一种星载偏振扫描遥感器数据预处理方法与装置与流程

1.本发明涉及空间光学遥感器数据处理技术，具体涉及一种针对星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法与装置。


背景技术：

2.在卫星光学遥感中，相较于强度(标量)观测，偏振探测对大气气溶胶微物理和光学特性更为敏感，且对地表偏振贡献相对不敏感，因此可以通过偏振探测方式实现对大气气溶胶综合参数的高精度探测，目前偏振遥感已成为国际上的研究热点。星载偏振遥感器作为有效光学载荷搭载在卫星上工作，能够使用例如光电探测器件实现对地观测，基于观测数据可以反演例如大气光学及气溶胶微物理等参数，可以用于大气环境监测及遥感器大气校正等方面。
3.2020年9月27日我国成功发射的环境减灾二号a、b(hj-2a/b)卫星上搭载了一种新型偏振扫描遥感器psac(偏振扫描大气校正仪，polarized scanning atmospheric corrector)，是目前全球首颗成功在轨运行的该类型遥感器。
4.另一方面，卫星载荷的数据产品可以按照对其处理的阶段进行分级。例如，下表表示了psac遥感器数据的l0级和l1级数据的含义。
5.其余分级与本发明无关故省略说明。
[0006][0007]
本发明中，将从l0级数据得到l1级数据的处理称作“预处理”。
[0008]
psac作为一种新型的偏振载荷，现有的星载光学遥感器的观测数据的预处理方法并不能有针对性地良好应用，无法根据psac的性能要求和实际特性进行精细化的数据预处理。


技术实现要素：

[0009]
发明要解决的技术问题
[0010]
在从l0级数据得到l1级数据的预处理过程中，需要监测科学数据的有效性，对原始科学数据进行初始校正(预校正)，并进行偏振解析和地理定位。
[0011]
psac作为新型星载光学遥感器，其技术原理有别于当前已在轨运行的其他光学遥感器，从数据预处理角度来说：1)采用的探测技术原理不同：该型遥感器采用四通道同时偏振探测技术，与目前成功在轨运行的偏振遥感器原理不同，导致信息解析方法不同；同时，理论上四偏振通道探测方案在任何一个通道出现故障时仍可通过三偏振通道进行信息解
析，可有效提高系统可靠性，但需要在预处理过程中实现通道异常检测和通道缺失条件下的信息解析；2)采用的观测方式不同：该型遥感器为非成像、穿轨扫描方式观测；3)采用的信号处理技术不同：采用直流恢复环电路和积分滤波电路，导致数据预校正方法和地理定位处理等不同。
[0012]
正是由于存在上述特点以及特点的组合，导致该型遥感器与传统星载光学遥感器的数据预处理方式存在明显差异，使得现有的星载光学遥感器的数据预处理方法不能良好地应用于psac这一新型的星载偏振扫描遥感器。
[0013]
本发明鉴于上述问题而作出，其目的在于提供一种星载偏振扫描遥感器数据预处理方法与装置，能够按照psac的性能要求和实际特性进行针对性的、精细化的数据预处理。
[0014]
解决问题的技术手段
[0015]
为解决上述问题，本发明提供一种星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法，对从搭载有偏振扫描遥感器的卫星下传的数据进行预处理，其包括：l0级数据取得步骤，其中，对所述卫星下传的原始数据经过解格式和分景处理，得到所述l0级数据；数据提取步骤，其中，对取得的所述l0级数据进行分类，从中提取遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星辅助数据；参量监督步骤，其中，对提取的所述遥感器科学数据、所述遥感器辅助数据和所述卫星辅助数据等进行数据质量监督，对偏振通道的缺失、参量异常予以告警；科学数据预校正步骤，其中，对所述遥感器科学数据进行本底漂移校正、本底校正和短波红外波段的温度校正中的至少一种校正；偏振解析步骤，其中，按照所述参量监督步骤的结果选择解析方法，根据定标系数对经过所述科学数据预校正步骤校正后的、偏振扫描遥感器的对地观测数据进行偏振解析；地理定位步骤，其中，根据所述偏振扫描遥感器的探测器指向矢量、卫星星历和卫星姿态数据计算在地球表面的投影中心位置，并换算到大地坐标系；和l1级数据归档步骤，其中，将所述参量监督步骤得到的参量监督结果、所述偏振解析步骤得到的对地观测偏振解析结果、所述地理定位步骤得到的太阳入射和观测几何、海陆掩码信息的结果归档，生成所述l1级数据。
[0016]
此外，在本发明的数据预处理方法中，所述遥感器科学数据是所述偏振扫描遥感器至少观测暗参考定标器、偏振和非偏定标器、太阳漫射板定标器以及对地观测目标场景，同时利用多个探测器同时获取的等角度间隔下的多波段、多偏振通道的数据，所述遥感器辅助数据是包括遥感器遥测数据、内部状态参量的辅助工程参数，所述卫星辅助数据包括gps时间、定位数据、卫星姿态数据。
[0017]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在所述参量监督步骤中，进行遥感器健康状况监督、科学数据有效性判断、平台关键参量有效性判断。
[0018]
此外，在本发明的数据预处理方法中，所述科学数据有效性判断包括下述的至少一个：根据观测暗参考定标器获取的本底数据计算本底噪声，确认通道正常与否；分析本底均值是否超过正常阈值，判断通道电子学系统是否正常；分析一扫描圈内本底漂移是否超过正常阈值判断本底漂移是否需要测试和校正；通过非偏定标器观测结果确定同一波段不同偏振通道s0、s
