多维度红外焦平面成像仪灵敏度在轨评价研究

红外焦平面成像仪灵敏度是随空间频率变化的温度分辨率指标，噪声等效温度差作为噪声限灵敏度仅表征了仪器观测均匀目标时的温度分辨能力。当前，虽然最小可分辨温度差、最小可探测温度差等指标已含有空间频率变化特征，但依赖于专家的实验室主观评判，无法客观比对。本项目研究将建立一套完整描述红外焦平面成像仪中整体三维噪声、背景杂散辐射以及系统调制传递函数等多维度要素共同决定的灵敏度客观度量指标- - 点源可探测温度差，以及面向相对均匀目标的在轨评价方法。针对实际观测中大气扰动等非恒定观测条件，优化相对均匀目标尺寸选取，并增加大气辐射订正，以利于提高在轨评价精度。该方法适用于在轨及实验室条件下，采用焦平面、多元及单元等探测器的红外波段灵敏度评价与测试，为提高我国遥感仪器性能在轨评价和实验室测试能力，将提供重要的技术支撑。项目研究将在新型遥感仪器观测资料建模与分析、多维变异函数理论应用等方面做出原创性贡献。

对红外焦平面成像仪而言，噪声等效温度差仅反映了遥感仪器观测均匀目标时的最佳灵敏度，与实际可分辨率的目标亮温变化相去甚远。分析表明，多维度噪声、系统点扩散函数和仪器杂散辐射等，是影响红外焦平面成像仪灵敏度的三个主要因素。从定义出发，提出了完整描述红外焦平面成像仪灵敏度的客观度量指标——点源可探测亮温差（PDTD）。通常情况下，红外波段遥感仪器杂散辐射主要来自于背景场，且满足缓变特性，因而，PDTD在轨评价的核心就是如何准确评估多维度噪声统计特性与系统点扩散函数分布特征。一方面，以实验室三维噪声分析框架为基础，构造了线列焦平面成像仪多维噪声分析所需的三个新的独立观测样本空间，提出了基于改进变异函数分析的多维噪声协方差估计方法，误差小于0.1K@300K。另一方面，提出了基于理想斜坡模型及目标延拓空间卷积变换的红外波段在轨点扩散函数评价方法，且系统特征调制传递函数值评价误差优于0.05。本项目提出的PDTD在轨评价方法，已成功应用于FY-3B MERSI和FY-2E VISSR在轨灵敏度测试中。作为重要成果，PDTD将有望成为衡量红外焦平面成像仪灵敏度性能的新指标。