摘要
水色遥感产品的三要素为：叶绿素、悬浮物质和黄色物质。水色水温扫描仪（简称水色仪）作为海洋一号卫星的主载荷之一，设置了8个可见近红外探测通道，主要目的是获取全球的海色三要素分布产品，为全球海洋初级生产力分布研究提供数据。2007年发射的HY-1B星水色仪，作为零辐射基准的冷空位置在入轨初期即存在光污染，导致近红外探测通道深海水域信号出现截止，并且纬度越低冷空信号越大。为了研究此问题的存在机理并对B星水色仪的历史数据进行修复，在实验室对问题产生源的特性进行了验证，并对其影响机理进行了分析。通过获取C星水色仪耀光能量与太阳天顶角的关系，计算B星水色仪在不同太阳天顶角的耀光能量。根据辐射定标系数可得到耀光能量对应的信号码值和码值修复量。结果表明，该修复值与由太阳天顶角计算得到的能量成线性关系，并可用于对B星水色仪其他目标信号进行修复。该算法可用于对B星水色仪近9年的遥感数据的修复，为后续与同类海洋遥感仪器的数据比对并反演水色产品奠定了理论基础。
海洋一号卫星（HY-1）是我国自主研制的第一代太阳同步轨道海洋光学遥感卫星，先后于 2002年、2007年、2018年和2020年发射了HY-1A，HY-1B，HY-1C和HY-1D四颗海洋遥感水色卫星，运行在高度近800 km的太阳同步轨道上。四颗卫星均搭载了包括8个可见近红外谱段和2个热红外谱段的水色仪，主要用于对海洋水色、海温环境和海冰等要素进行探
B星水色仪入轨初期即发现冷空位置受未知辐射源干
本文从仪器研制方的角度，对B星水色仪在轨辐射基准受到光污染的规律与机理进行数据分析与实验验证。在此基础上，以B/C星水色仪可见近红外通道的耀光能量作为载体，建立合适的数学模型，对图像数据进行修复，并供给其他单位进行星星比对再定标和海色产品的反演。从目前初步处理结果看出，B星水色仪与MODIS的信号相关性相对修复前有了较大提高，说明数据修复达到了预期效果。
B星水色仪可见近红外波段，在整个运行生命周期内，阳照区用于辐射基准的冷空信号对应的输出码值均高于发射前辐射定标过程所预留的暗电平码值，而且卫星过境星下点对应的纬度绝对值越小（太阳天顶角越小），冷空信号码值越大；换言之，星下点对应的太阳辐照度越大，冷空信号受到的污染越大。而水色仪作为零辐射基准的冷空直流恢复位置与冷空采样位置相差的角度很小，从深海区域一类水体近红外探测通道信号截止的现象可以看出，冷空直流恢复位置也受到了污染，从而影响地球目标信号的精确稳定采集。
水色仪采用45°扫描镜+K镜像消旋+4元探测器并扫+机械制冷的方
图1 水色仪成像示意图
Fig. 1 Imaging diagram of COCTS
水色仪通过卫星的飞行和45°扫描镜的转动来实现对地物的二维扫描成像，扫描镜转动一周为一个扫描周期，K镜用来实现信号的像旋消
图2 水色仪扫描周期
Fig. 2 Scanning period of COCTS
正常情况下，可见近红外通道的冷空信号与黑体信号均为暗电平信号，而水色仪B星发射入轨后发现冷空信号远大于电路设置的暗电平。在阳照区时，水色仪冷空受到的干扰与地物辐射和天顶角有较大的关联性：越小（靠近赤道），地物辐射强度越大，对冷空的干扰越强；越大（靠近两极），地物辐射强度越小，对冷空的干扰较小或不明显。冷空在受到干扰时信号变大，从而导致地球区和黑体信号相对冷空基准的幅度变小。在阴影区，由于没有太阳和地物辐射的影响，冷空和黑体信号恢复到正常的暗电平码值。
选取通道4第1元的10个冷空采样点信号对在轨现象进行描述，如
图3 阳照区冷空信号
Fig. 3 Cold space signal in sunshine area
此外，每一行的10个冷空采样点信号也呈现出一定的规律性，如
图4 不同帧的冷空信号
Fig. 4 Cold space signal of different frame
相对于冷空信号，阳照区的黑体采样信号则小于电路设置的约20个码值的暗电平信号，甚至出现了截止现象，如
图5 阳照区黑体信号
Fig. 5 Blackbody signal in sunshine area
在卫星发射入轨前，对B星水色仪可见近红外通道进行了辐射定
| ， | （1） |
式中为系统输出码值，为系统响应系数，为暗电平，为目标到达大气层顶的辐亮度，为冷空处的辐亮度。理想情况下为0，即使不为0，若能保持一个稳定值，亦能根据