90
、s
45
、s
135
的响应是否正常；和基于对地观测中同一波段不同偏振通道间的关联关系来判断是否存在通道响应异常，并判断通道是否无法使用来判断通道是否缺失，其中，s0、s
90
、s
45
、s
135
是0
°
、90
°
、45
°
、135
°
四个偏振通道的响应输出。
[0019]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在所述科学数据预校正步骤中，在进行所述
本底漂移校正的情况下，根据卫星发射前实验室获取或入轨后获取的本底漂移校正系数，计算遥感器每个扫描周期内所有波段及其偏振通道的各采样点的漂移校正后数据，在进行所述本底校正的情况下，对各波段及其偏振通道观测暗参考定标器获取的本底数据进行异常值剔除，在此基础上计算直流恢复前后各通道本底数据的均值，对遥感器每个扫描周期内各采样点，基于采样点所在的扫描圈的本底均值进行本底校正，在进行所述温度校正的情况下，获取短波红外波段探测器的在轨工作温度，根据卫星发射前实验室获取的短波红外波段探测器温度校正系数修正探测器响应率。
[0020]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在所述偏振解析步骤中，针对经过所述科学数据预校正步骤校正后的、偏振扫描遥感器的对地观测数据，在所述参量监督步骤中对偏振通道缺失的监督结果不存在偏振通道缺失的情况下，使用实验室获取的偏振定标系数，通过四通道偏振解析，根据偏振扫描遥感器获取的对地观测数据解析观测目标的光谱偏振信息，在偏振通道缺失的监督结果显示存在一个偏振通道缺失的情况下，利用星上偏振定标重新获取偏振定标系数，通过三通道偏振解析，根据偏振扫描遥感器获取的对地观测数据解析观测目标的光谱偏振信息。
[0021]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在所述偏振解析步骤中，通过所述四通道偏振解析或所述三通道偏振解析求解偏振分量q和u，进而求得斯托克斯参量i、q、u并完成辐射校正。
[0022]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在考虑了日地距离修正和遥感器光谱响应函数的基础上，可根据输出产品格式需求进一步地将所述斯托克斯参量i、q、u转换成归一化辐亮度或表观反射率。
[0023]
此外，在本发明的数据预处理方法中，在所述地理定位步骤中，通过计算卫星本体坐标系到wgs-84地心地固坐标系的转换矩阵，结合偏振扫描遥感器载荷坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵和探测器指向矢量到偏振扫描遥感器载荷坐标系的转换矩阵，对每个扫描角度的所述探测器指向矢量进行坐标转换，并进一步地转换到大地坐标系，从而获取地面采样点的坐标信息。
[0024]
本发明还提供一种星载偏振扫描遥感器的数据预处理装置，对从搭载有偏振扫描遥感器的卫星下传的数据进行预处理，其包括：l0级数据取得模块，其中，对所述卫星下传的原始数据经过解格式和分景处理，得到所述l0级数据；数据提取模块，其中，对取得的所述l0级数据进行分类，从中提取遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星辅助数据；参量监督模块，其中，对提取的所述遥感器科学数据、所述遥感器辅助数据和所述卫星辅助数据等进行数据质量监督，对偏振通道的缺失、参量异常予以告警；科学数据预校正模块，其中，对所述遥感器科学数据进行本底漂移校正、本底校正和短波红外波段的温度校正中的至少一种校正；偏振解析模块，其中，按照所述参量监督模块的结果选择解析方法，根据定标系数对经过所述科学数据预校正模块校正后的、偏振扫描遥感器的对地观测数据进行偏振解析；地理定位模块，其中，根据所述偏振扫描遥感器的探测器指向矢量、卫星星历和卫星姿态数据计算在地球表面的投影中心位置，并换算到大地坐标系；和l1级数据归档模块，其中，将所述参量监督模块得到的参量监督结果、所述偏振解析模块得到的对地观测偏振解析结果、所述地理定位模块得到的太阳入射和观测几何、海陆掩码信息的结果归档，生成所述l1级数据。
[0025]
发明效果
[0026]
采用本发明的数据预处理方法与装置，如上所述，考虑了psac的原始科学数据中包含的因探测器及电子学系统带来的影响以及因短波红外段探测器的工作温度差异造成的影响，同时，通过参量质量监督来监督通道缺失状况，根据需要采用四通道偏振解析或三通道偏振解析，具有更高的系统可靠性。
[0027]
因此，采用本发明，能够按照星载偏振扫描遥感器的性能要求和实际特性进行针对性的、精细化的数据预处理。
附图说明
[0028]
图1是表示应用本发明一个实施方式的数据预处理方法的星载偏振扫描遥感器psac中的光学系统的原理示意图。
[0029]
图2是星载偏振扫描遥感器psac扫描观测一圈的工作时序图。
[0030]
图3是本发明一个实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法的流程图。
[0031]
图4是数据预处理方法中包含的科学数据预校正步骤的流程图。
[0032]
