高分四号静止卫星辐射性能模拟与信噪比分析——以香港近海岸水体为例

摘要

随着高分四号(GF-4号)地球同步卫星的发射与初步应用,其兼顾高空间与高时间分辨率的优势在同类型卫星中独具特色,中国对地静止卫星影像的研究也越来越受到重视.为了对GF-4号卫星在轨探测能力进行评估,掌握日内可用影像数据时段以合理安排成像时间提高卫星使用效率与延长寿命,有必要对以暗像元为代表的典型地物(如水体)进行辐射能模拟与信噪比研究.基于MODTRAN辐射传输模型,将香港沿岸水体作为暗目标,对GF-4号静止卫星多光谱遥感全色谱段以及蓝、绿、红、近红外4个多光谱谱段进行标准大气条件下入瞳处辐亮度的模拟,并利用在轨影像进行验证.在此基础上去除大气背景辐射干扰计算有效信噪比,并分别选取一年中春分、夏至、秋分、冬至,4个典型日的模拟数据进行质量分析,探讨一天连续观测中卫星能够获取高质量水体影像的有效时段,尤其是对晨昏时段临界微弱信号的敏感性进行分析.结果 表明,夏至、冬至日内表观辐亮度峰值依次为59.26 W/(m2·sr·μm)、56.20 W/(m2·sr·μm),均出现在蓝光谱段;夏至、冬至最高地表有效辐亮度分别为17.52 W/(m2·sr·μm)、12.13 W/(m2·sr·μm),出现在蓝光谱段,但差距有所缩小.这是由于入瞳处辐射主要受到大气背景辐射的影响,以夏至正午为例,各谱段受背景辐射影响程度达到49.7％-75.5％.为规避背景辐射噪声,提出适用于陆表观测的有效辐射百分比的概念,推导出传统信噪比、有效信噪比以及有效辐射百分比之间的转换关系式,揭示了背景辐射对成像信噪比干扰的定量形式,提出有效信噪比计算方法,并以此为依据,以香港海岸带水体为目标,建立了相应有效信噪比对应时刻表.经计算香港海岸带水体一年中卫星全天有效信噪比均低于50 dB,夏至、冬至最高地表有效信噪比分别为41.0 dB、38.2 dB,其中蓝光谱段模拟效果最差,近红外、全色谱段结果较好.为保障影像质量,以香港海岸带水体有效信噪比35 dB为阈值确定影像获取时段,分别为夏至日北京时间7:49-17:01,冬至日北京时间9:28-15:07.