当辐射基准受到干扰，造成Δ的改变时，定标系数也会随着改变，变化量为；但若不断变化，则会造成系统响应的不稳定。因此，冷空辐射基准信号的稳定程度，直接决定了水色仪在轨数据能否被定量化应用以及应用的难度。
要对B星水色仪的数据进行定量化应用，必须获取影响冷空信号大小的决定因素，并在此基础上进行数学建模，得到可适用于整个生命周期内数据修复的数学公式及其系数，否则后续再定标处理无从谈起。
基于上述在轨数据分析结果，为了验证冷空干扰信号的影响因素，在对B星水色仪的工程样机进行适应性改造的基础上，在实验室进行此在轨现象的地面再现。
用积分球模拟来自地球的目标辐射，用带有准直功能的氙灯（氙灯作为光源）模拟来自太阳的直接辐射。用具有不同特性的物体来模拟冷空直流恢复位置的未知物体：漫反射体采用反射率较低的蜂窝和反射率为99%的漫反射白板两个极端目标加以仿真；镜面反射物体使用来自于卫星的多层热控包扎材料。实验装置示意图如
图6 实验示意图
Fig. 6 Schematic of the experiment
水色仪8个可见近红外探测通道的谱段范围及应用对象如
实验中在冷空位置分别放置3种不同的反射体，在氙灯开和关两种状态下，对8个可见近红外通道的冷空、黑体和积分球信号码值进行采集，实验数据表明8个谱段各个探测元的信号变化规律基本一致。下面以第4谱段第1元信号的响应数据为例，对各种情况下的变化规律进行说明和分析。
在实验前对积分球的能量进行了标定，对应第4谱段的光谱辐亮度如
如
图7 黑体信号
Fig. 7 Blackbody signal
当开启氙灯时，虽然白板的反射率远大于蜂窝，但是黑体信号的码值仅比蜂窝时的码值小幅减小。因此，黑体信号如果受到冷空位置漫反射目标反射地球辐射的影响，码值会有少量减小，但并不会导致信号的大幅下降或截止。
当采用多层作为冷空位置目标仿真时，不开氙灯的情况下，黑体信号随着积分球灯的数量增加而明显减小直至截止；当开启氙灯时，黑体信号完全截止。由此可见，如果在冷空处有类似多层热控材料的镜面反射物体存在时，将会明显受到地球辐射的影响，而且与地球辐射强度呈正相关。若太阳光线反射到冷空位置的镜面反射物上，则会导致黑体信号出现截止。
由
图8 冷空信号
Fig. 8 Cold space signal
当采用漫反射白板时，氙灯不开时的信号基本不受影响；当氙灯开启，并且积分球开的灯数足够多时，冷空信号才有所增加。由此可见，采用高反射率的白板并不能使冷空信号大幅增加。
当采用多层且氙灯开启时，由于氙灯覆盖冷空位置范围较广，导致直流恢复信号和冷空信号大小相近，因此冷空信号发生了截止；氙灯未开启时，冷空信号随积分球灯数的增加缓慢增大。
由
图9 积分球信号
Fig. 9 Integrating sphere signal
由
图10 多层包扎的影响
Fig. 10 The influence of multi-layer dressings
由于太阳同步轨道中太阳和卫星的相对位置关系，太阳光不可能直射进入水色仪冷空开口处，产生这种现象的可能性是在冷空位置有异常强杂散光辐射进入水色仪工作光路的直流恢复区域。较大的可能是太阳经地物辐射进入到冷空附近区域，经过高反射率的未知实体反射进入水色仪冷空区域，导致有地面目标辐射或太阳耀
为了抑制杂散光，水色仪在视场边缘两侧设置有遮光罩。假如未知镜面反射物体依附于水色仪遮光罩某处，建立如
图11 地物辐射对B星水色仪的影响
Fig. 11 The influence on HY-1B COCTS of the sun glitter
由菲涅尔定律可得太阳耀光到达B星水色仪直流恢复处的辐亮度计算公式如
| ， | （2） |
| ， | （3） |
式中，为目标到达大气层顶的辐亮度；为冷空处的辐亮度；为太阳的辐亮度；为入射光束在海面的投影面积；为太阳光到达海面的透过率；为太阳反射光到达水色仪入瞳的透过率；为天顶角（太阳光入射角）；为由镜面反射物体的位置和相对角度确定的入射光线的入射角。
B星水色仪的系统响应系数，已经包含了大气透过率和的影响。将（2）和（3）代入
| ， | （4） |
即：
| ， | （5） |
式中，为B星水色仪实际获取的耀光信号码值；为B星水色仪的系统响应系数，为B星水色仪系统响应暗电平，二者均通过发射前的地面辐射定标实验得到，如