图5是本发明一个实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理装置的结构示意图。
[0033]
图6是数据预处理装置中包含的科学数据预校正模块的结构示意图。
[0034]
图7a-图7d是星载偏振扫描遥感器psac四通道数据未应用本发明的数据预处理方法的情况下的原始扫描拼接图像。
[0035]
图8a-图8d是对星载偏振扫描遥感器psac四通道数据应用了本发明一个实施方式的数据预处理方法得到的扫描拼接图像。
[0036]
图9是对本发明一个实施方式的数据预处理方法的地理定位结果进行评价的图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
[0038]
以下实施方式中，在提及要素的数字等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明确说明的情况和从原理上明显限定为特定数字的情况之外，并不限定于该特定数字，可为特定数字以上或以下。本技术中，“使用
……
构成”或“由
……
构成”这样的表述仅表示了主要的构成部件，并不排除包括其他的部件。
[0039]
另外，在以下的实施方式中，其结构要素(包括步骤要素等)除了特别明确说明的情况和从原理上明显理解为是必须的情况之外，都不一定是必须的，并且也可以包括说明书中未明确提及的要素。
[0040]
本说明书中描述的实施方式仅为一个完整描述的示例，并不限定本发明的保护范围，基于本发明的实施方式，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下能够获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0041]
[实施方式]
[0042]
图1是表示应用本发明一个实施方式的数据预处理方法的星载偏振扫描遥感器psac中的光学系统(以一对光路为例)的示意图。
[0043]
星载偏振扫描遥感器psac采用分孔径和分振幅相结合的同时偏振测量方案。其中
使用一对光路来实现对目标线偏振态的前三个stokes参量(i、q和u)的测量，而第四个参量v表征圆偏振光分量，其值在自然光照条件下至少比q和u分量小两个数量级，在大气探测应用中常予忽略。
[0044]
图1以一对光路为例展示了psac光学系统原理示意图，其中光学系统100依次包括正交扫描镜组件101，并在一个光路中依次包括望远镜组件102a(望远透镜103a、视场光阑104a、准直透镜105a)、wollaston棱镜106a、分色片107a～109a、聚焦透镜110a～112a、干涉滤光片113a～115a和双元探测器116a～118a等，同时在另一个光路中依次包括对应的同类元件。图1中，对不同光路中的对应元件标注同一标记并用下标a/b加以区分，不过，在无需区分的情况下可以省略该下标来统称对应的元件。
[0045]
正交扫描镜组件101能够在驱动电机(未图示)的带动下旋转来将不同方向的光引入光路，光束在通过望远镜组件102后，经wollaston棱镜106产生两束振动方向正交的线偏振光即偏振分束，最终在不同的单元探测器上实现光电转换。
[0046]
考虑到大气参数反演和应用需求，psac配置了9个谱段，共采用3对共6个独立的光路进行探测，每对光路均如图1所示，采用wollaston棱镜106进行偏振分束，并通过分色片107和滤光片113的组合、分色片108和滤光片114的组合以及分色片109和滤光片115的组合实现3个光谱波段的分光。
[0047]
例如，psac在第一对光路中探测410nm、555nm和865nm三个波段，在第二对光路中探测443nm、670nm和910nm，而在第三对光路中探测1380nm、1610nm和2250nm。作为各光路中的双元探测器116～118，前两对光路中使用蓝增强型双元硅光电二极管，而为了提高短波红外波段的信噪比和探测灵敏度，第三对光路中的探测器为内置tec制冷器的双元ingaas pin光电二极管(即短波红外波段探测器)。
[0048]
为了能够利用一对光路测量stokes参量，每一对光路彼此偏振方位相对旋转了45度。因此，psac对于所探测的每一个波段，一对光路共检测四个偏振通道，探测器输出的原始量化数据可表示为s0、s
90
、s
45
、s
135
，其中下标数值表示各通道相对第一个通道s0的偏振方位角。
[0049]
举例来说，假定图1所示的一对光路是上述的“第一对光路”，则探测器116(a,b)、117(a,b)和118(a,b)分别用于探测410nm、555nm和865nm三个波段，于是116a和116b这两对双元探测器探测得到的数据即为410nm波段的四个偏振通道的数据，而117a和117b这两对双元探测器探测得到的数据即为555nm波段的四个偏振通道的数据，其余以此类推。
[0050]
于是，采用该psac能够实现多个波段的同时偏振探测。
[0051]
图2是星载偏振扫描遥感器psac扫描观测一圈的工作时序图。
[0052]
为了保证psac长期在轨探测精度，psac的正交扫描镜组件101四周布置了星上定标器，包括漫射板定标器、暗参考定标器、线偏振定标器和非偏振定标器。
[0053]
