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы. Поэтому формулу (5) можно переписать в виде 1 0 0(10)Произведя измерения на двух (или более) тестовых участках с различающимися коэффициентами яркости подстилающей поверхности, из формулы (10) получим 1 0 00 норм ,0 ( 0 )0 (, (,0 , ), ) ,1, 2. 15950 1 2012.06.30 Здесь считается, что тестовые участки находятся близко друг к другу и их освещенности можно считать одинаковыми и равными (0). Из формулы (11) определяется искомый калибровочный коэффициент 0 ( ) норм ( 0 )( , 2,1 ) Все величины в формуле (12) являются либо хорошо известными априори (0), либо измеряемыми. Так, величинаесть сигнал, регистрируемый спутниковым сенсором, ,и,(,0 , ) - средние по поверхности -го пикселя коэффициент яркости и альбедо по верхности, норм (0) - нормированная освещенность, связанная формулой (9) с измеряемой реальной освещенностью тестовых площадок (0). Величина 0 рассчитывается по формуле (7) по измеряемой величине атм. В случае ламбертовской поверхности формула (12) упрощается и принимает вид 00 0 ( ) норм (0 )(,2,1 ) .( 21 ) Если с целью повышения точности определения калибровочного коэффициентаизмерения производятся на нескольких (более двух) тестовых участках, то искомая величина находится из уравнения (11) каким-либо методом статистической оптимизации,например методом наименьших квадратов. В случае ламбертовской поверхности формула(14)0 норм ( 0 ) ,и искомый калибровочный коэффициентопределяется по линейной зависимости( ,) . Указанная последовательность выполнения операций позволяет упростить процедуру и повысить точность радиационной калибровки спутникового сенсора, поскольку при этом автоматически учитывается вклад в регистрируемый спутниковым сенсором сигнал как излучения, отраженного атмосферой, так и излучения, отраженного поверхностью,окружающей тестовый пиксель, т.е. бокового подсвета. Поэтому отпадает необходимость а) использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы б) учета радиационного влияния отражения солнечного излучения от неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал, регистрируемый от тестового пикселя в) проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфераподстилающая поверхность. Таким образом, радиационная калибровка спутникового сенсора высокого пространственного разрешения предложенным способом производится без неконтролируемых ошибок, обусловленных априорными предположениями о модели атмосферы и влиянием бокового подсвета. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.