对于无星上定标系统的大视场大气探测载荷,利用广阔的海洋无监测定标场(SNES)进行基于统计方法的在轨替代定标,是国际上公认和推荐的方法。基于大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)的载荷工作原理和一级数据产品的特点,在确定反射率基定标的基础上,通过海表双向反射率分布函数(BRDF)的大气传输仿真计算确定了合适的角度阈值,以降低非大气分子散射的干扰;同时对定标场的环境参量进行了统计分析,解决了统计定标中数据筛选与误差评估的核心问题,最终实现了DPC可见光波段在轨定标系数变化的精确评估。在考虑定标源和仪器实验室定标误差合成后,绝对辐射定标系数的最终定标误差在1.24%~4.76%之间。

大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息, 尤其在气溶胶遥感监测领域, 具有很大优势, 所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。 作为定量化程度很高的光学载荷, 在轨定标一直受到很大的重视。 因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点, 使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。 多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂, 需要进行辐射定标的相机参数有多个。 辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数, 使用的自然景物类型多, 导致多种定标方法组合、 并行发展。 2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗, 也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星, 在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天, 有必要梳理替代定标的研究进展情况。 文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数, 梳理了相机的辐射传递模型。 划分了绝对辐射强度、 相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。 针对特定的待定标系数, 介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。 形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。 并汇总了定标结果检验的一般方法。 新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标, 将继承原有研究基础, 使用特殊自然景物开展定标。 在后续的同类遥感相机在轨定标工作中, 也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、 借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。 我国、 欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划, 面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机, 结合作者研究基础, 对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。 偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测, 对我国当前关注的大气环境问题非常重要。 卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。 系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。

远紫外波段(115～200 nm)光学遥感是在卫星上获得空间环境参数, 如O, N2和O2等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、 电离层电子密度TEC、 电子密度廓线、 等离子体含量、 大气温度廓线、 太阳EUV流量、 能量粒子沉降等信息的重要探测技术, 也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。 定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标, 包括发射前实验室定标和在轨定标。 发射前定标给出载荷的原始定标系数, 而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。 远紫外探测技术用于中高层大气、 电离层、 磁层、 太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始, 以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划, 并且开展了大量的在轨定标技术研究, 确保载荷数据的长期定量化应用。 我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究, 在轨定标技术基本属于空白。 在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、 基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。 以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例, 分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、 光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、 在轨定标数据处理方法及处理结果。 对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明, 对于视场较大, 且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪, 首选外定标源法, 即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源, 根据运行轨道进行定标模式合理设计, 并结合实验室定标数据, 实现在轨全视场定标; 对于光度计类的单点探测仪器, 由于视场限制, 极少有恒星观测条件, 故推荐采用替代定标方式, 实现载荷在轨长期监测, 但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析, 以提高定标精度; 而利用内部标准源进行定标的方法, 标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号 A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求, FY-4A星成功发射之后,围绕 GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明: 除部分通道受到有机挥发物的影响, 85%的通道灵敏度优于设计指标; 利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了 GIIRS在轨光谱定标,精度达到 10 ppm; 利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于 1K,优于设计指标.

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项, 首个火星探测器也即将前往火星。 为满足火星物质成分分析的需求, 我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器, 其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）, 应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）。 火星表面覆盖尘埃, 探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分, 必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。 LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面, 获得深部物质光谱信息, 在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。 LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素, 包括轻元素H, Li, Be, B, C, N, O等, 帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。 由于LIBS在火星环境工作, 等离子体的物理性质与地球上完全不同。 为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量, 需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。 借助火星车的携带在轨定标样品, 对探测数据进行在轨定标, 确保返回数据的可靠性。 定标样品的选择是一项十分重要的工作, 存在仪器工程条件限制、 定标样品类型的代表性、 元素成分分布范围、 样品稳定性等多种考虑因素, 需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。 总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展, 重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、 国外选择样品的优缺点, 并总结经验提出了几点建议, 为我国在轨定标工作提供参考。 对火星探测数据的正确解译, 对未来研究火星的起源、 火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标, 导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后, 结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据, 探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区, 用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度, 比较观测值与模拟计算值, 通过统计筛选晴空像元, 估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理, 反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明, 基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候, 可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。

为了提高CO2探测仪的在轨辐射定标精度, 建立了在轨辐射校正原理, 并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO2探测仪的工作原理与系统组成, 介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略, 确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数, 制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试, 对其实验室定标精度进行了分析, 并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明, 漫反射板在760 nm、1 610 nm和2 060 nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO2探测仪1 610 nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。