漫射板定标器用于引入太阳光作为标准光源进行绝对辐射定标；暗参考定标器通过结构设计和表面处理实现光陷阱效果，用于建立零辐射基准；线偏振和非偏振定标器通过引入地球反射光并输出偏振态已知的线偏振光和非偏振光，用于星上偏振定标。这些定标器在扫描镜每转动一周都进行观测，在相应的辐射和偏振定标方法处理后即可获得定标系数。
[0054]
如图2所示，psac的驱动电机带动正交扫描镜组件101在一平面内旋转并同时采
样。令电机扫描一周角度为360
°
，以天底方向为0
°
起始，逆时针方向扫描。本实施方式中，非偏振定标器位于267
°
到273
°
，漫射板定标器位于212
°
到217
°
，暗参考定标器位于140
°
到160
°
，偏振定标器位于87
°
到93
°
，此外，33
°
到327
°
是对地观测的角度范围。此处，各定标器的种类、数量和位置以及顺序均没有特别的限制。
[0055]
psac除了图1所示的光学系统外，还包括对探测器测得的数据进行初步的信号调理，例如进行信号放大、滤波、本底抑制等的信号调理系统。探测器和信号调理系统容易受到温度和空间辐射等环境的影响，导致本底增大及漂移，影响系统动态范围和测量精度。为此，psac的信号调理系统中采用了交流耦合和直流恢复电路(即，包括抑制电路)来进行本底和漂移抑制，例如，抑制因探测器本身和前放电路等存在本底和漂移。
[0056]
具体而言，探测器信号经由前放电路通过耦合电容进入抑制电路，耦合电容与后级较高的阻抗构成高通滤波电路，较低频率的本底和漂移信号将被阻断，从而实现探测器和前放电路的本底和低频漂移抑制。这是考虑到，在探测器和前放电路的漂移机制上主要由温度和器件退化引起本地变化，不存在较高频率的漂移，因此过滤掉较低频率的漂移即可。
[0057]
本发明中，将探测器探测到的数据称作“科学数据”。于是，通过信号调理系统输出的所有波段各自的所有偏振通道的数据是psac的“原始科学数据”，其是探测器输出信号经整个信号放大与调理电路(包括前述抑制电路)后的模数转换结果。psac的驱动电机带动正交扫描镜组件101在一平面内旋转并如图2所示在多个角度范围采样，故原始科学数据除了对地观测数据外，还包含定标器观测结果，例如偏振和辐射定标器数据、暗参考数据。
[0058]
在搭载了psac的卫星下传的原始数据中，除了作为遥感器观测的原始科学数据之外，还包括辅助数据，具体是遥感器辅助数据和卫星平台辅助数据。其中，遥感器辅助数据例如是能够表征遥感器健康状况的电流、电压、温度、电机转速稳定度、指令等遥测数据，卫星平台辅助数据例如是gps时间、定位数据和卫星姿态数据等。
[0059]
本实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法对分景后的原始数据(l0级数据)进行数据提取、参量质量监督、科学数据预校正、偏振解析、地理定位以及l1级产品生成与归档等。
[0060]
尤其是，在数据预校正中，考虑了psac的原始科学数据中包含的因探测器及电子学系统带来的影响以及因短波红外段探测器的工作温度差异造成的影响。同时，通过参量质量监督来监督通道缺失状况，根据需要采用四通道偏振解析或三通道偏振解析，实现更高的系统可靠性。因此，采用本发明的预处理方法，能够按照psac的性能要求和实际特性进行针对性的、精细化的数据预处理。
[0061]
图3是本发明一个实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法的流程图。
[0062]
如图3所示，在本实施方式的数据预处理方法中，首先，在步骤s301中取得星载偏振扫描遥感器psac的l0级数据，其次在步骤s302中提取遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星平台辅助数据，接着在步骤s303中进行参量质量监督，之后在步骤s304中进行科学数据的预校正，然后在步骤s305中进行偏振解析，并且在步骤s306中进行地理定位，最后在步骤s307进行l1级数据产品的生成与归档。
[0063]
下面详细说明图3的各步骤。
[0064]
(1)步骤s301
[0065]
在步骤s301中，取得偏振扫描遥感器l0级数据。
[0066]
其中，该l0级数据是卫星通过地面接收站下传并经地面系统录入处理后的一轨或一景数据(经过解格式和分景处理后的原始数据)。如上所述，其中包括科学数据和辅助数据，所有数据均为遥感器或卫星平台获取的原始量化数值(dn值)。
[0067]
(2)步骤s302
[0068]
步骤s302是数据提取步骤，其中，对步骤s301取得的l0级数据进行分类，从中提取遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星辅助数据。
[0069]
具体而言，遥感器科学数据是偏振扫描遥感器psac观测的包含目标(暗参考定标器、偏振和非偏定标器、太阳漫射板定标器以及对地观测目标场景等)信息的遥感数据包。更具体而言，是psac利用扫描镜周期性扫描来改变观测的角度范围，同时利用多个探测器在规定时间间隔的采样点处探测的多个波段各自的多个偏振通道的数据。
[0070]
此外，遥感器辅助数据包括遥感器遥测数据、内部状态参量等辅助工程参数，例如是表征遥感器健康状况的电流、电压、温度、电机转速稳定度、指令等遥测数据以及各类工作状态数据。卫星平台辅助数据包括gps时间、定位数据和卫星姿态数据等。
[0071]
(3)步骤s303
[0072]