可以看出，如果冷空位置存在一个疑似镜面反射的载体，B星水色仪获取的冷空处耀光信号的大小和太阳天顶角的余弦呈正相关，并且受到镜面反射物体与直流恢复方向夹角的影响。因此需要修复的量应与其呈负相关，这与在轨冷空信号的变化规律以及实验室验证结果相吻合。
其中，CHmnA和CHmnB分别为第m通道第n像元对应的K镜A面和B面工位。
2018年发射的C星水色仪可见近红外探测通道的波段中心波长设置与B星相同，而且均为由北到南降轨成像。排除云层和大气等的影响，耀光到达大气层顶即水色仪入瞳的辐射量，只与耀光处所对应的太阳天顶角有关。因此，对B星和C星水色仪同一光谱探测通道相同天顶角的太阳耀光能量可认为相同，由此可建立可行的数学物理模型，通过C星水色仪观测到的太阳耀光能量数据与太阳天顶角的关系，可用于对B星水色仪不同天顶角时的耀光能量进行计算。根据耀光能量与
C星与B星水色仪耀光信号的产生机理相同，都是基于太阳入射与水色仪观测在特定的海面区域形成镜面反射产生的，具体的产生机理示意如
图12 耀光影响示意图
Fig. 12 Diagram of the glitter influence
耀光信号获取像素的判断依据是入射角与反射角之差不大于1
排除云层和大气的干扰，以反射观测点为中心，左右各取10个像素点，取均值作为C星水色仪的耀光信号，B星水色仪的耀光信号获取方法相同。C星水色仪由于没有B星水色仪的在轨光污染，耀光能量的计算公式为：
| ， | （6） |
式中为C星水色仪得到的耀光信号能量，为C星水色仪耀光信号码值，和为在地面获取的C星水色仪辐射定标系数。
通过卫星下传的轨道参数和时间，可以得到星下点的太阳天顶角。根据对C星水色仪在轨将近300景目标的耀光能量进行计算，获得了8个通道的耀光能量与太阳天顶角的对应关系，如
图13 C星水色仪耀光能量与天顶角的关系
Fig. 13 The relationship between the glitter energy and zenith angle for HY-1C COCTS
可以得出C星水色仪入瞳处的耀光能量与天顶角的关系满足公式：
| ， | （7） |
和分别为响应的斜率和截距，而自变量为，为太阳天顶角。
同理，B星水色仪在不同太阳入射角时的耀光能量，也应满足
| . | （8） |
假设B星水色仪自身响应率没有发生变化，根据发射前辐射定标的响应率数据计算B星水色仪耀光信号实际应该达到的码值，减去实际获取的信号码值，即为需要修正的B星水色仪信号码值。结合
即：
| ， | （9） |
其中，为需要进行能量修正的信号码值，为B星水色仪耀光信号实际应该达到的码值，为B星水色仪耀光信号实际达到的码值，和分别为
由上式可知修复量与镜面反射物体的位置及相对角度特性相关。因为直流恢复处的光污染直接影响的是水色仪辐射基准，因此对在同一扫描线上所有像素点对应目标的影响是完全相同的，所以既是耀光信号的修正量，也可以作为当前扫描行上冷空信号、黑体信号以及其他地球区目标信号的修正量。
可将
| ， | （10） |
式中，定义为能量修复系数。
虽然的值是未知的，但是镜面反射物体在轨的相对位置应为固定不变的，即为确定量，因此各探测元的能量修复系数也为确定值。为了确定各探测元的值，对B星水色仪在轨获取的数据进行统计分析。
由
| ， | （11） |
其中，为通道4第1元A工位时的太阳耀光输出的信号码值；和为
图14 B星水色仪CH41A理论输出信号码值
Fig. 14 The theoretical output code of CH41A of HY-1B COCTS
B星水色仪CH41A在轨实际获得的太阳耀光信号的码值如
图15 B星水色仪CH41A实际输出信号码值
Fig. 15 The actual output code of CH41A of HY-1B COCTS
为了得到
图16 码值修正量
Fig. 16 Code correction quantity
由
但是由于实际耀斑信号获取时不可避免地受到云层、大气等因素的影响，最终导致实际的修正数据也存在较大的离散。为了获取较为合理的修正系数，对上述数据进行线性拟合，得到的CH41A的修正公式为：
| . | （12） |
根据
水色仪可见近红外的8个通道，各包含4个探测元，考虑到K镜光学消像旋的A和B两个工位，每个探测元均有两组各自的修复数据码值与目标辐亮度所对应的函数，可表示为：
| ， | （13） |
