定标自动化水平与像点提取精度是光学遥感卫星在轨几何定标效率及精度提升的关键因素。提出一种以轻小型、自动化的反射点源为地面控制点的高精度像点提取方法，匹配参数化模型拟合获取点源像点坐标，并利用有理函数模型进行精度验证。在轨实验结果初步表明，与模板匹配法等常规方法相比，反射点源法提取的像点坐标精度优于0.05 pixel，经有理函数模型验证，像点定位精度优于0.05 pixel。反射点源不仅能够实现高精度的像点提取，还能够实现光学遥感卫星在轨几何辐射综合定标，对提高我国遥感测绘精度和定标自动化水平有重要意义。

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)是光学卫星相机成像质量评价的重要参数之一,在轨MTF检测关系到遥感数据的应用和未来遥感相机的发展。针对目前对地观测中广泛应用的光电成像系统,以反射点源阵列、辐射状靶标和大面积刃边靶标等便于数学描述的特殊点线面目标作为参照,依据MTF的物理定义,通过亚像元位置检测与参数化模型拟合等,对卫星相机进行了在轨MTF检测。实验结果表明:点源法是最严密的检测方法,可以全面表征遥感相机的成像能力;方波法在大面积靶标配合下,能直接获取成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值;刃边法是光学相机常用的检测方法,但是仅能获取沿轨与垂轨方向的MTF。三种方法所得的在轨MTF的检测结果具有较好的一致性,最大相对误差优于6.00%。这些方法各有特点,其适用性存在一定差异。

太阳漫反射板反射率衰减监测仪(后简称比辐射计,SDRDM)被用来监测漫反射板反射率的变化。其太阳观测端口的透过率和太阳漫射板的相对双向反射分布函数(BRDF)是随角度变化的变量,因此比辐射计观测信号会受到入射光线角度的影响,该影响因子被叫作比辐射计角度因子(简称角度因子)。提出一种使用星上数据计算角度因子的方法,该方法被使用的前提是太阳漫射板在轨前期不发生衰退。采用相同太阳角度比值计算,在不使用比辐射计角度因子的前提下验证了太阳漫反射板在轨前期的稳定性。随后计算SDRDM的角度因子,并与实验室测量结果进行比对。结果显示星上计算值与实验室测量值偏差小于0.5%,发射前测量的角度因子可以用于计算太阳漫反射板的退化因子。

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量, 以实际测量代替气溶胶散射特性假设, 通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度, 根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离, 降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明, 高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%, 与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%, 小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。

针对以凸面镜作为反射式点光源的系统建模不够完善,限制其指向精度提高的问题,提出以太阳矢量为参照基准的系统建模方法,提高了系统指向精度。通过实验数据的线性度拟合确定拟合系数R2在0.999以上,确保了实验数据的可靠性,以最小二乘法解算模型求解系统固有安置几何误差,最后,通过反解模型求解目标值方法和太阳图像质心比对法,分别验证标校后模型的正确性。实验结果表明,目标编码器角度与实际测量角度值基本一致,俯仰角度误差标准偏差为0.0043°,方位角度误差标准差为0.00299°,误差范围保持在0.04°以内,图像质心比对法像素差值在2 pixel左右,对应的像素角分辨率误差在0.036°上下,系统综合指向精度优于0.1°,验证了此种方法建模的正确性与可行性,为实现多空间分辨率的高分辨率光学遥感卫星传感器高精度、高频次、业务化、全动态范围的在轨绝对辐射定标奠定了基础。

针对场地辐射定标方法难以覆盖遥感器动态范围的问题,提出基于多种反射率呈线性的宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标方法。以地面同步的实际测量代替气溶胶散射特性假设,采用线性回归法分离宽动态目标反射辐射与程辐射、地-气耦合辐射及暗电流等背景辐射,在简化辐射传输计算的同时降低对背景环境的要求,实现星载高分辨率遥感器全动态范围定标与响应线性检测。试验结果表明:光学卫星相机基于宽动态目标的在轨辐射定标方法的不确定度小于3.6%,与反射率基法定标结果之间的差异小于5.5%,反演的地物反射率及辐亮度与实测值之间的误差均小于6%,验证了在轨辐射定标方法的有效性,该方法可以满足复杂环境条件下高精度在轨定标的应用需求。

辐射定标是光学遥感卫星数据定量化应用的关键技术之一。提出了基于亚像元目标的高分辨率光学遥感卫星在轨辐射定标方法,以反射点源作为参照目标,并以地面同步测量为主,通过简化辐射传输的计算过程获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度;根据多能量等级的亚像元目标设置与系统点扩展函数检测结果,将亚像元目标辐射与程辐射、地气耦合辐射及背景辐射有效分离;突破时空及天气条件限制,在复杂环境条件下实现光学遥感卫星全动态范围的高精度定标。实验结果表明,基于亚像元目标的高分辨率光学遥感卫星在轨辐射定标不确定度优于3.2%,与基于大面积多反射率灰阶靶标的定标结果相差3%;这种轻小型的亚像元目标适应于光学遥感卫星的高频次定标应用需求。