步骤s303是参量监督步骤，其中，对步骤s302提取的遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星平台辅助数据等进行数据质量监督，对通道缺失、参量异常等予以告警。
[0073]
具体而言，在步骤s303中，对能够判断遥感器工作正常与否的关键数据进行监测，具体包括遥感器健康状况监督、科学数据有效性判断、平台关键参量有效性判断等，对参量异常情况等予以告警以及分类处理。
[0074]
其中，遥感器的健康状况监督指的是，基于遥感器辅助数据，对能够表征遥感器健康状况的数据，例如电流、电压、温度、电机转速稳定度、指令等遥测数据以及各类工作状态数据等的至少一种进行判断，超出正常允许的工作范围则为异常，并根据不同异常状态情况进行故障分类。
[0075]
另外，科学数据有效性判断指的是，基于遥感器科学数据，按照遥感器psac具备的特性进行分析处理，甄别数据异常模式，进而判断科学数据有效性。此处，科学数据有效性判断例如包括下述的至少一个：根据观测暗参考定标器获取的本底数据计算本底噪声，进而确认通道正常与否；分析本底均值是否超过正常阈值判断通道电子学系统是否正常；分析一扫描圈内本底漂移是否超过正常阈值判断本底漂移是否需要测试和校正；通过非偏定标器观测结果确定同一波段不同偏振通道(s0、s
90
、s
45
、s
135
)的响应是否正常；基于对地观测中同一波段不同偏振通道间的关联关系——具体如(s0 k1s
90
)与(c
12
*(s
45
k2s
135
))的一致性——来判断是否存在通道响应异常，并判断通道是否无法使用而判定通道是否缺失等，其中k1、k2和c
12
为定标系数，在实验室偏振定标过程中确定，或者在轨条件下通过偏振定标器进行偏振定标处理而确定。
[0076]
另外，平台关键参量有效性判断指的是，基于卫星平台辅助数据，对用于确定遥感器观测时间和地理定位的关键参量进行有效性判断，例如卫星gps时间、定位数据、卫星姿态数据等进行有效性、连续性判断。
[0077]
上述参量监督即遥感器健康状况监督、科学数据有效性判断、平台关键参量有效性判断的结果将输出相应状态标志。各监督的流程顺序不限。
[0078]
(4)步骤s304
[0079]
步骤s304是科学数据预校正步骤，其中包括本底漂移校正、本底校正和短波红外波段的温度校正等的至少一个(具体可参见中国专利申请202111251719.9)。
[0080]
由于psac的性能特点，如上所述其科学数据包含因探测器及电子学系统带来的影响以及因短波红外段探测器的工作温度差异造成的影响。步骤s304的预校正的目的是消除或减轻这些影响中的至少一种。
[0081]
下面具体进行说明。
[0082]
(4.1)本底漂移校正步骤s401
[0083]
psac的信号调理系统中使用了抑制电路来抑制例如因探测器本身和前放电路等存在的本底和漂移。
[0084]
然而，抑制电路本身同样受到空间环境等影响而产生本底漂移，不予校正将会导致数据误差，影响遥感器数据精度。步骤s401所针对的是，抑制电路中因器件老化、温度和空间辐射等引起与直流恢复基准点直接连接的器件参数变化，导致在每个直流恢复周期内发生的直流恢复基准点的漂移。
[0085]
步骤s401中利用预先测得的或随时更新的本底漂移校正系数dcr进行本底漂移校正，本底漂移校正表达式如下：
[0086][0087]
其中，w
x
表示第x(取1～9)波段，py表示y(取1～4)偏振通道。
[0088]
为第x波段y偏振通道的漂移校正系数，单位为dn/s(dn：digital number，表示遥感器信息获取电路中模拟信号经模数转换后的量化数据，s表示秒，dn/s表示每秒内变化/漂移的dn值数)。
[0089]
为第x波段y偏振通道在扫描圈(扫描周期)内对应的采集时刻获取的第i采样点的数据，为本底漂移校正后数据。在电机扫描过程中，在图2所示的各定标器和对地观测的角度范围内，psac按规定的角度间隔进行采样，将有效采样点按时间先后顺序进行排序，第i采样点即表示其中的对应点序号。
[0090]
δt为扫描圈内第i采样点对应的采集时刻与当前扫描圈直流恢复结束时刻的时间差，单位为s。
[0091]
本底漂移校正系数dcr的测量方法如下。
[0092]
使正交扫描镜组件101不进行扫描而处于对暗参考定标器定点观测的状态，同时关闭抑制电路的直流恢复功能进行一段时间的连续数据采集，此时获取的数据均为本底数据，同时可发现数据会出现连续地随时间线性增大的漂移。这里，通过测量规定时间内累积的该漂移值(单位为dn)，将测得的累积漂移值除以该规定时间，其相反数即为本底漂移校正系数dcr。
[0093]
本底漂移校正系数dcr可通过卫星发射前实验室测量，也可在在轨条件下测量漂移校正系数以实现漂移校正系数的更新，从而在遥感器寿命周期内都能够提供较为准确的数据校正。
[0094]
(4.2)本底校正步骤s402
[0095]
psac在正交扫描镜组件101四周布置了暗参考定标器用于建立零辐射基准。
[0096]
使用暗参考定标器的一个显著特点是每次扫描观测暗参考时，在时间上分成三段，如图2中“暗参考定标器”角度范围所示，在中间执行直流恢复以消除本底并实现零辐射基准建立，并在直流恢复之前和之后均进行暗参考定标器采集作为本底观测数据(二者分别称作“直流恢复前本底”和“直流恢复后本底”)，直流恢复期间的数据不作为有效的本底测量数据。
[0097]