其中，为第m通道第n元A/B工位的码值修复量，为能量修复的斜率系数，为能量修复的截距系数。
此函数关系为确定的，和可通过上述数据统计分析的手段获得，且不随图像的变化而变化，在进行各探测元的图像修复时依据此函数进行。
其中，获得的第1至第8通道第1元的修正系数如
其中，CHmnA和CHmnB分别为第m通道第n像元对应的K镜A面和B面工位。从
整个计算过程涵盖了B星水色仪9年的耀光数据统计结果，与能量相关的修正量进一步说明了B星水色仪在轨光污染的“源”是来自地球目标的太阳反射。
通过上述修正系数，即可对B星水色仪所有在轨可见近红外地物目标数据进行修复，过程如下：
（1）修复对象为B星水色仪的1A级产品，包含了时间、星下点太阳天顶角等修复需要的信息；
（2）获取太阳天顶角与日地距离，计算对应的能量，根据各探测元的能量修复公式计算与能量相关的修复量。
由于B星水色仪实际处于受光污染的状态，而数据修复是在现有基础上、为了体现光污染必然导致信号下降这一客观事实而进行的相对修复；并且修复后的图像数据需要由相关机构进行后续的再定标和定量化反演，所以修复过程仅使用了
根据推算结果，选取2008年2月15日水色仪拍摄的我国东南沿海可见近红外的8个波段的图像进行逐行修复，修复前后图像的第1164像素（列）的曲线如
（a）
（b）
图17 修正前后图像曲线（第1164像素）（a） 通道1~4，（b） 通道5~8
Fig. 17 Image curve before and after correction（No.1164 pixel）（a） channel 1~4,（b） channel 5~8
（a）
（b）
图18 修正前后图像曲线（第1840行）（a） 通道1~4，（b） 通道5~8
Fig. 18 Image curve before and after correction（No.1840 frame）（a） channel 1~4，（b） channel 5~8
为了更好地区分海洋和陆地特征，将波段8、波段5、波段2分别对应R、G、B，对修复前后的图像进行合成，如
（a）
（b）
图19 图像修正（a） 修正前图像，（b） 修正后图像
Fig. 19 Image correction（a） image before correction, （b） image after correction
（a）
（b）
图20 渤海、黄海区域图像修正（a） 修正前图像，（b） 修正后图像
Fig. 20 Image correction of the Bohai Sea and the Yellow Sea area（a） image before correction， （b） image after correction
（a）
（b）
图21 图像码值分布（a） 通道1~4，（b） 通道5~8
Fig. 21 Image code distribution（a） channel 1~4, （b） channel 5~8
从B星水色仪可见近红外探测通道出现的现象：黑体及部分深海区域近红外通道出现信号截止、冷空信号远大于发射前设置的暗电平码值，可以确定B星水色仪在轨冷空采样及直流恢复位置受到了较强的、不明原因的、非稳定的光学污染，最终导致无法进行海色三要素产品的反演。
通过对在轨冷空信号变化规律的分析，初步确定B星水色仪冷空位置存在一个相对稳定的镜面反射载体，将来自地球的目标辐射或者太阳耀光反射进入直流恢复视场。利用B星水色仪工程样机对在轨这一现象进行了实验验证，分别采用蜂窝、99%的漫射率白板以及卫星常用的多层包扎作为冷空处的目标仿真，采用氙灯模拟太阳直射光、积分球仿真地球辐射。结果表明，多层包扎作为冷空处的目标时，积分球和氙灯照射下水色仪可见近红外通道的测试结果与在轨现象最为符合。
基于对在轨冷空信号规律与实验结果的分析，得出冷空处如果存在多层包扎时，来自地球的反射光辐射以正比于太阳天顶角余割函数的规律影响冷空信号的结论。以C星水色仪耀光信号对应的能量对B星水色仪的耀光信号进行修正，得到修正量的相对值与理论分析能够较好地吻合；由此建立模型并得到的修正系数可用于B星水色仪可见近红外波段在轨数据的修正，并可用于历史数据的再定标和海洋水色等海洋要素的反演。
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