并且，在将直流恢复前本底与直流恢复后本底取均值之前需要先剔除因干扰、静电放电以及空间辐射等引起的异常值。
[0098]
异常值可以基于本底数据异常阈值来剔除。
[0099]
异常阈值的设定需综合考虑本底均值和本底噪声大小。例如，可采取分级剔除异常值的方法。首先，根据评估的最大异常值大小，先以一个较大的阈值(如
±
20σ)范围进行粗筛，用于剔除对本底均值造成较大偏差的异常值；接着，再以正常本底均值
±
3.3σ的阈值进行精筛，用于剔除影响本底均值准确计算的异常值。
[0100]
在psac的数据观测过程中，正交扫描镜组件101扫描的每一圈的本底数据为对同一暗参考的扫描观测数据。采用该扫描圈内的经过异常值剔除后的上述“直流恢复前本底”与“直流恢复后本底”的均值表示该扫描圈的本底数据，计算公式如下：
[0101][0102]
其中，n表示两组本底采样点数之和，n是本底值异常的采样点个数，表示当前扫描圈直流恢复前第x波段y偏振通道本底数据，表示该圈直流恢复后第x波段y偏振通道本底数据，表示当前扫描圈第x波段y偏振通道本底均值。
[0103]
本底均值同前述本底漂移校正系数dcr同样能够在轨更新，从而在遥感器寿命周期内都能够提供较为准确的数据校正。
[0104]
利用上述本底均值对对应波段和通道的数据进行本底校正，计算公式如下：
[0105][0106]
其中，表示x波段y偏振通道在当前扫描圈内第i采样点漂移校正后数据，为本底校正后的数据。
[0107]
(4.3)温度校正步骤s403
[0108]
在psac中，短波红外波段探测器采用了内置半导体制冷器(tec)的双元ingaas pin光电二极管。然而，考虑到地面测试及定标过程中的实际工作温度可能高于在轨工作温度，需要补偿因工作温度不同导致的探测响应率差异，对探测器响应率进行温度校正。短波红外段探测器温度校正系数可通过热真空实验或探测器不同温度下相对响应率实验获取，并以遥感器发射前实验室定标时短波红外段探测器的工作温度t0进行响应率归一化，从而获得短波红外探测器响应率温度校正数据，并采用多项式拟合，获得温度校正曲线g(t)，其中，g(t0)＝1。
[0109]
遥感器短波红外探测器在轨工作温度可从遥测数据中提取，并进行平滑滤波。短
波红外波段的温度校正公式如下：
[0110][0111]
为x波段y通道的校正后第i采样点数据(可以是上述式(3)得到的经过本底漂移校正和本底校正后的数据，也可以是式(3
′
)得到的仅经过本底校正后的数据)，ti为当前波段探测器的实际工作温度；为温度校正后数据；g(t)是温度校正曲线。
[0112]
通过进行包括上述步骤s401～s403的至少任一个的科学数据预校正步骤s304，能够针对星载偏振扫描遥感器psac的数据特点进行精细化的数据预校正。
[0113]
同时，步骤s401、s402中的各波段、通道的本底漂移校正系数dcr和本底均值能够在轨更新，从而在遥感器寿命周期内都能够提供较为准确的数据校正，进而达到保证该遥感器产品质量和最终应用效果的目的。
[0114]
步骤s401～s403不必全部执行，可以执行其中的至少任一个。并且它们的顺序也不限于上述说明，例如步骤s402和s403的顺序可以调换。
[0115]
(5)步骤s305
[0116]
步骤s305是偏振解析步骤，其中，按照参量监督步骤s303的结果(具体是指对通道缺失的监督结果)选择解析方法，根据定标系数对经过步骤s304预校正后的、偏振扫描遥感器的对地观测数据进行偏振解析。
[0117]
基于星载偏振扫描遥感器获取的对地目标场景的标量(辐射)和矢量(偏振)信息，可用于进一步反演大气光学及气溶胶微物理特性参数。偏振解析指的是，根据偏振扫描遥感器获取的对地观测数据，来解析观测目标的光谱偏振信息，具体地，通过实验室或在轨获取的偏振定标系数求解偏振分量q和u。
[0118]
其中，若步骤s303的参量监督的结果是无通道缺失，偏振分量q和u可基于四通道偏振解析按照公式(5)～(8)迭代计算。
[0119][0120][0121]
tan(2χ)＝u/q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0122]
ξ(p)＝1 p
inst
pcos[2(χ
inst-χ)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0123]
其中p是线偏振度，χ是线偏振方位角(满足)，α1、α2、ε1、ε2、p
inst
、χ
inst
、均为偏振扫描遥感器的偏振定标系数，下标inst表示仪器(instrument的简写)，σ1和δ1分别表示0
°
和90
°
通道观测结果(s0和s
90
)经过增益修正的之和和之差，而σ2和δ2分别表示45
°
和135
°
通道观测结果(s
45
和s
135
)经过增益修正的之和和之差，ξ为修正因子。另外，s0、s
90
、s
45
、s
135
为四检偏通道数据经步骤s304预校正后的结果。
[0124]
若步骤s303的参量监督的结果是存在通道缺失，那么需要进行三通道偏振解析。
[0125]
与上述四通道偏振解析相比，存在一个通道缺失的条件下的三通道偏振解析的偏振定标系数需要重新根据星上偏振定标进行获取，通过非偏和线偏振定标器的观测结果重新计算相应的k1/k2、cx、α1、α2参数。三通道偏振解析时根据这些定标系数和实验室测量的基础参数进行偏振解析，求解偏振分量q和u。
[0126]
以s0通道缺失为例，其三通道偏振解析定标系数计算方法原理为：1)非偏定标器确定k2和cx：由于s0通道缺失不影响s
45
和s
135
的关系，非偏定标器仍可以用于确定定标系数k2，再通过一对筒子(即同一波段的两对正交通道)((s0、s
90
)和(s
45
、s
135
))间存在的关系确定s
90
的定标系数cx；2)线偏振定标器确定α1、α2：同样，由于s0通道缺失不影响s
45
和s
135
的关系，线偏振定标器仍可以用于确定定标系数α2，再通过一对筒子((s0、s
90
)和(s
45
、s
135
))间存在的关系及s
90
的结果确定定标系数α1。
[0127]
即，由于某一通道的缺失不影响除了该缺失通道(例如s0)及其正交通道(例如s
90
)之外的另一对正交通道(例如s
45
、s
135
)的关系，能够使用另一对正交通道的数据通过非偏、线偏振定标器得到部分定标系数，并根据一对筒子((s0、s
90
)和(s
45
、s
135
))间存在的关系，进一步利用缺失通道的正交通道的数据求得其余定标系数。
[0128]
通过上述处理，完成存在一个缺失通道条件下的关键偏振定标系数的星上偏振定标。根据上述通道(例如s0)缺失条件下的定标结果进行偏振解析即可获得q、u偏振分量。
[0129]
得到上述偏振分量q和u后，可进一步获得斯托克斯参量i、q、u，并完成辐射校正，计算如下：
[0130][0131]
其中c0为偏振扫描遥感器对应波段的辐射定标系数(实验室或在轨辐射定标获取)。
[0132]
根据输出格式需要可将得到的上述(i、q、u)辐亮度进一步转换成归一化辐亮度或表观反射率，转换过程中需考虑日地距离修正及遥感器光谱响应函数。
[0133]
(6)步骤s306
[0134]
步骤s306是地理定位步骤，其中，根据遥感器探测器指向矢量、卫星星历和卫星姿态数据计算在地球表面的投影中心位置，并换算到大地坐标系。
[0135]
地理定位过程中需要用到的数据源包括：1、gps定位数据、姿控和姿态数据等为卫星平台辅助数据；2、遥感器采样时刻秒内计时、帧圈序号等为遥感器产生的辅助数据；3、gps整秒对时广播数据为卫星平台提供，但在星上由遥感器接收并封装到遥感器辅助数据中。
[0136]
地理定位的目标是实现psac在每个扫描角度的探测器指向矢量投影到地面点的大地经纬度解算。psac扫描采样时刻探测器的瞬时指向矢量为v
det
，假设探测器指向地面的目标中心在wgs-84下的坐标为(x y z)
t
，在psac采样时刻卫星位置矢量p(t)＝(x
gps y
gps z
gps
)
t
，则可依据卫星姿态参数、时间和定位数据，建立偏振扫描遥感器的严密几何模型(见参考文献：王涛,张艳,张永生,等.高分辨率遥感卫星传感器严格成像模型的建立及验证[j].遥感学报,2013(05):1087-1102)。
[0137][0138]
其中，矩阵表示卫星本体坐标系到wgs-84地心地固坐标系下的转换矩阵，中间转换过程依据不同的方法可以进一步细分；表示卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的转换矩阵；表示偏振扫描遥感器载荷坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵；表示探测器指向矢量到偏振扫描遥感器载荷坐标系的转换矩阵，考虑到偏振扫描遥感器地面分辨率，可忽略有关坐标转移中的中心偏移或平移。
[0139]
对上述方程进行地面点坐标精确迭代求解，再转换到大地坐标系转换，即可获得地面观测点中心大地经纬度和高度(b、l和h)数据。进一步地，根据wgs-84地心地固坐标系下地面观测点中心坐标，可计算该地面采样点太阳入射几何(太阳天顶角和太阳方位角)及卫星观测几何(观测天顶角和观测方位角)，并结合海陆标识数据生成地面观测点中心海陆掩码。
[0140]
(7)步骤s307
[0141]
步骤s307是l1级数据产品的生成与归档步骤。其中，将通过前述步骤s303得到的参量监督结果、通过步骤s304和s305得到的对地观测偏振解析结果、通过步骤s306得到的太阳入射和观测几何、海陆掩码信息等结果进行归档，生成l1级数据产品。于是，完成了本实施方式的数据预处理。
[0142]
本实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理方法按照图3所示的s301～s307的顺序依次执行，不过，步骤s305、s306的顺序可彼此调换，对l1级数据产品没有影响。
[0143]
本发明的数据预处理方法的目的是将l0级数据处理成l1级数据，其中l0级数据和l1级数据的定义如前述表中所述。不过，该数据预处理方法也可以根据数据的使用目的改变其处理。
[0144]
如上所述，采用本实施方式的数据预处理方法，能够有针对性地对psac这一新型星载偏振扫描遥感器的数据进行预处理来从l0级数据产品得到l1级数据产品，能够提高准确性、稳定性、流程化，对国产新型遥感器的应用提供了关键支撑。
[0145]
尤其是，科学数据预校正步骤s304针对psac的特性进行了优化，能够消除其中包含的因探测器及电子学系统带来的影响以及因短波红外段探测器的工作温度差异造成的影响。同时，各波段、通道的本底漂移校正系数dcr和本底均值能够在轨更新，从而在遥感器寿命周期内都能够提供较为准确的数据预校正。
[0146]
并且，通过参量质量监督来监督通道缺失状况，根据需要采用四通道偏振解析或三通道偏振解析，实现更高的系统可靠性。
[0147]
图5是本发明一个实施方式的星载偏振扫描遥感器的数据预处理装置500的结构示意图。
[0148]
如图5所示，数据预处理装置500包括l0级数据取得模块501、数据提取模块502、参量监督模块503、科学数据预校正模块504、偏振解析模块505、地理定位模块506和l1级数据生成与归档模块507。
[0149]
其中，l0级数据取得模块501用于执行上述步骤s301，即，取得偏振扫描遥感器l0级数据。
[0150]
数据提取模块502用于执行上述步骤s302，即，对l0级数据取得模块501取得的l0级数据进行分类，从中提取遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星辅助数据。
[0151]
参量监督模块503用于执行上述步骤s303，即，对数据提取模块502提取的遥感器科学数据、遥感器辅助数据和卫星平台辅助数据等进行数据质量监督，对通道缺失、参量异常等予以告警。
[0152]
科学数据预校正模块504用于执行上述步骤s304，即，对数据提取模块502提取的遥感器科学数据进行本底漂移校正、本底校正和短波红外波段的温度校正等的至少一种校正。
[0153]
科学数据预校正模块504的结构示意图如图6所示，包括本底漂移校正模块601、本底校正模块602和温度校正模块603。
[0154]
其中，本底漂移校正模块601用于执行上述步骤s401，即，根据卫星发射前实验室获取或入轨后获取的本底漂移校正系数，计算遥感器每个扫描周期内所有波段及其偏振通道的各采样点的漂移校正后数据。
[0155]
本底校正模块602用于执行上述步骤s402，即，对各波段及其偏振通道观测暗参考定标器获取的本底数据进行异常值剔除，在此基础上计算直流恢复前后各通道本底数据的均值，对遥感器每个扫描周期内各采样点，基于采样点所在的扫描圈的本底均值进行本底校正。
[0156]
温度校正模块603用于执行上述步骤s403，即，获取探测器工作温度，根据卫星发射前实验室获取的短波红外波段探测器温度校正系数修正探测器响应率。
[0157]
与步骤s304的说明同样地，图6中表示的科学数据预校正模块504虽然包括本底漂移校正模块601、本底校正模块602和温度校正模块603这三个模块，但并不限定于此。可以包括这三个模块中的至少一个。
[0158]
接着回到图5，偏振解析模块505用于执行上述步骤s305，即，按照参量监督模块503的结果(具体是指对通道缺失的监督结果)选择解析方法，根据定标系数对经过科学数据预校正模块504预校正后的、偏振扫描遥感器的对地观测数据进行偏振解析。
[0159]
地理定位模块506用于执行上述步骤s306，即，根据遥感器探测器指向矢量、卫星星历和卫星姿态数据计算在地球表面的投影中心位置，并换算到大地坐标系。
[0160]
l1级数据生成与归档模块507用于执行上述步骤s307，即，将通过参量监督模块503得到的参量监督结果、通过科学数据预校正模块504和偏振解析模块505得到的对地观测偏振析结果、通过地理定位模块506得到的太阳入射和观测几何、海陆掩码信息等结果进行归档，生成l1数据产品。
[0161]
由此，通过采用本发明的数据预处理装置500，能够有针对性地对psac这一新型星载偏振扫描遥感器的数据进行预处理来从l0级数据产品得到l1级数据产品，能够得到准确性、稳定性、流程化，对国产新型遥感器的应用提供了关键支撑。
[0162]
尤其是，科学数据预校正模块504针对psac的特性进行了优化，能够消除其中包含的因探测器及电子学系统带来的影响以及因短波红外段探测器的工作温度差异造成的影响。同时，各波段、通道的本底漂移校正系数dcr和本底均值能够在轨更新，从而在遥感器寿
命周期内都能够提供较为准确的数据预校正。
[0163]
并且，通过参量质量监督来监督通道缺失状况，根据需要采用四通道偏振解析或三通道偏振解析，实现更高的系统可靠性。
[0164]
图7a-图7d是未应用本发明的数据预处理方法的情况下的原始扫描拼接图像，图8a-图8d是应用了本发明的数据预处理方法得到的扫描拼接图像。
[0165]
具体地，图7a-图7d表示的是以670nm波段为例psac获取的四个偏振通道的原始观测数据，由于观测目标的偏振态不显著且存在变化，观测的四个通道原始扫描拼接的图像数据显示不出明显差异，无法显示出需要的偏振和辐射信息。
[0166]
图8a-图8d表示的是同样以670nm为例psac观测数据的解析结果，四幅图像依次显示的是强度分量i、偏振分量(q分量和u分量)以及计算得到的目标线偏振度其中表示了偏振分量的图8b、图8c比较明显地显示出大气和水体在特定太阳入射和观测几何下的偏振特性，相对而言陆地的偏振较弱，计算的线偏振度图更清晰地显示出了该特性。很明显，原始数据经过预处理后较好地显示出了观测目标的辐射和偏振特性。
[0167]
图9是对本发明一个实施方式的数据预处理方法的地理定位结果进行评价的图。图中展示了基于海岸线检测法对psac地理定位精度的初步评价结果，可以看出图像的水陆交界线与海岸线基本一致，证明了该数据预处理方法具有良好的效果。
[0168]
工业利用性
[0169]
本发明适用于星载偏振扫描遥感器的数据预处理，用于从l0级数据得到l1级数据。